机械手设计

姓名:吴兆阳  学号:14020199009

转自机器人大讲堂

嵌牛导读:在机器人手设计方面，广泛存在两大思想流派。第一个是操作简单明了并能把某种工作做好的机械手——依靠两三根「手指」（所形成的钳子）轻而易举地完成许多工作。第二种是完全按照人类双手进行精确模拟的机械手——拥有一根拇指的其他四根手指，这是基于人类数百万年进化而成的双手去设计的机械手，不管怎么说，我们身边所有的物体都是根据我们的双手去设计的，所以如果你希望机器人能够尽可能做到更多事情，那么它最好是拥有一双像真人的手一样的手

嵌牛鼻子:机械手

嵌牛提问:机械手的设计思想是什么？

嵌牛正文:

鉴于真正的人的手所固有的复杂性，仿生拟人手的必然会存在很多的折中方案，让它们在很好地工作的同时还能保持人手外形。许哲和来自西雅图华盛顿大学的Emanuel Todorov为了实现让机器人手完全代替人手的终极目标，已经设计了迄今为止最精密和动作最准确的仿生拟人机器人手。

关于设计新型拟人仿生手对他们的重要性，许是这样说的：“设计拟人仿生手的常规方法是利用铰链，联动装置和平衡环等零件来实现生物部件的机械化，来简化看似复杂的人体参照物。这个方法有助于理解和大体上模拟人手的运动，但是也不可避免地造成了人手和机器人手之间的差异，因为在这个机械化的过程中，人手大部分突出的生物力学特性被舍弃了。在人手和机器人手之间本质上的不匹配妨碍了我们用自己的手部运动来控制它们。所以，目前还没有仿生拟人手达到人手的灵敏度。

Xu和Todorov决定从头开始进行开始他们的机器手项目，以尽可能精确的方式机械地复制人手。首先，他们用激光扫描人体骨架的手，然后3D打印出相匹配人造骨骼，这让他们能够复制人类灵活的关节。

徐解释说：“例如，我们的拇指运动是依靠位于腕掌关节的形状复杂的梯形骨（CMC）。由于大多角骨的不规则形状，CMC关节轴的精确的位置是不固定的。因此，现有的通过传统的固定旋转轴连接的拟人机器人的手都不能还原自然的拇指运动。我们通过扫描尸体手骨架，3D打印了人工骨骼，并且该人工手指关节的运动范围、刚度、和动态行为都非常接近人手。我们的机器手设计独一无二地保留了人手重要的生物力学特性，达到了解剖水平。

关节韧带（身体用来固定关节且控制它们活动范围的部分）的材料使用了高强度的Spectra带，并带有激光切割的橡胶板来代替增加关节柔软度的软组织。伸肌和屈肌的肌腱（用来矫直和弯曲手指的部分）也由Spectra带构成，同时用更多的激光切割橡胶板代替了腱鞘和伸肌腱帽，UW（华盛顿大学缩写）手的最后一部分构成是肌肉，它是由一排10个Dynamixel伺服系统组成，它们的电缆布线也紧密的模仿了人的手腕管。

除了技艺精妙绝伦之外，我们还可以用waldo遥控器操纵UW手准确模仿人手的各种抓拿动作。用户也可以进行复杂的在手操纵而不用受力反馈，研究人员把这归功于这款机械手与人手在生物力学上的高度匹配性。

真正的关键在于，仿人手机械手的诞生意味着机械手已经能够主要依靠自身构造来模仿人手的操作，而不是依靠任何类型的编程。由于操作者能更好地运用自己双手的灵敏性，所以在遥控操作方面这种“手”有很大的潜在优势。

更有趣的是，研究人员说机器人的手可以用作“三维支架的肢体再生研究”，许教授解释说：“对假肢的控制基本上依赖于人的大脑。因此，如果假体的设计可以更类似于它的生物对等物的话，相同的神经义肢技术就能更有效。生物相容性材料可以被打印成骨结构、可生物降解的人工韧带已被用来取代撕裂的前十字韧带，人体的肌肉已被成功培植于培养皿内，在适宜的条件下周围神经末梢可以再生。所有这些能造福人类的技术都需要合适的支架供移植细胞的生长。我们将与生物学领域和组织工程领域的研究人员合作，进一步发掘生物制造支架的潜力，让其更好地造福于神经义肢和肢体再生这一新兴领域。