采用3D打印制造出仿生的類人機器手指

來源： 江蘇激光聯(lián)盟

在這里，我們?yōu)榇蠹艺宫F(xiàn)了一種采用新穎的手段制造線驅(qū)動的機器人系統(tǒng)。尤其是，展示了精確仿造骨骼形狀、韌帶結(jié)構(gòu) 、粘彈性肌腱的仿生手指。這一手指是采用多材料3D打印的辦法制作出來的一個單一部分。這一制造辦法排除了早先的工程制造中剛性骨架結(jié)構(gòu)以及彈性肌腱系統(tǒng) 中的界面問題。這一人造的肌肉在使用時需要具有驅(qū)動功能的手指的肌腱也可以采用打印實現(xiàn)。同時采用一個測試平臺來比較模擬和打印的原型之間的結(jié)果。這一基礎(chǔ)性的工作為新型的機械手（機器人）的設(shè)計提供了新思路，可以實現(xiàn)制造和組裝的自動化化。

打印的機械手指及其打印的手指正在彈鋼琴

圖解：這一手指打印出來的尺度同真人一樣大�。海ǎ粒�擬人模型的手指顯示手指分三組韌帶，會影響人類原始行為的三個部分進行了研究；（Ｂ）３D打印的手指具有條件剛度系統(tǒng) ，安裝在UR５機器人上，提供外部驅(qū)動，從而實現(xiàn)彈鋼琴的動作

電壓氣風(fēng)箱驅(qū)動手指彎曲

人類與生俱來的具有利用自己的手指來完成復(fù)雜運動的功能，這一復(fù)雜的運動功能時通過內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu) 來實現(xiàn)的。這一運動可以通過韌帶和肌腱來完成，而韌帶和肌腱則彈性連接 在完全剛性的骨頭結(jié)構(gòu)上。

來自加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校（ University of California- Santa Cruz，簡寫為UCSC ）和日本立命館大學(xué)（Ritsumeikan University ）的研究人員受到人類手指的內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，在最近設(shè)計和制造了一種類似人類內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)的機械手指。這一仿生機械手指，在國際無處不在的機器人與環(huán)境智能大會（２０２０　International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI)）上進行了展示，是采用多材料進行打印的。

發(fā)展一種機械手指，使其具有硬的和軟的組件，同人類的手指一樣，就是研究人員打算探究發(fā)展的研究課題。整合彈性和非彈性材料是機械人研究中普遍存在的一個問題。此時的柔性系統(tǒng)可以實現(xiàn)處理重物的功能，同人類的手指相比，剛性平臺則需要復(fù)雜的制造和控制過程來實現(xiàn)敏捷的動作。

受到人類手指的啟發(fā)，研究團隊制造了一種機械手指。然而，研究人員打算打算聚焦他們的能力來設(shè)計一種人造手指，而不是來制造和組裝手指。他們決定發(fā)揮出當(dāng)前３D打印技術(shù)的優(yōu)勢，可以加速原型制造的過程。

在設(shè)計階段平衡多材料的３D打印給我們很多的自由度來設(shè)計三維的肌腱和韌帶結(jié)構(gòu) ，同時允許我們在一次打印時就制造出線驅(qū)動的機器手。粘彈性打印材料鑲嵌在機械韌性材料中正是我們目前要尋找的材料。采用這些材料制造的產(chǎn)品真的具有非常有趣的被動行為。本質(zhì)上，這一工藝可以促使我們利用機械設(shè)計來編程，在機器人上實現(xiàn)一定的功能。

受到人體手指的啟發(fā)而進行的仿生CAD模型

研究人員獲得的研究結(jié)果很有希望，增強３D打印技術(shù)和模擬技術(shù)來制造復(fù)雜的機器人系統(tǒng)和獲得強有力的控制這些系統(tǒng)的巨大潛力。他們所采用的方法最終會允許他們使得在軟體機器人中的粘彈性材料無處不在 ，同傳統(tǒng)機器人系統(tǒng)的合并更加廣泛。從而導(dǎo)致復(fù)制出的結(jié)構(gòu)同人類的內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)更加接近。

Ａ提出的采用多材料設(shè)計單指機械人平臺B典型的制造機器人平臺

打印出來的單個機器人手指

研究人員提出的這種設(shè)計辦法可以依據(jù)機器人的每一部位的具體形狀和每一元素的具體性質(zhì)進行設(shè)計，從而同人類相接近，并通過自主組裝來實現(xiàn)。當(dāng)前的假體制作和遙控機器人在同人類的交互作用這塊取得了巨大的進步。我們正在竭力通過設(shè)計平臺來加速這一進程，使人類所具有的自然延伸和可定制模型 能夠通過這一技術(shù)能夠整合在一起。

打印手指時的條件模型 的演示

打印的手指 演奏三段音樂樂句

在不久的將來，這一團隊就的設(shè)計和制造理念可以應(yīng)用到創(chuàng)造幾種不同的受到自然界啟發(fā)的機械結(jié)構(gòu)，如具有人類或動物性能的四肢。此外，研究團隊發(fā)展的仿生可以用來制造機械人手指，這樣的機器人手指可以安裝在現(xiàn)有的機器人上，也可以安裝在新穎的機器人上。

該研究團隊將將研究工作拓展到整個手臂和手腕的制造上，從而實現(xiàn)目標的操控。研究團隊同時還計劃設(shè)計一種依靠各種制造技術(shù)來實現(xiàn)易于制造的可以在其他機械系統(tǒng)中實現(xiàn)打印的３D打印機。

打印的手指在彈奏鋼琴的瞬間照片