Science Robotics | 仿生手一次抓多个物体，且像人手一样灵活存储、放置

韩国首尔国立大学的研究人员开发出了一种 新型多物体抓取机器人手MOGrip 。这款抓手 不仅可以同时抓取多个物体，还能像人手一样将物体灵活地在手指和手掌之间传递 ，实现高效的物品拾取与放置。

相关研究成果发表在近期的 Science Robotics 期刊上。研究团队受人手启发，利用手指的平移运动，开发出这款集手指精确放置与手掌存储功能于一体的创新抓手。

传统的多物体抓取机器人虽然也能同时抓取多个物体，但往往难以对每个物体进行精确放置。而这款新型抓手通过模仿人手将物体从手指传递到手掌储存的动作，不仅能一次移动多个物体， 还能在需要时准确地将它们一个个取出并放置到期望位置。

▍ 抓手结构巧妙设计 融合人手灵活与机械高效

这款多物体抓手 主要 由4根手指和一个传送带式手掌组成 。每根手指都安装在滑块上,通过两根肌腱驱动 - 一根用于抓取动作，另一根用于平移运动。

整个抓手系统仅需3个电机就能完成抓取、平移、储存和取回等全部动作。 其中一个电机通过移动滑轮系统实现4根手指的欠驱动抓取，使其能够自适应地抓取物体；另一个电机则通过同一滑轮驱动4根手指的平移运动，确保手指移动距离相等；第三个电机负责驱动传送带手掌的转动。

这种设计不仅简化了人手复杂的动作，还能比人手存储更多物体。 研究人员 通过大量实验验证了该设计在多物体操作中的可行性和稳定性。

▍ 解耦连杆巧思妙用 让抓取和平移动作不再冲突

在抓手的设计中， 最大的技术挑战之一是如何让手指既能稳定抓取又能平滑平移。 研究团队发现，如果简单地将手指通过转动关节连接到滑块上，拉动抓取肌腱时不仅会使手指旋转，还会导致意外的平移；同样，拉动平移肌腱时也会使抓取肌腱松弛,导致抓取失败。

为解决这个问题，研究人员提出了 一种创新的解耦连杆设计。 当手指被拉向手掌时，抓取肌腱在滑轮2处释放，同时在滑轮1和3处进一步缠绕。 通过精心设计滑轮半径和解耦连杆长度，可以使缠绕和释放的肌腱长度相等，从而在手指平移过程中保持抓取角度不变。

研究团队还 通过建模和实验验证了这一设计。 他们定义了两个无量纲变量γ和δ来描述滑轮半径和连杆长度的变化对手指运动的影响。 实验结果表明，当γ=0且δ=1时，拉动平移肌腱只会影响平移距离，拉动抓取肌腱只会改变抓取角度，实现了两个动作的完全解耦。

▍ 多毛传送带手掌 让存储更稳定高效

传统的扁平弹性传送带在存储多个物体时往往会出现问题 ：对于小物体来说接触面积不 足导致存储不稳定，有时甚至会出现存储失 败的情况。

研究团队的解决方案是 在传送带表面嵌入弹性毛发。 当物体被插入毛发之间时，毛发变形产生的恢复力能将物体固定住。 这种被动存储机制只需要传送带的旋转就能完成物体的传输和存储。 更重要的是，由于毛发能确保与每个物体都有足够的接触面积，且变形的毛发不会影响其他物体的存储，因此可以同时存储不同尺寸的物体。

研究人员还系统研究了手掌设计参数对存储能力的影响。 他们发现，存储力与毛发半径和物体尺寸都有关。 随着物体尺寸增大，存储力及其增量都会逐渐增加，这是因为更大的物体会引起更多毛发变形，且接触的毛发数量也更多。

此外，当同时存储多个物体时，已存储物体不会降低存储力，反而会略微增加。 这是因为额外物体会推动两个物体之间的毛发，这些被压缩的毛发会对之前存储的物体施加额外的力。

这种创新的存储机制 让抓手能够稳定地存储各种尺寸的物体， 为多物体操作提供了可靠的技术支撑。

▍ 多物体抓取显神威 大幅提升物流效率

研究团队在实验室环境下进行了模拟物流场景测试， 对比了单物体抓取和多物体抓取的效率差异。 结果令人振奋： 在需要将4个物体分别放入两个盒子的任务中，使用多物体抓取模式时，机械臂末端的移动距离从29.5米缩短至8.5米，减少了71%；整个操作时间从89秒缩短到59秒，节省了34%。

理论分析表明， 当抓手的平移和存储过程时间短于机械臂移动时间时，可以实现最高效的多物体抓取。 通过对演示视频的分析，研究人员计算出理论最短操作时间约为55秒，比实际演示时间仅多6.8%。 这说明目前开发的多物体抓手的平移和存储过程已经足够快速。

值得一提的是， 这种多物体抓取方式在某些场景下优势更为明显 ： 当物体之间距离较近、而拾取和放置位置相距较远时，其节省的时间和距离会更加可观。 因此，该抓手特别适合物流仓储等场景，以及需要在相距较远的取放点之间移动的家庭服务机器人应用。

▍ 灵活应对多样场景 展现强大适应性

为了验证抓手在实际场景中的表现， 研究团队还进行了办公桌整理演示。 抓手依次抓取了 一个小型乳液瓶和旅行牙刷，通过手指到手掌的平移将它们存储起来，然后又抓起一个剃须刀，同时搬运三个物体。 随后,它将剃须刀放入杯中，取出存储的物体将牙刷挂在墙上，最后把乳液瓶放到架子上。

更令人印象深刻的是，在后续测试中，这款抓手 成功完成了23种不同物体的抓取、存储、取回和放置任务。 从最重的195克NI myRio设备，到最轻的0.15克巧克力包装袋，都能稳定操作，充分展现了其适应不同物体的能力。

▍ 未来发展与应用前景

尽管取得了显著进展， 研究团队认为该系统还有进一步改进空间。 例如，添加弯曲传感器或触觉传感器可以更准确地检测物体位置和姿态；增加手指的自由度则有助于在抓取过程中调整物体方向。

此外，如果能让每个手指的平移由独立电机控制，或者采用可以在夹持和包络之间被动切换的手指设计，抓手将能够处理更大尺寸的物体，进一步扩展应用范围。

研究人员表示，这种多物体抓取技术特别适合非结构化环境和需要精确放置的任务。 因此，除了物流和家庭服务领域，它在工业场景下的装配、分拣等应用也很有前景。

这项研究不仅为机器人抓取领域带来了新思路，也为提高自动化系统的效率提供了实用解决方案。 相信随着技术的进一步完善，这种融合了人手灵活性和机械高效性的多物体抓手，将在更多领域发挥重要作用。