Bàn tay người có năm ngón vì lý do tiến hoá, không phải vì đó là con số tối ưu cho một cỗ máy. Câu hỏi kỹ thuật là mỗi ngón thêm vào mang lại khả năng gì, và có đáng với độ phức tạp không.
Hai kiểu cầm cơ bản
Mọi phân tích về bàn tay đều bắt đầu từ hai kiểu cầm.
Cầm bao: vật nằm gọn trong lòng bàn tay, các ngón bao quanh. Giữ chắc, chịu được lực lớn, nhưng vật không di chuyển được sau khi đã cầm.
Cầm chụm: vật được giữ bằng đầu các ngón. Kém chắc hơn nhưng cho phép điều chỉnh vị trí vật và thao tác tinh vi.
Người chuyển qua lại giữa hai kiểu liên tục mà không nghĩ. Với robot, chuyển đổi này là một thao tác riêng và không dễ.
Điểm mấu chốt: tay kẹp hai ngón chỉ làm được kiểu chụm đơn giản. Muốn cầm bao chắc chắn cần ít nhất ba điểm tiếp xúc phân bố quanh vật.
Từ hai lên ba ngón: bước nhảy lớn nhất
Thêm ngón thứ ba mang lại nhiều khả năng hơn bất kỳ ngón nào sau đó.
Với ba ngón đặt quanh vật, có thể giữ ổn định một vật tròn hoặc bất thường mà hai ngón không giữ nổi. Ba điểm tiếp xúc cũng đủ để chống xoay theo mọi hướng.
Quan trọng không kém là ngón đối lập — một ngón đặt đối diện với các ngón còn lại, tương tự ngón cái. Không có nó, bàn tay chỉ kẹp được chứ không cầm được.
Ba ngón cũng cho phép cầm hai vật cùng lúc theo cách đơn giản: hai ngón giữ một vật, ngón còn lại kết hợp với lòng bàn tay giữ vật kia.
Đây là lý do nhiều bàn tay robot thương mại dừng ở ba ngón: nó vượt qua ranh giới quan trọng nhất mà không mang theo độ phức tạp của năm ngón.
Ngón thứ tư và thứ năm mang lại gì
Lợi ích giảm rõ rệt sau ngón thứ ba, nhưng không phải bằng không.
Ngón thứ tư tăng diện tích tiếp xúc và độ ổn định khi cầm bao vật lớn, đồng thời cho phép giữ một vật bằng vài ngón trong khi vài ngón khác làm việc khác.
Ngón thứ năm chủ yếu mở rộng khả năng thao tác trong lòng bàn tay — xoay và dịch chuyển vật mà không thả ra.
Cái giá thì tăng nhanh: mỗi ngón thêm vào nghĩa là thêm nhiều khớp, nhiều cơ cấu, nhiều dây, nhiều cảm biến. Khối lượng ở đầu cánh tay tăng, mà đó là vị trí bất lợi nhất về mặt quán tính.
Với phần lớn nhiệm vụ trong công việc thực tế, khả năng thêm vào ít khi bù được độ phức tạp và tỉ lệ hỏng.
Truyền động dưới cơ cấu: cách giảm độ phức tạp
Một bàn tay năm ngón mô phỏng đầy đủ cần rất nhiều cơ cấu truyền động độc lập. Đây là nguồn chính của độ phức tạp.
Giải pháp phổ biến là truyền động dưới mức: dùng ít cơ cấu hơn số khớp, và để cơ khí tự phân phối chuyển động.
Ví dụ điển hình là ngón dẫn bằng dây: một cơ cấu kéo dây chạy qua nhiều khớp của ngón. Khi ngón chạm vật, các khớp tự thích nghi theo hình dạng vật mà không cần điều khiển riêng từng khớp.
Ưu điểm rất lớn: nhẹ hơn, rẻ hơn, và bao dung với sai lệch vị trí vì ngón tự ôm theo hình.
Nhược điểm: không điều khiển được từng khớp độc lập, nên các thao tác tinh vi cần kiểm soát chính xác từng đốt thì không làm được.
Với cầm nắm thông thường, đánh đổi này gần như luôn có lợi.
Chọn cấu hình theo nhiệm vụ
Bốn tình huống và cấu hình tương ứng.
- Cầm vật cứng, hình dạng biết trước, đặt ổn định → tay kẹp hai ngón. Đơn giản, bền, đủ dùng.
- Cầm vật đa dạng về hình dạng và kích thước → ba ngón có ngón đối lập, dùng truyền động dưới mức.
- Cần dùng dụng cụ của người → cần đủ ngón để bao được cán dụng cụ, thường từ ba trở lên.
- Cần xoay và điều chỉnh vật trong tay → cần nhiều ngón điều khiển độc lập, và đây là nhóm hiếm khi khả thi hiện nay.
Một quan sát thực tế: nhiều nhiệm vụ được cho là cần bàn tay khéo thật ra giải được bằng cách đặt lại vật — thả xuống bàn rồi cầm lại ở tư thế thuận. Chậm hơn nhưng đơn giản hơn nhiều, và đáng cân nhắc trước khi đầu tư vào bàn tay phức tạp.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao ngón đối lập lại quan trọng đến vậy?
Vì không có nó, bàn tay chỉ tạo được lực kẹp theo một trục và không bao được quanh vật. Ngón đối lập cho phép tạo lực từ hướng ngược lại, và đó là điều kiện để giữ chắc các vật có hình dạng bất thường.
Truyền động dưới mức có làm giảm lực cầm không?
Không nhất thiết, vì lực vẫn do cơ cấu tạo ra. Điều bị giảm là khả năng kiểm soát từng khớp độc lập. Với cầm nắm thông thường, việc ngón tự thích nghi theo hình vật thường là ưu điểm chứ không phải nhược điểm.
Bàn tay robot có cần giống tay người về kích thước không?
Chỉ khi robot phải dùng dụng cụ và thiết bị thiết kế cho tay người, ví dụ cầm cán dao hay bấm nút trên bảng điều khiển. Nếu không, kích thước và hình dạng nên chọn theo vật thể mà nó sẽ xử lý.
Vì sao thao tác xoay vật trong lòng bàn tay lại khó?
Vì nó đòi các ngón thay phiên nhau nhả và bắt lại trong khi vật vẫn được giữ, và đòi kiểm soát lực rất tinh tế ở từng điểm tiếp xúc. Đây là nhóm thao tác mà bàn tay robot còn cách xa bàn tay người nhất.
Đọc thêm trong Chân & dáng đi và Giữ thăng bằng & điều khiển toàn thân.
