采用3D打印制造出仿生的類人機(jī)器手指

來(lái)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(dòng)的機(jī)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(lái)的一個(gè)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(wèn)題。這一人造的肌肉在使用時(shí)需要具有驅(qū)動(dòng)功能的手指的肌腱也可以采用打印實(shí)現(xiàn)。同時(shí)采用一個(gè)測(cè)試平臺(tái)來(lái)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(jī)械手（機(jī)器人）的設(shè)計(jì)提供了新思路，可以實(shí)現(xiàn)制造和組裝的自動(dòng)化化。

打印的機(jī)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(lái)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(huì)影響人類原始行為的三個(gè)部分進(jìn)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(jī)器人上，提供外部驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)彈鋼琴的動(dòng)作

電壓氣風(fēng)箱驅(qū)動(dòng)手指彎曲

人類與生俱來(lái)的具有利用自己的手指來(lái)完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的功能，這一復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)功能時(shí)通過(guò)內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu) 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這一運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)韌帶和肌腱來(lái)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(lái)自加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校（ University of California- Santa Cruz，簡(jiǎn)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(jì)和制造了一種類似人類內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)的機(jī)械手指。這一仿生機(jī)械手指，在國(guó)際無(wú)處不在的機(jī)器人與環(huán)境智能大會(huì)（２０２０　International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI)）上進(jìn)行了展示，是采用多材料進(jìn)行打印的。

發(fā)展一種機(jī)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(jī)械人研究中普遍存在的一個(gè)問(wèn)題。此時(shí)的柔性系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)處理重物的功能，同人類的手指相比，剛性平臺(tái)則需要復(fù)雜的制造和控制過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)敏捷的動(dòng)作。

受到人類手指的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)制造了一種機(jī)械手指。然而，研究人員打算打算聚焦他們的能力來(lái)設(shè)計(jì)一種人造手指，而不是來(lái)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(shì)，可以加速原型制造的過(guò)程。

在設(shè)計(jì)階段平衡多材料的３D打印給我們很多的自由度來(lái)設(shè)計(jì)三維的肌腱和韌帶結(jié)構(gòu) ，同時(shí)允許我們?cè)谝淮未蛴�時(shí)就制造出線驅(qū)動(dòng)的機(jī)器手。粘彈性打印材料鑲嵌在機(jī)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(dòng)行為。本質(zhì)上，這一工藝可以促使我們利用機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)編程，在機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)一定的功能。

受到人體手指的啟發(fā)而進(jìn)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(qiáng)３D打印技術(shù)和模擬技術(shù)來(lái)制造復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)和獲得強(qiáng)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(huì)允許他們使得在軟體機(jī)器人中的粘彈性材料無(wú)處不在 ，同傳統(tǒng)機(jī)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(jì)單指機(jī)械人平臺(tái)B典型的制造機(jī)器人平臺(tái)

打印出來(lái)的單個(gè)機(jī)器人手指

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

打印手指時(shí)的條件模型 的演示

打印的手指 演奏三段音樂(lè)樂(lè)句

在不久的將來(lái)，這一團(tuán)隊(duì)就的設(shè)計(jì)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(jī)械結(jié)構(gòu)，如具有人類或動(dòng)物性能的四肢。此外，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展的仿生可以用來(lái)制造機(jī)械人手指，這樣的機(jī)器人手指可以安裝在現(xiàn)有的機(jī)器人上，也可以安裝在新穎的機(jī)器人上。

該研究團(tuán)隊(duì)將將研究工作拓展到整個(gè)手臂和手腕的制造上，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的操控。研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)還計(jì)劃設(shè)計(jì)一種依靠各種制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)易于制造的可以在其他機(jī)械系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)打印的３D打印機(jī)。

打印的手指在彈奏鋼琴的瞬間照片