变位欠驱动拟人机器人手浅谈
当今世界，拟人机器人领域研究越来越受到世界各国科研人员的重视，拟人机器人手作为拟人机器人领域的一个分支，不论在航天航空、危险领域作业、医疗护理、生活服务中都得到广泛的应用。
谈到机械手，我总是非常兴奋。作为清华大学机械工程系“因材施教”优等生培养计划的一分子，我大二就有了导师和自己的研究课题。我的课题就是关于欠驱动手方面的研究。所谓欠驱动，就是用少量的电机来控制多个自由度，以减小机械装置的控制难度和加工成本。在查阅了多种文献后，我发现传统欠驱动手虽然可以实现基本的抓取目标，却不能在拟人性和灵活性上有很大的突破。相较之下，机械手的领域分支—灵巧手，可以灵活地实现人手的各种动作，但其对控制和传感的要求高，以致于价格昂贵。英国Shadow公司的Shadow C5手的市场售价为9万欧元（11.9万美元），而一款NASA Robonaut灵巧手的市场报价为200万美元。如此昂贵的灵巧手，大多只能在一些实验场合应用，而不能走进我们平常人的生活。
于是，我萌生了设计一款既灵活美观又便宜稳定的机械手的想法。经过不断地设计新方案、不断地借鉴前人的经验、不断地与导师探讨，终于，我从仿生学中得到灵感，提出了“变位欠驱动”的概念。“变位欠驱动”包括两种功能：“预弯曲”与“自适应抓取”。“预弯曲”可使机械手在抓取物体前灵活地调整其初始姿态，而“自适应抓取”则是使机械手自动适应物体的形状来抓取物体。这种动作模式，与人手极为类似。人在进行抓取时，大多也是要先调整好一个必要的抓取姿态，然后再去自动适应物体的形状来抓取物体。提出这一概念后，我开始着力于设计和研发变位欠驱动机械手装置，通过半年多的努力，初步研制调试成功。所研制的变位欠驱动机械手装置包括5个手指，15个关节自由度，可以稳定地抓取包括球体、圆柱体、方体、椎体、不规则体在内的诸多物体，也可以进行诸如抓持、握持、捏持、按压等不同的基本操作模式。
由于变位欠驱动手是基于变位欠驱动这一全新概念，与传统的欠驱动手相比，灵活性与拟人性大大提高，而与灵巧手相比，又大大降低了控制难度和制造成本，在灵巧手和欠驱动手之间找到了一条全新的道路。该装置已经申请国家发明专利4项，发表学术论文3篇（SCI检索1篇、EI检索2篇），获国际机器人应用会议（ICIRA2009）最佳论文奖。另外，本项目已经获得国家大学生实验室创新计划资助。
该手可以作为拟人机器人的输出终端，较灵活稳定地完成机器人的末端输出任务；也有望在康复工程中获得应用，帮助残疾人恢复手部运动与工作能力；另外，该手还有可能在玩具产业找到立足之地。现阶段，我们实验室正在研发一款全新变位欠驱动机械手，其外观尺寸与人手一致，可以更加灵活稳定地进行抓取和操作，并有望结合机械手臂和图像识别处理技术，综合实现抓取和操作的机器人上肢系统。
责编/刘 路