你看过用一根绳子驱动的机器人手指吗？
简单来说，就是通过扭动一根绳子让它缩短，从而拉动手指弯曲。这种被称为扭转弦驱动器（TSA）因其高减速比、结构紧凑，被看作取代传统齿轮的理想方案。
但当科学家们试图将TSA装进机器人手时，却遭遇了迟滞、行程短、只能单向弯曲三大致命障碍。现在，来自韩国西江大学和印度理工学院焦特布尔分校的联合研究团队，用一个精巧设计同时攻克了这三个难题。
他们发表在《IEEE Robotics and Automation Letters》上的最新研究成果展示了一种新型双向TSA模块，成功应用于连续体手指，实现了±180°的宽范围精确双向弯曲控制，迟滞大幅降低，行程显著扩展。
▍老毛病：迟滞、行程短、只能弯
把一根绳子穿过弯曲的手指通道，然后扭转它。这个听起来简单，实际操作却问题重重。
当绳子与通道壁接触时，摩擦会让扭转无法均匀传播。最靠近电机的部分先解开，形成反向扭转区，导致即使电机回到零位，手指也无法完全伸直，这就是迟滞。
更糟的是，下一次再弯曲时，这些反向区会先解开，导致手指在真正开始弯曲前会先轻微伸展，研究人员称之为“回弹效应”。
如果说迟滞是精度杀手，那么行程限制则是空间杀手。在无接触的理想情况下，TSA也只能收缩约30-50%的初始长度。
过度扭转会导致收缩行为异常，旋转-线性关系高度非线性，使TSA的紧凑优势荡然无存。
还有方向性问题。传统TSA是单向阀，只能拉，不能推。想要双向运动？要么加装笨重的弹簧，要么设计复杂的可变半径滑轮系统，这与TSA追求的简洁紧凑背道而驰。
TSA的缺点：(a) 扭转迟滞现象。(b) 有限的行程范围。(c) 单向运动
基于TSA的机器人手指中的迟滞与回弹
▍逆向思维：让麻烦变成解药
研究团队从观察中得到了关键洞见：提高绳子张力可以有效抑制迟滞。
但这还不够。他们通过数学模型分析发现，迟滞面积与扭转和反扭转过程中的张力差异直接相关。如果能引入一个额外的拮抗张力，使其恰好抵消这一差异，迟滞就能被消除。
于是，逆向思维诞生了。为什么不把对侧TSA的收缩力，作为我们需要的拮抗张力呢？
团队设计了双TSA拮抗系统。他们将两个相同的TSA以齿轮耦合，由一个电机驱动。初始状态下，两对TSA均施加了相同程度的预扭转。当电机转动时，一侧TSA进一步扭转收缩，另一侧则反扭转伸展，形成天然拮抗。
神奇的是，反扭转侧提供的拮抗张力，恰好能抑制主动扭转侧的迟滞。更重要的是，这种结构自然实现了真正的双向弯曲，无需任何被动元件。
使用所提出的TSA机制进行双向弯曲操作的示意图
▍非对称轴偏移：让几何学为力学解围
但新问题接踵而至。TSA有一个固有特性：收缩量总是大于伸展量。
这意味着在双向弯曲时，反扭转侧会给主动扭转侧带来阻碍张力，抵抗正常弯曲运动，严重时甚至可能拉断绳子。
研究团队的解决方案极为巧妙，让几何设计来补偿力学不足。他们提出了非对称轴偏移的概念。
当绳子比通道细小时，在弯曲过程中，绳子会自然向弯曲的内侧滑动。通过将两个TSA通道设计成不同大小的椭圆截面，让反扭转侧的绳子比主动扭转侧的绳子偏移得更多。
这样，反扭转侧需要的伸展长度减小，主动扭转侧需要的收缩长度增加，两者实现匹配。困扰双向操作的收缩-伸展不对称问题，就这样被精妙的几何设计巧妙化解了。
非对称轴偏移（AAS）示意图
▍预张力：寻找精妙的平衡点
回到迟滞问题，数学模型给出了拮抗张力的理想形式，但如何在物理系统中实现它？
