清华张文增教授丨研究机器人手就是研究人，欠驱动机器人手的设计与进展
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导读
12月15日，机器人大讲堂有幸邀请到张文增教授进行演讲。张文增教授现任清华大学机械工程系成形装备与自动化研究所副教授、博导，担任清华大学机器人技术创新创业辅修专业联合主任。主要研究方向是欠驱动机器人手、机器人视觉伺服、焊接自动化等。共发表了SCI/EI论文140余篇，获发明专利授权180余项。
整理编辑：溪岚
张文增教授此次带来的演讲主题是《欠驱动机器人手》，主要分享了机器人手的定义与意义、机器人手的机构设计原理、国内外研究现状及张文增团队研究进展等，现将演讲内容整理如下：
机器人手的定义与意义
什么是机器人手？像人手的机器是一种，像人手功能的机器也算一种。像人手的机器是指它的外观、形状、颜色、造型、组成与人手相似。像人手的功能就比较广义了，例如抓取、操作、感知与手势表达等。也就是说机器人手是包含了机器人的，并不是机器人的一部分，它可能就是机器人本身。所以研究机器人手其实是在研究机器人，或者说是在研究人。人一定会成为这个世界更高级的主宰，必然要造出像人的和不像人的机器。人手是经过千百万年进化来的，有它的优点在，所以机器模仿人手是必然的一条路。
仿人机器人手上学问很多，其中最重要的一点就是电机力量不够，体积还大。当电机数量多到5个、10个以上的时候就不好控制了，并且算法和控制都还没有提高到一定水平，很难实现人手一样灵巧的操作。因此这个时候就出现了欠驱动机器人手的概念。
欠驱动机器人手在未来和现在一直都会存在，未来是否是主流可能未必，但现在是主流。因为现在机器人迫切的需要有人手的外观，同时又需要具备比较好的抓取性能，能够抓更多的物体，实现更多的手势，同时又能够实现轻松的控制。
机器人手的分类
目前已经造出了很多种机器人手，这些手大部分正在服役的是工业夹持器。工业夹持器手指根部有关节，可以运动，但手指中部没有关节。工业革命以来，它们就开始逐渐进入工厂，可以做到准确夹取专用零件，但是没有还达到人手这么灵巧。
其次是灵巧手。灵巧手一般指具有3个以上手指和9个以上主动关节的手，大约在上个世纪八九十年代是最流行的，现在依然流行，但是灵巧手比较昂贵。
第三个叫做特种手，我们一直都有，比如钢厂里用磁铁，在一般的物流企业里用吸盘，在小物搬运时可以采用静电吸附。特种手除了用吸盘、磁铁和静电等方式以外，可能还要结合他们，或者是他们的衍生种类。
然后是最近的一个重要趋势，软体机器人手。软体机器人手已经超出了手指或关节的范畴，可以更加仿生地实现机器人手的功能。
欠驱动手是驱动器数量少于关节自由度的手，外观上比较拟人，能够实现更好的抓取性能和更多手势。
工业夹持器有一个特点，手指的中部一般没有关节，如果中部有关节，就进入了欠驱动手的概念。最近比较时髦的是做成像人的骨骼型的机器人，这种机器人最大的优势是特别像人的肌肉和骨骼系统。骨骼有3D打印、碳纤维或是钛合金、铝合金等金属材料，那么肌肉怎么办？我们用绳子来模拟，当然也可以用空气肌肉，这样就实现了远程驱动。这种用腱绳来驱动的就叫做绳驱机器人手，或称索驱机器人手。
做一个机器人无外乎就是一种能量的传递、转换和消耗，同时进行控制，再结合传感器把内部和外部的物理量全部转化成电信号，利用控制器来做决策，是不是该抓取，是不是该移动，是不是按照某种轨迹来做电机和电机之间的协调。所以，广义的手包含机器人本体。
什么是灵巧手
