穿衣、吃饭、拧钥匙开门……这双机械手的灵活度堪比人手

许多人小时候可能都玩过弹玻璃球的游戏。

玩过的都知道，这个游戏对方向、角度、力度等各方面的精准度要求都非常高，正因为充满挑战，才让人乐此不疲。

可如果把游戏里的玻璃珠换成乒乓球，将其弹到远处的玻璃杯里，挑战难度就更大了。

近日，湖南卫视《巧手神探》第10期节目中，多家国内机器人领域优秀企业的机器人产品与节目嘉宾上演了人机大战，其中一项对抗就是机器人灵巧手与嘉宾比赛弹乒乓球。

当天的赛场设在了50米高的蹦极台上，现场除了台面晃动外，还不时有气流干扰，难度系数再次升级。但即使在这样的条件下，机器人灵巧手依然做到了100%的命中率，让现场嘉宾大呼：“太欺负人了……”

研发这款灵巧手的北京因时机器人科技有限公司正是来自中关村示范区的企业。日前，小编采访到了因时机器人CEO蔡颖鹏，为我们一一揭开这双机器人灵巧手背后的黑科技。

灵活度堪比人手的机械手

人完成各种任务的一个重要终端是一双手，机器人想要执行任务，也需要类似人类双手的机械手，我们称之为“灵巧手”。

在日常生活中，我们用手拿东西是一件非常简单的事情，如果交给灵巧手来做，就需要将这个动作逐一分解，然后你会发现它其实是一件非常复杂的事情。比如鸡蛋和豆腐，都是易碎物品，让机器人灵巧手拿这样的东西，抓持力小了容易打滑，抓持力太大又容易捏坏，对力度的控制要求非常精准。

在抓取物品过程中，如果已知物体的类型和尺寸，灵巧手可以根据经验设置抓取的姿态以及每个手指的力度，在抓取物体的时候，实时检测力传感器的数值，当数值到达设定值时，停止动作。

如果是抓取未知物体，那么需要放慢速度，灵巧手手指闭合过程中实时检测力传感数值，通过比较弯曲角度的变化率和力的变化率之间的关系，来判断手指是否握紧。比如手指弯曲角度变化比较大，而力没有什么变化，说明还没有接触到物体；手指弯曲角度变化一点，力度就增大很多，则说明已经和物体表面紧密接触。

“在实际操作中，对于柔软易碎物品的抓取，灵巧手手指闭合的速度需要稍微慢一些，1秒以内可以完成抓取；对于刚性的物体，抓取速度可以快很多，通常半秒就可以抓紧，几乎接近人抓取的速度。”蔡颖鹏介绍说。

除了拿东西，我们也看到，因时灵巧手还可以完成拿钥匙开门等很多复杂的任务。蔡颖鹏表示，开门最难的地方在于能够用两个手指捏紧钥匙，在插入钥匙和旋转钥匙的时候，不打滑。这涉及两个问题：一是能够做出拇指侧捏的动作，并且接触面要大，这对灵巧手大拇指的结构设计和自由度分布有一定的要求；二是手指的捏合力以及表面摩擦力要足够大。

如果拧开钥匙后，还需要转动门把手，这又是另一项挑战。对于杆式的门把手比较容易实现；如果是球形锁，特别是不锈钢材质的，对于机械手的抓握力和表面摩擦力要求就很高了。

“目前，这些动作因时灵巧手都可以完成。”蔡颖鹏说。

因时灵巧手中的黑科技

我们用手做很多事情之所以觉得简单，是因为它调动了我们的视觉、触觉等多项感觉系统共同完成，但对于一只机器人灵巧手来说却需要经过非常复杂的计算，然后才能准确执行。

蔡颖鹏介绍，灵巧手内部采用了因时机器人耗时两年自主研发的微型直线伺服驱动器作为核心驱动单元，它是一种微小型一体化直线伺服系统，内部集成了微型电机、精密行星减速器、丝杆机构、传感器和驱动控制系统，体积不到成人手指大小，可以输出70N以上的推拉力。

