受人类膝关节启发的机器人关节矫正99%对位偏差，抓握力提升三倍以上。新型关节设计让机器人更高效、抓手更强力、膝部辅助装置精准贴合.
哈佛大学工程师开发出一种设计机器人关节的新方法，其灵感源自人类膝关节，有望提升机器人效率并增强抓手力度。该方法采用滚动接触关节——由柔性连接件固定的成对曲面通过滚动与滑动相互作用。
新技术根据关节需承受的力和执行的任务，对每个关节部件的形状进行优化。这使得关节自身能高效传导能量，减少对大功率执行器和复杂控制系统的依赖。
"当设计具有特定功能的机器人时，比如行走机器人，我们可以开始思考施加力量的最佳位置，"该研究第一作者、哈佛大学工程与应用科学学院博士生科尔特·德克尔表示，"若能将这些决策融入机器人的机械结构中，就能造出更高效率的机器人。它们可以使用更小的执行器，因为能量被精准导向需要之处。"
论文资深作者罗伯特·伍德补充道："我们的目标是将尽可能多的运动控制转移到机器人的机械结构和材料中，让控制系统专注于任务级目标。科尔特的方法从数学和机械层面都完美实现了这一构想，且手法非常精妙。"
精密机械的融合
这一创新源于改进软体机器人抓手的尝试——这类抓手需要在轻柔包裹物体的同时施加强劲力道。通过刚性连杆与柔性关节的结合，团队将滚动接触关节作为模拟人体骨骼与软骨的解决方案进行研究。
测试数据显示：采用新方法优化的类膝关节，相较于标准关节可减少99%的对位偏差；使用相同执行器输入时，按此原理设计的双指机器人抓手，其负重能力达到传统圆盘关节与滑轮结构的三倍以上。
传统滚动接触关节采用简单的圆形曲面，而哈佛团队的方法能设计出沿特定路径运动、并在该路径上实现预定传力比的不规则曲面。德克尔解释："我们通过大量数学计算证明：若关节需要遵循特定运动轨迹，并在此轨迹上保持特定传力比，就能找到呈现这些特性的曲面与滑轮组合。随后可将此设计流程应用于优化行走、跳跃或抓取等任务的关节。"
强力抓手的诞生
优化后的滚动接触关节可拓展至广泛领域，包括辅助设备、外骨骼、仿人机器人乃至动物生物力学研究。这种设计使关节能够针对特定运动进行定制，实现效率与性能最大化。
该技术标志着机器人与设备向更自然运动模式迈进一步——通过机械结构本身解决复杂运动问题，而非完全依赖软件控制。
相关研究成果已发表于《美国国家科学院院刊》。
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