70年代末80年代初，Utah大学工程设计中心和MIT人工智能实验室共同开发了UTAH/MIT手，四个手指可以灵活控制，这就是当时较早期的灵巧手。因为有了这个标志性的作品，引得全世界很多人都投入到灵巧手研究中。跟它同时代的还有斯坦福大学的教授Salisbury，跟卡内基梅隆大学的教授Mason写了一本书叫《机器人手与操作力学》（Robot Hands and the Mechanics of Manupulation），书上定义了什么是灵巧手。
灵巧手是具有3个手指、9个以上电机主动驱动关节的手。为什么叫灵巧手？它从理论上可以达到人手的所有动作。但是人手为什么是5个手指？多几个手指是为了更加稳定。所以也有人做机器人手不仅仅是做刚好能够灵巧实现操作的手，很有可能为了稳定多做一点。
哈工大和德国宇航中心合作开发的DLR/HIT系列手很高级，一代手能够做到体积非常小，传感器有90多个。II代手实现了更高的集成度，传感器略少一些，大量减少了手和手臂、机器人总控制器之间的线路，里面仍然比较复杂，每一个手指上都有FPGA控制单元，每一个指段上都有DSP控制模块。应该说做到了灵巧手的顶尖级别
什么是欠驱动手
欠驱动手是在灵巧手逐渐走到顶尖级的时候发现不能直接应用于工业，而工业又迫不及待的需要各种各样的抓取的情况下出现的。
像这只Robonaut手，它既是灵巧手，又是欠驱动手。因为它身上的电机数量已经超过了9个，有12个电机。手指有5个，所以它是灵巧手。为什么又是欠驱动手？原因是每个手指上有几个连杆，这样布置的连杆机构使得根部中部和末端两个关节之间是联动的。当电机驱动的正、反转的时候，2个关节会同时转动，当它的中部转90度的时候，末端的关节也转了90度。
什么叫欠驱动？欠驱动指的是一个电机来驱动两个以上的关节。机器人控制的欠驱动指的是输入量少于输出量。例如用十个手指弹几十个琴键，就叫欠驱动控制，即用少量的输入来控制复杂的输出。这与机器人手机构设计上的欠驱动不是一回事。
四连杆机构是欠驱动的最小单位。看到四连杆机构就应该有几个想法：一，是不是一定要用连杆？不一定。二，是不是四连杆？不一定。三，这里面还有两个诀窍，一个是机械约束，一个是弹簧，他们就像兄弟俩一般要成对出现。机械约束和弹簧使得它在某一个瞬间之前，比如接触物体，手指在转动，这个时候物体还没有接触的时候，整个手指作为一个整体绕着根部的第一关节转动。接触物体之后，第二关节开始转动。我们就把它称为欠驱动。
Robonaut是8字型的四连杆，可以实现耦合联动两个关节的作用。图中的手则是梯形的四连杆。底部横杆和顶部横杆的长度不同，传动比不一样，会有更好的传动效果。需要用作图法或者运动仿真，才能得到优化的连杆长度以及初始构型等参数。这个手是经典的自适应手指机构，它抓取物体的时候，红色箭头代表电机的动力，推动底杆转动，可以达到从下往上按顺序依次转动两个关节，两个指段先后接触物体，包裹物体，能够实现对不同形状、尺寸物体的自动适应。
什么是自适应手
像这只手，它的核心就是四连杆机构的一种变化。它不是四连杆，而是六连杆。下面抓取过程图中，前3张图中末端手指始终保持竖直，直到后面下方的第一指段接触了物体，在第三张图中，中间关节开始转动。之后第二指段又接触物体，这时末端的关节才又进一步转动。这样的过程其实是自适应抓取过程。
前三张图中保持末端指段的功能怎么实现的？原因是这里面有一个细实线。粗实线就是梯形四连杆。细实线代表平行四连杆。平行四连杆机构的最大特点是在变动中保持着对边连杆的相对位置一致，即平行，所以采用这样的方式，末端指段仿佛知道基座在哪里，永远保持相对于基座固定的姿态——平行运动。这款手称为平行夹持与自适应机器人手，简称平夹自适应手。这是由国际机构学专家Gosslin团队设计的，拉瓦尔大学教授。他们团队写了一本书《欠驱动机器人手》（Underactuated Robotic Hands）。
