Handroid:当一台机器人既可以是灵巧手,也可以是人形机器人
如果机器人需要行走、转向、避障以接近目标,它需要一副能够移动的身体;如果机器人需要进一步完成抓取、倒水、叠杯子或拾取纸张等精细任务,它还需要一只足够灵巧的手。长期以来,这两类能力通常由不同的机器人平台分别实现:人形机器人侧重移动与全身交互,灵巧手则专注于物体尺度上的精细操作。这种分工虽然清晰,却也在无形中将机器人系统割裂为两部分:会移动的机器人,手往往不够灵巧;足够灵巧的手,又常常离不开机械臂和固定的工作空间。
为了打破移动与精细操作之间的这道边界,来自北卡罗来纳大学教堂山分校和斯坦福大学的研究团队提出了 Handroid :一台高 0.33 米、重 2.05 千克、拥有 27 个自由度的可重构桌面级机器人。它最特别的地方在于,同一套硬件可以在两种形态之间切换:需要行走和全身交互时,它是一台小型人形机器人;需要完成精细操作时,它又能重构为一只多指灵巧手。换句话说,Handroid 尝试用同一副「身体」,同时承载机器人的移动能力与灵巧操作能力。

这项工作的意义并不在于打造一台「变形金刚」。更重要的是,作者们希望通过这样一个真实可运行的平台,展示一种新的机器人设计思路:机器人不一定生来就只能是一只手、一双腿,或一副固定不变的身体。关节可以被重新分工,模块可以被重新组合,同一套硬件也可以在不同任务中获得新的角色。当形态不再是机器人能力的边界,而成为一种可以重组和复用的资源,机器人也将拥有更多可能。Handroid 给出的并不是最终答案,而是一个真实可运行的起点——它希望让更多研究者沿着这条路,重新想象机器人可以是什么,又可以做什么。
形态复用:
不是给机器人装一只手,而是重组一副身体
过去,大多数灵巧操作系统采用的都是一条相似路线:将灵巧手作为末端执行器,固定在机械臂末端。灵巧手负责抓取和操作物体,机械臂则负责把它送到指定的工作区域。这套方案虽然有效,但机械臂的可达范围相对固定;一旦目标超出这一范围,系统就需要增加额外的移动平台。当机械臂、灵巧手和移动平台被组合在一起后,整套系统的结构与控制也会变得更加复杂。例如,在使用外部相机时,机器人位置的改变还会影响相机与机器人之间的坐标关系,使目标重定位、坐标转换、移动与操作规划,以及碰撞规避等问题更难处理。
Handroid 没有沿着「继续扩大机械臂工作范围」的方向思考,而是从手与身体的形态结构入手。研究团队发现,人类身体和人手的拓扑结构具备天然的相似性:它们都能被看作一种由中心区域向外延伸出五条多关节运动链分支的构型。其中,拇指对应于头部,食指和小指对应于双臂,中指和无名指对应于双腿,而手掌对应于人体的躯干。这种相似性使同一组关节模块不必始终承担固定的功能,而是可以在不同形态下扮演不同角色。
基于这一思路,Handroid 将同一套 27 自由度机电系统复用于两种形态。在灵巧手形态下,20 个关节自由度组成接近人手关节布局的五指结构,支持抓取、多指协同和手内操作。通过 2 个直线移动的自由度完成形态切换后,原本组成五根手指的关节模块分别成为人形机器人的头部、双臂和双腿,25 个关节自由度共同构成人形身体。其中,双腿共有 12 个自由度,覆盖人类下肢的主要关节运动,可以支持行走、转向、侧移、下蹲和姿态转换。
因此,Handroid 的思路不是在机器人身上继续叠加一只独立的灵巧手,而是重新组织已有的硬件:需要精细操作时,同一组模块组成五根手指;需要移动和全身交互时,它们又成为头部与四肢。Handroid 正在将「移动能力」与「精细操作」装进同一副躯体里,并尝试证明:机器人不必依靠增加新部件来拓展能力,同一套硬件也能通过形态重组承担不同功能。