七成能力靠手實現?機械人如何「心靈手巧」?

編輯︰紀小廷

  一個機械人要真正走進生活,不僅要聰明的大腦,還得有靈巧的雙手。

  一般人未必意識到機械手(又稱為靈巧手)的重要性,而其精密程度和研發難度也超過想像。

靈巧手有多重要?又為何難造?

  對人體來說,手是最靈活複雜的器官之一,也是使用頻率最高的運動器官之一,盡管重量只佔人體總重量的1/150,卻決定全身逾半數運動功能的發揮。

  對機械人來說,大概70%的作業能力靠手來實現。所以手是機械人走進日常、真正成為人類助手的「最後一厘米」。

人手有13種基本功能,其中抓取操作就能細分為勾拉、側捏、動態操作等8種。而製造靈巧手,就是用精密儀器模擬人類手指骨骼和關節的運動方式。(網上圖片)

  許多動作人手做起來自然而然,但對於靈巧手來說一點都不容易。比如要完成「端起咖啡」這一簡單動作,靈巧手就需要判斷:多大的運動幅度能觸碰到杯柄、但又不至於碰翻?施加多大的力度可以握穩杯身又不會捏碎?

  靈巧手的一系列動作,背後需要四個系統協同配合:一是傳感器系統,相當於皮膚與神經末梢,感知接觸狀態、力度變化與空間位置;二是充當大腦的控制系統,依托算法實時分析數據,發出協調指令;三是相當於肌肉的驅動系統,為動作提供動力;四是猶如筋腱的傳動系統,通過齒輪、連桿或鋼索將動力精準傳遞至指節。

  目前市面上的靈巧手可以做到靈活彎曲、伸展和轉動,足以多角度、全方位抓取物體和實施操作,比如擰開瓶蓋、捏取雞蛋、操控精密零部件等。

  不過若要繼續走進生活,要能「上得了手術台縫針,下得了廢礦井清理危險物」,其操作水準和精細程度就得不斷完善。

透過大規模的任務訓練和數據積累,靈巧手可以不斷完善感知、增強能力。圖為靈巧手穿針引線。(圖片來源:視覺中國)

靈巧手如何更靈巧?

  首先,要把靈巧手做得更小。靈巧手的靈巧,來自於靈活的關節和更多的自由度,但每增加一個自由度,就需在手掌內多嵌入一個對應的驅動器,所以現在市面上的機械人往往有一雙大手。

  目前特斯拉等企業采取的路線是通過模擬人類身體,將驅動系統裝入手臂來縮小手的尺寸;中國企業則多通過優化芯片布局等方式尋找自由度與尺寸之間的平衡。

科技企業透過優化驅動系統、芯片佈局等方法,縮小靈巧手的尺寸。(圖片來源:視覺中國)

  其次,減少遲鈍感也是關鍵。有時機器人反應慢並非控制算法慢,而是電機響應跟不上。

  針對這個問題,靈巧智能團隊就在指尖區域加入電容式傳感器,通過無接觸感知提前識別物體位置,再精準施力完成抓取。相比單靠視覺抓取,這種方法可以減少延遲、降低失誤。

靈巧手如何更便宜?

  除了尺寸和反應速度,靈巧手還面臨一個核心問題:貴而不穩。

  一個高自由度的觸覺靈巧手,工業連續作業下壽命不到3個月,但價格卻要十幾萬元。這是由於靈巧手的零部件非常繁雜精密,光是螺絲就要三四十款,要配齊這些零件需要大量時間,量產難度很高。因此,降低成本、實現量產是必須突破的問題。

  好消息是,國產靈巧手不但在技術上達到行業領先水平,在定價上更是具有優勢。

  「靈心巧手」是目前該領域的頭部企業,它的一款直驅機械手定價5萬元,國外同類型產品要200萬以上。之所以能把價格「打下來」,靠的是背後高效齊全的產業鏈和供應鏈。

強大的供應鏈和產業鏈,推動內地靈巧手產業進入量產競速階段。(圖片來源:視覺中國)

  其負責人形容:在深圳,我們是以小時為單位的,2個小時或者4個小時,你就可以把你的物料買齊。有一些朋友他們在海外創業,他們想備齊這些東西,得兩三個月。也就是因為這樣,我們才能夠做得愈來愈便宜。

  如今,「靈心巧手」是目前全球唯一實現單月產量超4,000隻的企業,佔全球高自由度靈巧手市場80%以上份額,且產品遠銷國外,超過30%的訂單來自海外市場。

「靈心巧手」是目前靈巧手行業的龍頭,是目前全球唯一實現單月產靈巧手超4,000隻的企業。圖為其產品宣傳圖。(網上圖片)

  總整個行業來看,中國靈巧手產業已經邁入「量產競速」的階段。2025年,國產靈巧手出貨量爆發式增長,市場銷量接近2萬隻,2026年有望達到7萬隻,2030年有望突破40萬隻。

  隨着靈巧手的不斷進步,具身智能機械人走入日常也指日可待。

  延伸閱讀:

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