他们创办了一家Robotiq公司，推出了两款平夹自适应手，后一款就是图上的这款。相比前一款，继续保持着平夹自适应抓取的功能，结构更加简化。
其核心仍然是用梯形四连杆和平行四连杆结合起来，前后并联，去掉了平行四连杆的一根杆，产生了这种五连杆手指。它包括基座共五个连杆，中间这根连杆不存在，利用机械限位和弹簧来实现仿佛存在这根连杆一般。该手在转动中仿佛是存在平行四连杆，等近指段碰到了物体以后平行四边形就会遭到破坏。电机的动力推动的是右下底杆，一个电机动力去推它。碰到物体以后，继续推，这个时候弹簧变形，机械约束打开，平行四边形右边的那根线就变长了。所以这个手有两个功能，一个是平夹，末端始终保持平衡，二是包裹。
有了这些基本的想法之后，我们想是不是残疾人也可以用这样的技术呢？残疾人很大的问题是他希望得到人手的外形，同时还要好控制，好控制的意思是最好按个按纽就可以动。像2011年获得美国《大众科学》杂志评为美国年度十佳发明的一款手——斯塔克手（Stark Hand），没有用电机，用的是人力、腱绳、杠杆和弹簧。外形像人手，抓物体的时候具备自适应性。
自适应一定来自于某种柔性件或弹性件，这一款利用的是弹簧。其中每个关节都带有弹簧，就使得抓取变成一种弹簧被动抓取，拉绳子就可以把手打开。用绳子和弹簧有三种可能性，一是用绳子弯曲和伸直。二是用绳子弯曲，用弹簧伸直。三是用弹簧弯曲，用绳子伸直。斯塔克在手掌里面引入了一个杠杆，使得拉一根绳子可以让五根手指都能张开，他申请了发明专利。在这之前，残疾人很难应用电子式的机器人手，因为非常昂贵，斯塔克手则是一个纯机械手，价格低廉。
国内外机器人手研究现状
这一款手我们取名“千爪手”。手上有上百个钩子，每一小片上有三个钩子，每十片为一组，共有十多组。用欠驱动的方式操作，也就是往上一提，结合许多的弹簧，每个钩子靠向岩石并且都往中心聚拢，这样就适合在外太空、风化的岩石上或者喀斯特地形上抓取。比如当我们把机器人送到外星球的时候，它落在不平整的地方，就需要有攀爬能力，这种结构设计就非常适合。
美国康奈尔大学、芝加哥大学和iRobot公司联合起来，仿照哆啦A梦的手做出了一款球状手。这款手的特点是咖啡渣（也可以是其他颗粒材料）放在气球里面，再加一个抽气的装置。把球靠近物体，物体挤压球体使球变形，一抽气，咖啡渣留在其中，相互之间产生颗粒阻塞固化效应，这样就实现抓取了。
残疾人用的手最好用肌肉电信号控制，或者用脑电波来控制，有的需要做手术来连接。有两种方法，一种是侵入式的，一种是非侵入式的。侵入式的需要做手术，把敏感元件直接连接在身体当中的神经末梢上。同样，脑电波目前以非侵入式为主。
通过脑电波控制的机器人手意大利做出来了，也是欠驱动手。这只手就是带有弹簧的耦合手指，因此在抓东西的时候是能适应物体的。手掌里面有不少控制电路，手指里没有电路。这种手中，每个手指有两个关节，外观与人手相当。
上面这一款手是费斯托公司（FESTO）研发的，相比康奈尔大学的球状手，他们没有用颗粒材料在弹性膜皮中，而是用了水。由于球状手不能拿玻璃等平板物体（如智能手机），他们模仿蜥蜴舌头，在弹性膜皮的前端增加了凹陷的吸盘，这样就可以抓取更多种类的物体。