灵巧手内部结构和微型直线伺服驱动器

微型直线伺服驱动器特点在于体积小（壳体总长度约为60mm，重量约为20g）、精度高（重复定位的精度达到±0.02mm）以及功率密度大（最大推力达到70N以上）（注：“N”为牛顿，一种衡量力的大小的国际单位）。

用户在使用过程中比较关心一个问题，即手指是否带力传感器以及是否具有力控功能。

举个简单的例子，当抓取轻的东西可以用相对较轻的力，抓取重的东西可以调用大的力。关于力传感器的布置，如果将传感器贴在指尖表面则成本比较高，且未必能全部检测到；因时在这方面采取了比较讨巧的方法，通过在直线驱动器末端增加力传感器，不论手指在什么位置承受到力的作用，都会通过连杆机构传递回来。

“在制造微型直线伺服驱动器的过程中，也遇到了很多困难。”蔡颖鹏介绍，一个是减速器设计完成后如何加工的问题。由于微型直线伺服驱动器整体尺寸很小，行星减速器的外径不超过9mm，齿轮模数更是小于0.2。团队花了差不多一年半的时间，经过不计其数的开发和试制，终于解决了齿轮材料、批量制造工艺、装配工艺、质检方法等一系列技术难题。比如齿轮尺寸太小，无法用仪表进行直接测量，研发团队开发了一套视觉检测系统，采用显微镜对齿轮进行拍照，然后通过图像处理的方法对齿轮的直径、同心度、齿形等一系列特征进行检测。

一双造福中国的灵巧手

机器人如何更好地服务于人类的日常生活，是业界多年来一直在不断研究的问题，其中灵巧手作为机器人最重要的核心器件之一，它的“高成本、难量产”一直制约着国内服务类机器人的发展。

过去，当国内服务类机器人企业想为自己的机器人装上手时，发现小小一只手掌价格动不动就是超10万元/台以上，这让很多机器人企业望而却步，国内灵巧手产品多是依靠进口。

为此，2019年国家重点研发计划智能机器人专门设立了《面向服务和工业领域的实用多指灵巧手研制》项目，支持低成本实用化灵巧手的研发和落地应用。

因时机器人作为核心成员参与了该项目，成为了国产商业级灵巧手的开拓者，并成功研制出国内首款商业级五指灵巧手，让灵巧手的成本大幅下降，为商业化带来可能。

除了用在机器人上，灵巧手也可以作为假肢服务于残疾人。

传统假肢的灵活度很低，仅能完成简单的闭合或者张开动作，手指动作不能单独控制，更谈不上力度的控制。

“因时灵巧手作为假肢，自由度比较高，能完成几十种的手势动作，日常生活中的很多事情都可以完成，比如吃饭、喝水、穿衣服、开门，使用手机、鼠标等等。”蔡颖鹏介绍，因时灵巧手在很大程度上增强了残疾人的生活自理能力，丰富了他们精神生活，增强了他们自信心。

此外，因时灵巧手还可以抓取不同尺寸、不同形状、不同软硬程度、不同重量的物品，甚至可以使用一些工具进行操作。正是继续这些优势，未来因时灵巧手将会应用到无人奶茶店、无人咖啡店、无人甜品站、小型无人超市等无人零售行业，还可以应用于自动化配餐（熟食或者半成品）等餐饮行业。

在远程遥操方面，因时灵巧手可以应用到变电站、核电站或其它不适合人长期工作的场景中，比如巡检机器人、排爆机器人，或者航天领域的空间站机器人，等等。

如今，尽管中国有很多出色的机器人制造商，但在制作机器人的核心零部件方面，中国依然严重依赖进口。如何逆转核心零部件依赖进口的局面，加快机器人应用落地，是当前许多国内机器人企业迫切需要解决的难题。

如果说其他机器人企业要做的是台前华丽耀眼的“大明星”，那因时机器人则更像是一个默默耕耘的“幕后工匠”，努力拉升中国机器人行业在核心零部件方面的短板。

出品丨创新创业中关村

文字 | 周鹏云

编辑丨周鹏云

编校丨张涛

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