機器人手指像真手一樣順滑回彈，扭繩驅動器“三合一”破局

你看過用一根繩子驅動的機器人手指嗎？

簡單來說，就是通過扭動一根繩子讓它縮短，從而拉動手指彎曲。這種被稱為扭轉弦驅動器（TSA）因其高減速比、結構緊湊，被看作取代傳統齒輪的理想方案。

但當科學家們試圖將TSA裝進機器人手時，卻遭遇了遲滯、行程短、只能單向彎曲三大致命障礙?，F在，來自韓國西江大學和印度理工學院焦特布爾分校的聯合研究團隊，用一個精巧設計同時攻克了這三個難題。

他們發表在《IEEE Robotics and Automation Letters》上的最新研究成果展示了一種新型雙向TSA模塊，成功應用于連續體手指，實現了±180°的寬范圍精確雙向彎曲控制，遲滯大幅降低，行程顯著擴展。

▍老毛病：遲滯、行程短、只能彎

把一根繩子穿過彎曲的手指通道，然后扭轉它。這個聽起來簡單，實際操作卻問題重重。

當繩子與通道壁接觸時，摩擦會讓扭轉無法均勻傳播。最靠近電機的部分先解開，形成反向扭轉區，導致即使電機回到零位，手指也無法完全伸直，這就是遲滯。

更糟的是，下一次再彎曲時，這些反向區會先解開，導致手指在真正開始彎曲前會先輕微伸展，研究人員稱之為“回彈效應”。

如果說遲滯是精度殺手，那么行程限制則是空間殺手。在無接觸的理想情況下，TSA也只能收縮約30-50%的初始長度。

過度扭轉會導致收縮行為異常，旋轉-線性關系高度非線性，使TSA的緊湊優勢蕩然無存。

還有方向性問題。傳統TSA是單向閥，只能拉，不能推。想要雙向運動？要么加裝笨重的彈簧，要么設計復雜的可變半徑滑輪系統，這與TSA追求的簡潔緊湊背道而馳。

TSA的缺點：(a) 扭轉遲滯現象。(b) 有限的行程范圍。(c) 單向運動

基于TSA的機器人手指中的遲滯與回彈

▍逆向思維：讓麻煩變成解藥

研究團隊從觀察中得到了關鍵洞見：提高繩子張力可以有效抑制遲滯。

但這還不夠。他們通過數學模型分析發現，遲滯面積與扭轉和反扭轉過程中的張力差異直接相關。如果能引入一個額外的拮抗張力，使其恰好抵消這一差異，遲滯就能被消除。

于是，逆向思維誕生了。為什么不把對側TSA的收縮力，作為我們需要的拮抗張力呢？

團隊設計了雙TSA拮抗系統。他們將兩個相同的TSA以齒輪耦合，由一個電機驅動。初始狀態下，兩對TSA均施加了相同程度的預扭轉。當電機轉動時，一側TSA進一步扭轉收縮，另一側則反扭轉伸展，形成天然拮抗。

