在最近舉辦的機(jī)器人和環(huán)境智能國際會(huì)議（URAI）上，加利福尼亞大學(xué)圣克魯 斯分校和日本立命館大學(xué)的研究人員展示了一種受人體骨骼結(jié)構(gòu)啟發(fā)的仿生機(jī)器人手指，包括韌帶結(jié)構(gòu)、人造肌肉、粘彈性腱和剛性骨骼，完美的復(fù)制了人手的關(guān)節(jié)骨骼結(jié)構(gòu)，‘軟’‘硬’齊全。還利用了最先進(jìn)的多材料3D打印技術(shù)，可一次性將仿生機(jī)器人手指打印出來。

圖1. 受人體骨骼結(jié)構(gòu)啟發(fā)的仿生機(jī)器人手指

多材料3D打印

圖中的驅(qū)動(dòng)方式是不是看著很熟悉，其實(shí)所謂的粘彈性腱就是機(jī)器人設(shè)計(jì)中常用的肌腱驅(qū)動(dòng)。但常規(guī)的肌腱驅(qū)動(dòng)少不了復(fù)雜的制造和組裝。

圖2. 復(fù)雜的機(jī)器人肌腱驅(qū)動(dòng)方式

如何避免這種復(fù)雜的制造和組裝過程呢？研究人員想到了先進(jìn)的多材料3D打印方法。我們平時(shí)常見的擠出式3D打印機(jī)都是只有一個(gè)噴頭，只能同時(shí)打印一種材料。而多材polyjet 3D打印機(jī)可以創(chuàng)建具有不同剛度的材料的混合結(jié)構(gòu)。利用這種方法可以將仿生機(jī)器人手指的肌腱，骨骼和關(guān)節(jié)等一次性打印出來，簡化并加速整個(gè)原型生產(chǎn)過程。

圖3. 多材料3D打印方法

具體來說，研究人員使用了兩種肖氏硬度不同的3D打印材料：Vero Pure White（VPW）和Tango Black Plus（TBP）。VPW是一種較硬的類似塑料的材料，可用來打印骨骼；TBP是一種柔軟的橡膠狀材料，可用來打印關(guān)節(jié)軟骨。肌腱，韌帶等組件的打印可以通過組合這兩種材料以獲得不同的肖氏硬度。

 仿生機(jī)器人手指的設(shè)計(jì)

仿生機(jī)器人手指的設(shè)計(jì)具有生物啟發(fā)性的解剖特征，包括：近端指骨，中端指骨和遠(yuǎn)端指骨，不同大小的環(huán)形滑輪A2-A5，掌側(cè)板，主韌帶和副韌帶，關(guān)節(jié)軟骨，指淺屈?。‵DS）肌腱，指趾屈肌足底（FDP）肌腱和普通伸?。–E）肌腱。

圖4.具有生物啟發(fā)性的解剖特征的仿生機(jī)器人手指的設(shè)計(jì)

圖中的每一個(gè)組件都對仿生機(jī)器人手指起著重要作用。手指的掌側(cè)的環(huán)形滑輪相當(dāng)于人手指的肌腱鞘。掌側(cè)板連接骨頭的掌側(cè)，并防止關(guān)節(jié)過度伸展。近端和遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)的每一側(cè)都存在主韌帶和副韌帶，它們是關(guān)節(jié)側(cè)向運(yùn)動(dòng)最重要的穩(wěn)定器。關(guān)節(jié)軟骨可以防止關(guān)節(jié)處指骨的磨損。

3D打印制造方法需要詳細(xì)的CAD模型，仿生特征可以在CAD軟件中復(fù)雜地建模為裝配體，分配獨(dú)特的材料，并制成單個(gè)零件。該CAD模型完全模仿了人手的生物機(jī)械結(jié)構(gòu)。

圖5.人體骨骼結(jié)構(gòu)開發(fā)的機(jī)器人手指CAD模型

仿生機(jī)器人手指的靜止?fàn)顟B(tài)略微彎曲，類似于人的手指。

圖6.靜止?fàn)顟B(tài)的仿生機(jī)器人手指

肌肉為手指活動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力，研究人員利用這一特點(diǎn)，將仿生機(jī)器人手指的肌肉設(shè)計(jì)為氣動(dòng)波紋管，可隨著內(nèi)部壓力的變化而上下伸縮。氣動(dòng)波紋管可以直接附著在人造肌腱上進(jìn)行3D打印，一端連接到它驅(qū)動(dòng)的肌腱上，而另一端則與氣壓系統(tǒng)對接，從而自動(dòng)化肌腱的拉動(dòng)和釋放。單個(gè)氣動(dòng)波紋管可用于驅(qū)動(dòng)多條肌腱，這也模仿了人類的手指中共享的指腹肌肉。

圖7.氣動(dòng)波紋管人造肌肉驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指

研究人員還使用了一種稱為MuJoCo的流行物理仿真引擎開發(fā)了仿生機(jī)器人手指模型，這樣一來，就可以將機(jī)器人手指在模擬中所獲得的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中手指的印刷原型所獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)并開發(fā)控制方案。

圖8.仿生機(jī)器人手指的仿真與實(shí)驗(yàn)原型

圖9.MuJoCo模擬（上）和物理原型測試（下）。拉開兩個(gè)屈肌腱，同時(shí)伸展普通伸肌腱。

總結(jié)與展望

這項(xiàng)工作突出了將3D打印和模擬技術(shù)相結(jié)合，以創(chuàng)建復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)的巨大潛力。研究人員使用的方法能夠?qū)④洐C(jī)器人技術(shù)中普遍使用的粘彈性材料與更傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，從而使人類骨骼內(nèi)結(jié)構(gòu)的復(fù)制更為緊密。

這項(xiàng)工作的研究人員之一Maryam Tebyani表示“我們目前正在努力將該設(shè)計(jì)擴(kuò)展到整個(gè)手和手腕，以實(shí)現(xiàn)對象操縱?！薄拔覀冞€計(jì)劃開發(fā)依賴于所提出的制造方法的變型的設(shè)計(jì)，以便可以使用其他機(jī)器人專家更容易使用的3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)?！?/span>

將來，這組研究人員使用的設(shè)計(jì)和制造過程可以應(yīng)用于創(chuàng)建其他一些受生物啟發(fā)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，例如其他受人或動(dòng)物啟發(fā)的肢體。此外，他們開發(fā)的仿生手指可用于開發(fā)機(jī)械手，然后將其連接到現(xiàn)有的和新機(jī)器人上。