（示意圖/取自pixabay）
你印象中的「機械手」能做什麼？
能把場上的球撿到筐裡。
能將小方塊疊起來。
還能轉筆。
但整個過程看上去似乎還不算特別流暢靈活。
為使機器人更好地完成定位和抓取物體的任務，史丹佛大學研究人員設計出了一種機械手。不同於傳統機械手，其「指尖」為鉸接式的主動驅動滾輪，自由度（DoF）為 3，可實現對物體無限的旋轉與抓握。論文入圍了四大獎項，最終斬獲最佳學生論文獎（Best Student Paper Award）和最佳機器人控制論文獎（Robot Manipulation）。
更令人欣喜的是，這種靈活機械手的升級版V2也已問世。將V1指尖部分的圓柱形滾輪換成藍色小球，從而增加系統的穩定性。
從立體到平面的無限抓握與旋轉
先來看看V1表現如何。
輕輕鬆鬆旋轉有稜角的立方體，比如向大家展示一下骰子的6個面。
再表演一個擰瓶蓋。
有時我們沒法一下子拿起桌子上的紙，看看機械手能不能做到。
其中一隻「手指」累了想歇一歇，也可以輕鬆抓起籃球向不同方向移動。
那麼V2表現如何呢？
看上去就像一個輕鬆一抓，就能把小球抓起來的抓娃娃機爪子。
抓起來的小球可以在手中360度旋轉，這靈活度可真是接近人手了。
三根「手指」，九個關節
這樣靈活的裝置，背後的原理如何？
據瞭解，研究團隊通過設計訂製的硬編碼控制方案和仿人學習，成功地推導了瞬時運動學方程、實現了機械手對物體的操作。
不難看出，史丹佛研究團隊的這隻機械手有三根「手指」，每根「手指」的自由度都為 3，我們可以將其理解為三個特定功能的關節：
- 其一，用於重新定向物體的樞轉運動；
- 其二，用於移動物體的連續滾動運動；
- 其三，用於手指抓取一定尺寸、形狀的物體。
【V1 的基本構造】
【V2 的基本構造】
那麼，這樣的裝置是如何運轉的呢？
研究人員開發訂製API，將硬體資訊連接到控制算法或用戶輸入。這裡所說的資訊就主要包括了各關節的位置、Base Joint的電流極限及馬達的控制參數。
事實上，要設計、組裝一個機器人，自然需要不少組件，例如作為機器人大腦的控制器、充當認知的感測器等等。而製作機器人的關節，一般情況下都會用到電機，其特點就是價格不高、且易於控制。
因此，在這一設計中，研究團隊就選用了韓國製造商ROBOTIS開發的高性能Dynamixel電機，其電流用於設置Base Joint的剛度，以及測量物體控制過程中每根「手指」感受到的力。
而為了更好地控制電機，同時處理與高級API的通訊，研究團隊還用到了一個基於USB的微控制器Teensy 3.6。
實際上，兩個版本主要的差異在於「指尖」部分。V2置有球形滾筒，而V1的滾筒呈圓柱狀。這一設計背後的目的在於對系統穩定性的提升。升級後，滾筒不論如何定向，接觸點都是可以預測的。此外，V2樞軸範圍更大，為180度，而V1樞軸範圍僅為90度。
值得一提的是，在外觀上，不論是V1還是V2，這種機械手並沒有繼續沿襲以往擬人化的設計思路，用IEEE的話說就是將其「扔出了窗外」。不過，對比之前的一些機械手設計，這一設計也並非是完全標新立異的。
但這一設計的創新點就在於，「手指」無需經過複雜的重新定位過程，就可保證抓住物體之後還能對物體進行旋轉。
據瞭解，論文合著者之一 Shenli Yuan，及其團隊有關機械手V1的論文，受到了機器人領域頂會國際機器人與自動化會議（IEEE International Conference on Robotics and Automation，ICRA）的關注。ICRA 2020設有12個獎項，而Shenli Yuan團隊入圍了4個獎項，最終獲得了最佳學生論文獎和最佳機器人控制論文獎。
可見，基於V1的升級版V2自然也有不小的意義，不過機械手的發展依舊道阻且長，正如Shenli Yuan接受IEEE採訪時所說：「擬人化機械手是個值得研究的方向，但機械手要想真正達到人手的靈巧程度，還有很長的路要走。我們提出這樣一種設計，是想探索如果不受擬人化的限制，機械手可以有什麼獨特的能力，有沒有什麼任務是人手做不到的，而機械手可以完成。此外，就許多任務而言，嘗試和模仿人手不一定是最優解。也許在20～50年後，當機器手發展得更好的時候，它們看起來就不會那麼像人手了。」
本文為雷鋒網授權刊登，原文標題為「手指也能滾動？斯坦福會搖骰子擰瓶蓋的機械手出 V2 了」