研究团队选择了预张力调谐这一简单而有效的方案。在手指处于伸直状态时，通过在两对TSA弦环之间插入不同厚度的偏置板，移动锚点位置来施加预张力。
他们进行了系统实验，从0毫米到3.0毫米，逐步增加偏置板厚度，观察迟滞变化。结果令人振奋：没有预张力时，扭转和反扭转轨迹大幅偏离，迟滞明显；
当偏置板厚度达到1-2毫米时，迟滞几乎完全消失，手指能精确返回初始位置，控制轨迹高度可重复。
继续增加预张力，达到2.5毫米时，可用弯曲范围开始缩小，阻碍张力重新出现；3毫米时，绳子在弯曲过程中直接断裂。
具有双向TSA模块的连续体手指详细设计
这一系列实验不仅找到了最佳预张力范围，也间接确定了数学模型中的关键参数，为设计提供了实践指导。
▍实战验证：连续体手指的精准舞蹈
基于这些创新设计，团队制作了一个完整的双向TSA连续体手指模块。连续体手指采用弹性主干设计，能够模拟更自然的弯曲行为。
控制实验设置了八个目标角度：±45°、±90°、±135°和±180°。手指在扭转-反扭转-反扭转-扭转的指令序列中，所有目标都能精确弯曲并恢复，迟滞可忽略，无回弹现象。
从±45°到±180°，测量结果紧密跟踪基于模型的电机指令，平均误差仅6.7%。这一误差主要源于弹性变形和模型简化，但已证明控制方法的实际有效性。
更引人注目的是与传统单向TSA的对比：单向TSA操作后，手指无法完全回位，出现约21°的初始位置偏差和9°的回弹；而双向TSA将偏差降至4-5°，回弹几乎消失。
迟滞环在双向操作中完全不见踪迹。
双向TSA-连续体手指原型及实验设置
▍从手指到抓取器：灵活操控的无限可能
研究团队并未止步于单个手指，他们将三个双向TSA手指组装成多指抓取器，展示了该系统在实际应用中的潜力。
传统机器人手指通常是单向腱驱动，只能向一个方向主动弯曲。而双向TSA手指允许每个手指独立进行内向或外向弯曲，极大增强了操作的灵活性。
实验演示中，抓取器不仅能执行传统的向内抓取，还能进行外向弯曲，从而伸入盒子等空心物体内部，抓取环形或部分封闭的物品。
双向TSA抓取器的灵巧操作
这种能力为机器人操作开辟了新的可能性，如在在狭窄空间内抓取、操控复杂形状物体、执行精细的装配任务。
多向弯曲能力让机器人手能适应更多样的物体和任务场景，提高了操作的空间效率。
▍不足与未来：当机器人手真正拥有手感
尽管成果显著，但当前系统仍存在改进空间。双向TSA模块的耐久性约为3000次循环，之后会出现蠕变和预张力退化。
这可以通过对弦进行预应力处理和优化AAS几何设计来改善。更精确的制造能完全消除残留的阻碍张力，从而延长使用寿命。
运动学模型虽然紧凑实用，但基于均匀切口接触和刚性段的假设，在大弯曲角度下预测精度受限。未来考虑变曲率和节点间弹性耦合可能提高模型保真度。
预张力方法虽然简单可重复，但当设计参数改变时需要重新识别合适数值。团队计划开发自适应预张力方法，保持定量控制的同时提高对不同负载和配置条件的适应性。
目前系统在开环控制下运行，下一步将集成弯曲或张力传感器，实现实时反馈和闭环角度控制，进一步提高精度。
也许在不远的将来，我们日常见到的灵巧机器人手，内部驱动的就是一根根经过精心设计的扭转弦。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11299541/media#media