神奇的是，反扭轉側提供的拮抗張力，恰好能抑制主動扭轉側的遲滯。更重要的是，這種結構自然實現了真正的雙向彎曲，無需任何被動元件。

使用所提出的TSA機制進行雙向彎曲操作的示意圖

▍非對稱軸偏移：讓幾何學為力學解圍

但新問題接踵而至。TSA有一個固有特性：收縮量總是大于伸展量。

這意味著在雙向彎曲時，反扭轉側會給主動扭轉側帶來阻礙張力，抵抗正常彎曲運動，嚴重時甚至可能拉斷繩子。

研究團隊的解決方案極為巧妙，讓幾何設計來補償力學不足。他們提出了非對稱軸偏移的概念。

當繩子比通道細小時，在彎曲過程中，繩子會自然向彎曲的內側滑動。通過將兩個TSA通道設計成不同大小的橢圓截面，讓反扭轉側的繩子比主動扭轉側的繩子偏移得更多。

這樣，反扭轉側需要的伸展長度減小，主動扭轉側需要的收縮長度增加，兩者實現匹配。困擾雙向操作的收縮-伸展不對稱問題，就這樣被精妙的幾何設計巧妙化解了。

非對稱軸偏移（AAS）示意圖

▍預張力：尋找精妙的平衡點

回到遲滯問題，數學模型給出了拮抗張力的理想形式，但如何在物理系統中實現它？

研究團隊選擇了預張力調諧這一簡單而有效的方案。在手指處于伸直狀態時，通過在兩對TSA弦環之間插入不同厚度的偏置板，移動錨點位置來施加預張力。

他們進行了系統實驗，從0毫米到3.0毫米，逐步增加偏置板厚度，觀察遲滯變化。結果令人振奮：沒有預張力時，扭轉和反扭轉軌跡大幅偏離，遲滯明顯；

當偏置板厚度達到1-2毫米時，遲滯幾乎完全消失，手指能精確返回初始位置，控制軌跡高度可重復。

繼續增加預張力，達到2.5毫米時，可用彎曲范圍開始縮小，阻礙張力重新出現；3毫米時，繩子在彎曲過程中直接斷裂。

具有雙向TSA模塊的連續體手指詳細設計

這一系列實驗不僅找到了最佳預張力范圍，也間接確定了數學模型中的關鍵參數，為設計提供了實踐指導。

▍實戰驗證：連續體手指的精準舞蹈

基于這些創新設計，團隊制作了一個完整的雙向TSA連續體手指模塊。連續體手指采用彈性主干設計，能夠模擬更自然的彎曲行為。

控制實驗設置了八個目標角度：±45°、±90°、±135°和±180°。手指在扭轉-反扭轉-反扭轉-扭轉的指令序列中，所有目標都能精確彎曲并恢復，遲滯可忽略，無回彈現象。

從±45°到±180°，測量結果緊密跟蹤基于模型的電機指令，平均誤差僅6.7%。這一誤差主要源于彈性變形和模型簡化，但已證明控制方法的實際有效性。

更引人注目的是與傳統單向TSA的對比：單向TSA操作后，手指無法完全回位，出現約21°的初始位置偏差和9°的回彈；而雙向TSA將偏差降至4-5°，回彈幾乎消失。

遲滯環在雙向操作中完全不見蹤跡。

雙向TSA-連續體手指原型及實驗設置

▍從手指到抓取器：靈活操控的無限可能

研究團隊并未止步于單個手指，他們將三個雙向TSA手指組裝成多指抓取器，展示了該系統在實際應用中的潛力。

傳統機器人手指通常是單向腱驅動，只能向一個方向主動彎曲。而雙向TSA手指允許每個手指獨立進行內向或外向彎曲，極大增強了操作的靈活性。

實驗演示中，抓取器不僅能執行傳統的向內抓取，還能進行外向彎曲，從而伸入盒子等空心物體內部，抓取環形或部分封閉的物品。

雙向TSA抓取器的靈巧操作

這種能力為機器人操作開辟了新的可能性，如在在狹窄空間內抓取、操控復雜形狀物體、執行精細的裝配任務。

多向彎曲能力讓機器人手能適應更多樣的物體和任務場景，提高了操作的空間效率。

▍不足與未來：當機器人手真正擁有手感

盡管成果顯著，但當前系統仍存在改進空間。雙向TSA模塊的耐久性約為3000次循環，之后會出現蠕變和預張力退化。

這可以通過對弦進行預應力處理和優化AAS幾何設計來改善。更精確的制造能完全消除殘留的阻礙張力，從而延長使用壽命。

運動學模型雖然緊湊實用，但基于均勻切口接觸和剛性段的假設，在大彎曲角度下預測精度受限。未來考慮變曲率和節點間彈性耦合可能提高模型保真度。

預張力方法雖然簡單可重復，但當設計參數改變時需要重新識別合適數值。團隊計劃開發自適應預張力方法，保持定量控制的同時提高對不同負載和配置條件的適應性。

目前系統在開環控制下運行，下一步將集成彎曲或張力傳感器，實現實時反饋和閉環角度控制，進一步提高精度。

也許在不遠的將來，我們日常見到的靈巧機器人手，內部驅動的就是一根根經過精心設計的扭轉弦。

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11299541/media#media