盖世汽车讯 想想人类膝盖的奇妙物理结构。作为人体最大的铰链关节，它由两块圆形的骨头组成，通过韧带连接，不仅像门一样摆动，还能相互滚动和滑动，使膝盖能够弯曲、伸展和保持平衡。

据外媒报道，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的研究人员设计了一种新的机器人膝关节设计方法，称为滚动接触关节。这种方法有望带来更优秀的机器人抓取器、更适合人类的辅助设备，以及像动物一样优雅移动的机器人。

图片来源：哈佛大学

这项发表在《美国国家科学院院刊》上的新设计方法优化了滚动关节在计算机上的设计方式。它通过同时调整关节每个关键部件的形状，使其与所需的力或应用相匹配，例如机器人抓取器的末端或类人机器人的肢体。

“每当你设计一个机器人，并且知道它需要做什么——比如一个步行机器人——你就可以开始思考如何最有效地输出力，”SEAS博士生、该研究的第一作者Colter Decker说道。“例如，对于步行机器人来说，你可能需要在步幅末段施加更大的力来蹬地。如果我们能将这些决策融入到机器人自身的机械结构中，就能制造出更高效的机器人。由于能量被精准地分配到所需位置，它们可以使用更小的执行器。”

“我们努力将机器人设计与任务和控制紧密结合起来，”该论文的资深作者、SEAS哈里·刘易斯和玛琳·麦格拉斯教授Robert J. Wood说道。“我们的目标是将尽可能多的运动控制工作交给机器人的机械结构和材料，以便控制系统能够专注于任务层面的目标。科尔特的方法正是如此，而且无论从数学上还是机械上来说，都以一种非常优雅的方式实现了这一点。”

灵感源自抓取器项目

Wood实验室的另一个项目启发了他们开发更优关节设计方案的想法：如何制造一种既能轻柔包裹物体又能施加强大力量的软体机器人抓取器。

为了找到将刚性连接与柔软灵活的关节相结合的方法——就像人手的骨骼和软骨一样——他们开始深入研究滚动接触关节。滚动接触关节是由一对相互滚动的曲面组成，并通过柔性连接器连接在一起。

在机器人领域，关节的运动方式通常由软件和控制算法决定。而在这种新方法中，这些选择将直接影响每个关节的几何设计。

Decker继续说道，虽然轴承和四杆机构在现有机器人中被更广泛地用作关节，但滚动接触关节具有独特的优势，例如灵活性、低摩擦和高耐磨性，使其成为特定应用中的理想选择。

原型膝关节和抓取器

为了展示他们的新设计方法，研究团队制造了两个原型：一个类似膝关节的装置和一个双指机器人抓取器。

膝关节辅助装置和外骨骼通常使用放置在膝关节附近的简单轴承，但这可能会导致疼痛的错位，因为真实的膝关节不仅会铰链运动，还会移动、滚动和滑动。研究人员绘制了人体膝关节的平均运动轨迹，并利用他们的新方法制造了一种优化的滚动接触关节，该关节能够紧密地模拟真实的膝关节运动。他们将定制设计的关节与标准关节进行了比较。

该优化关节表现出色，与标准装置相比，错位矫正率高达99%。这些结果预示着未来膝关节支具、外骨骼甚至关节置换等设备都可以根据个人的精确关节运动进行定制。

研究人员利用原型机器人抓取器优化了关节，使手指能够根据物体尺寸提供最大抓取力。在相同的执行器输入下，他们的抓取器能够抓取的重量是使用标准圆形关节和滑轮的同类抓取器的三倍以上。

视频展示了一个采用优化滚动接触关节的双指机器人抓取器抓取一个箱子；逐渐增加重量直至抓取失败。而采用圆形滚动接触关节的同类抓取器则无法抓取该箱子的重量。（图片来源：哈佛大学工程与应用科学学院木材实验室）

传统的滚动接触关节由圆形表面构成，而哈佛团队的新数学方法允许使用非圆形和不规则形状，并能沿着非常规路径运动。

“我们做了大量的数学计算，目的是找出能够满足以下条件的表面和滑轮：如果关节需要沿着特定的轨迹运动，并且沿该轨迹具有特定的力传递比，那么我们能否找到能够展现这些特性的表面和滑轮？”Decker说道。“然后，我们可以应用这种设计方法来优化关节，使其适用于行走、跳跃或抓取等任务。”

德克尔表示，能够针对不同的应用场景优化类人关节，开辟了许多探索途径，从特定任务机器人到辅助机器人，再到动物生物力学研究。