一个由欧盟资助的研究小组已经开发出了世界上首个人手大小、五个手指的机器人手——Dexmart。它可以如人类一般,通过学习掌握和操纵形状奇特和光滑易碎的物体。Dexmart项目获得欧盟第七框架计划630万欧元的科研经费。
“操纵”是机器人领域科研人员一直在努力解决的一个大问题。Dexmart项目协调员、意大利那不勒司第二大学(Second University of Naples)的Bruno Siciliano教授认为,工业机器人在捡起和放下的动作上表现不错,但是“操纵”并不是指简单的抓取。如果机器人要真正改变人类的生活并和人类一起工作,那么他们必须能拥有像人类一样灵活的双手。
Dexmart项目就是要开发一个看起来与人手相似且可以灵活动作的机器人手。目前,他们已研发出了具有五个手指的机器人手,其可以处理鸡蛋,捡起和翻转信用卡或从另一个人手中接过钢笔。在这之前还没有实验室能够制造出大小与人手相当的机器人手。
为了解决手大小的问题,研究人员采用了扭力小且高速运转的电机,能够在一个紧密的空间里产生高拉力,从而使机器人手能够接触、抓取不同的物体并举起他们,然后将其轻轻地放置在新的位置。Dexmart手正是采用了这个新的驱动解决方案,使之既能操纵一枚精巧的复活节彩蛋,也能处理一个沉重的玻璃瓶。
Dexmart手所使用的扭绳由强大的聚合物构成,同时利用放置在前臂(而非关节处)中的小型马达,使原型手能够在一秒钟内将一个五公斤的重物举起30毫米。机器人的每个手指和人类手指一样有三段,可以被各个肌腱精确的控制。
Dexmart手同样具备大脑。Siciliano教授称,机器人尤其是社会伴侣或帮手型机器人的目标之一就是具备自主行为能力,他们必须能以适当的方式响应非预先设定的场景。这种认知能力可以通过机器人的观察学习获得。研究人员利用先进的图像处理技术研究人类手指动作的细节——戴上一个内部嵌入了视觉标记的特殊传感手套来执行各种操作任务,并通过视频捕获这些动作。图像处理算法可以跟踪每个标记上的动作,使用这些数据来创建规则以指导机器人手处理类似对象。
研究小组从生物学中获得启示,对机器人手的协调问题进行了简化。神经科学家已得出结论:人类手指的运动并非是被分开控制的,而是在同一时间以一种协调的方式进行。人手的位置和运动可以简化为三种所谓的“姿势协同效应”(postural synergies),这三种效应可以描述约80%可能的抓取动作和位置。研究人员据此研制出了一种控制系统,可以从手上的光电传感器(可测量抓握力度)获得输入,算出效应量和精确的手指动作。
光电传感器运用在机器人手上是Dexmart的又一创新。目前,项目已经开发出了可测量关节角度、肌腱力量和相互作用触觉的传感器。这些触觉传感器具备先进计算分析方法,通过捕捉一些敏感元素内部的光强度,可以计算出手指施加在物体上的力,判断该物体是否会打滑。
Siciliano教授称,Dexmart手的成功归功于集成了一系列新技术和新概念,包括传感器、执行器、控制器和学习机制。