北航模仿䲟鱼的“搭车”功能，开发了一款吸附装置，能够实现抓取和释放。它包括三个部分：一是有一个椭圆形的大吸盘，需要密封得比较好；二是有微小的突起，采用了碳纤维材料；三是要有驱动装置，拨动突起，实现抓或放。微小的突起结构能够被拨动，但是可以成组拨动，所以是欠驱动装置。微小的碳纤维材料有几十个，但是驱动装置可能只需要一个就行。采用气动方式，所以整排的都可以拨动了。
如果只能抓取而不能释放（比如胶水或者焊接）不是机器人手的功能，抓取了还能释放则可以称为机器人手。所以，将来很多东西都会发生机器人手化。我们听说过机器人化，是要实现从传感到执行的一种连接，并且这种连接具备了某种自适应特点，我们就称为机器人化。机器人手化的意思是如果该装置不仅能连接，尽量高强度连接并且可以松开，松开的时候非常彻底，我们就叫机器人手化。
机器人手的研究趋势
2011年开始有人做软体机器人，发表在重要期刊上，2013-2016年开始蓬勃发展，2017年后很多国内高校都开展了这方面的研究了。2016年，MIT计算机科学与人工智能实验室主任Daniela Rus教授做的报告也介绍了这方面的趋势。她说未来的发展趋势之一就有软体机器人，因为我们要模仿生物。大自然的很多东西都是软的，软的就有许多突出的优点。
驱动方式分两种，一种是转动驱动，一种是平动驱动。平动驱动就是伸缩，做伸缩驱动时可以不用电机，因为电机贵、重、体积大且力量小，动力输送起来必须要用复杂的连杆、齿轮，会产生传动间隙。但是软体可以通过流体的方式任意抵达某个地方，所以中间不存在间隙，不过它也有会压缩变形、响应慢等问题。
这是我们看到的另外一种方向。手一个特点是抓取，所以它有自适应性。另外一个特点是操作，操作有两种，一种是手内操作，一种是手外操作。手外操作指的是要有胳膊，甚至还要有宏观的末端执行的和末端传感的装置，靠移动机器人双轮到处跑，比如你抓着苹果到处走的时候不是靠手，而是靠身体和腿。而手内操作就像拧瓶盖、拧灯泡等，许多操作均在手内或双手之间完成。
张文增团队研究进展及作品
我带领的团队做的一些研究进展，向大家介绍一下。
这款是HAG手，它的特点是手掌是空的，电机只放在手指中部。用一个电机可以管三个关节，实现了耦合自适应抓取功能。刚开始抓物体的时候三个关节同时转动，所以拟人化效果非常好。抓物体的时候还具备适应物体形状的能力。
遥操作最重要的有三点：一是整个系统的成本能不能做的很低；二是精度控制有没有延时；三是整个系统好不好维护。遥操作就是人机混合，将来技术更进一步提升后可以成为共融机器人的一部分。
机器人手上有欠驱动的思想，分三种。一种是耦合，一种是平夹，还有一种是自适应。自适应是指的关节从根部到末端依次转动，就可以实现不同形状物体的包裹。耦合机构的特点是多个环节同时转动，碰到物体的时候不再转动。碰到物体时后续关节还可以再转，我们就称为耦合自适应。
这款管道机器人，利用的就是耦合机构来实现身体的蜷缩和张开，能适应不同的管道。为什么也是机器人手呢？因为它能适应管道的抓取和释放。所以机器人手和机器人很多时候概念是一致的。
最后给大家看一款我们设计的欠驱动手在工业上的应用——顶部抓管的自动落纱机。目前还有大量工厂用工人拔管子，因为低端的双圆盘落纱机会把纱线碰伤，长期使用会把锭杆撞变形。一般高端的工厂会用高级的集体落纱机，但这种机器与细纱机集成在一起非常昂贵，维护也是大问题，所以我们做了降低成本的这一款自动落纱机。这台机器从顶部拔纱管的机器。机器的移动与拔管等核心功能只用一个电机，电机让机器往前走，并把缠绕满线的纱管拔下来，后面再利用重力自动插上空管。目前机器已经在工厂试用，效果很好。
我今天讲的一些内容希望对大家有所启发和帮助，谢谢大家！