當(dāng)大家都集中在怎樣設(shè)計(jì)更好的手指來提升夾爪的性能時(shí)，有些研究者另辟蹊徑，從大家都忽視掉的手掌結(jié)構(gòu)出發(fā)。小編今天向大家介紹一篇近期刊登在國際機(jī)器人頂級期刊《國際機(jī)器人研究雜志》（The International Journal of Robotic Research）的研究，來自于佛羅里達(dá)大學(xué)，新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)，哥倫比亞大學(xué)的研究者們共同提出了一款新設(shè)計(jì)的手掌可動的柔性夾爪(soft gripper with active palm)。該夾爪的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)是手掌的可動控制（鮮有研究者將夾爪的手掌設(shè)計(jì)為可動夾爪）。研究者在論文中指出，借助于可動的手掌，僅用開環(huán)的抓取控制，柔性夾爪可以抓取幾十種形態(tài)大小各異的物品。最大可抓取的物品重量可達(dá)3kg。同時(shí)，該柔性夾爪有著很好的抓取穩(wěn)定性，當(dāng)機(jī)械臂以15m/s^2的加速度移動時(shí)，物體仍然牢牢的被抓著保持不掉落。

手掌可動柔性夾爪展現(xiàn)強(qiáng)大抓取能力

一. 手掌可動結(jié)構(gòu)大幅度提升軟體夾爪的性能

想讓機(jī)器人真正的走入我們的生活中服務(wù)大眾，優(yōu)異可靠的抓取能力顯然是很重要的。抓取，一個(gè)看似簡單的，人人都會的動作，對于機(jī)器人來說可是一件麻煩事兒。機(jī)器人夾爪可以說是機(jī)械臂必不可少的一個(gè)關(guān)鍵部件，它好比人手一樣，作為機(jī)械臂的末端執(zhí)行器，夾爪直接的與機(jī)器人的周圍環(huán)境相互接觸，執(zhí)行抓取，轉(zhuǎn)移，操作物品的任務(wù)。有效的，功能強(qiáng)大的夾爪可以提升機(jī)器人的抓取性能和操作物品的能力。比較流行的，也相對較實(shí)用的夾爪就是二指和三指夾爪了，它們結(jié)構(gòu)簡單，抓取可靠。相對來說，五指仿人機(jī)械手雖然靈活，高度仿生，但是毋庸置疑，過多的自由度也讓抓取的運(yùn)動規(guī)劃變得尤為困難。

常見的幾種機(jī)械手：Festo魚骨仿生夾爪，SOFT Robotics氣動柔性夾爪，ROBOTIQ欠驅(qū)動三指夾爪，SHADOW高度仿生機(jī)械手

為了提高機(jī)械手的抓取性能，大多數(shù)研究者都著眼于如何設(shè)計(jì)更好更靈活的手指，然而有些研究者另辟蹊徑，從其他方面尋求答案，比如讓“手掌”這一大家忽視掉的部位變得可動。今天小編向大家介紹一款由科學(xué)家新研發(fā)的柔性夾爪。來自于佛羅里達(dá)大學(xué)，新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)，哥倫比亞大學(xué)的研究者們共同提出了一款新設(shè)計(jì)的手掌可動的柔性夾爪(soft gripper with active palm)，并且撰文刊登在國際機(jī)器人頂級期刊《國際機(jī)器人研究雜志》（The InternationalJournal of Robotic Research）上。該夾爪的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)就是手掌的可動控制。

手掌可動柔性夾爪

按照小編的理解，如果賦予一款普通的柔性夾爪可動手掌，相當(dāng)于為夾爪增加了一個(gè)額外的抓取的自由度?？蓜邮终瓶梢杂行У?cái)U(kuò)大夾爪的抓取范圍，具體來說，在抓取微小物體時(shí)，時(shí)激活手掌可以縮小手指之間的間隙，從而實(shí)現(xiàn)抓取，在抓取大物體時(shí)，激活手掌，可以增加抓取力度，讓抓取變得更穩(wěn)定，嗯，不得不說這個(gè)想法真的是贊呀！

可動手掌擴(kuò)大了夾爪的抓取范圍

如圖所示，研究者設(shè)計(jì)了一款3指的柔性夾爪，手指和手掌都靠真空驅(qū)動，和正壓驅(qū)動相比，真空驅(qū)動的柔性夾爪具有安全，可靠，對材料損耗較低，壽命較長的特點(diǎn)。研究者在論文中指出，借助于可動的手掌，僅僅用開環(huán)的抓取控制，柔性夾爪對形狀，大小，重量各異的物體有著絕佳的兼容（compliance）能力，它可以抓取幾十種不同的物品。最大可抓取的物品重量可達(dá)3kg。同時(shí)，該柔性夾爪有著很好的抓取穩(wěn)定性。

據(jù)作者在論文中介紹，向其他柔性夾爪一樣，該柔性夾爪可以抓取一些比較脆弱和易碎的物品，例如雞蛋，袋裝薯片，還有高腳杯等，同時(shí)借助于可動手掌結(jié)構(gòu)，它也可以抓取很重的物品例如大的扳手和2L的蘇打水等（這點(diǎn)絕大多數(shù)柔性夾爪都很難做到）。大家先欣賞一下這款柔性夾爪的抓取性能（文末附有完整視頻）。在下一部分，會詳細(xì)介紹這款柔性夾爪的設(shè)計(jì)以及一些性能測試。論文的基本信息也附在文末。

抓取面包

抓取大包咖啡

抓取酒杯

抓取雞蛋

在論文中，研究者展示他們設(shè)計(jì)的柔性夾爪可以抓取20多種形態(tài)各異的物品，從細(xì)小的圓珠筆，到扁平的光碟，以及雞蛋，水果，還有其他一些生活常見日用品，例如酒杯，水瓶等?；旧?，只有你想不到的，沒有它不能抓的（略微夸張了）。

抓取多樣性展示1

抓取多樣性展示2

這款柔性夾爪不僅僅可以兼容抓取很多不同的物品，在抓取重復(fù)性，精確性，和抓取穩(wěn)定性方面也毫不遜色于硬夾爪。下面兩幅動態(tài)圖展示了柔性夾爪的重復(fù)性和穩(wěn)定性測試。當(dāng)機(jī)械臂以15m/s^2的加速度移動時(shí)，物體仍然牢牢的被抓著保持不掉落。

抓取重復(fù)性測試

抓取穩(wěn)定性測試

二. 手掌可動軟體夾爪的設(shè)計(jì)，制造和測試

柔性手指由真空驅(qū)動，研究者設(shè)計(jì)柔性手指時(shí)，采用了分關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在手指內(nèi)部，有著5個(gè)楔形塊充當(dāng)關(guān)節(jié)，材料為較硬的軟膠。楔形塊包裹在一個(gè)軟而薄的，幾乎沒什么彈性的氣密性薄膜內(nèi)部，保證了手指不可以伸長，但是不影響手指的彎曲形變。當(dāng)逐漸抽取手指內(nèi)部的空氣時(shí)，手指便會彎曲變形。

柔性夾爪設(shè)計(jì)三維圖

手掌的設(shè)計(jì)類似于手指，也是由內(nèi)部的楔形快和外部的彈性薄膜組成。手掌的楔形塊有3個(gè)，在對手掌進(jìn)行抽真空時(shí)，楔形塊會靠近彼此，從而手掌產(chǎn)生變形。手掌和手指的加工方式類似，先是注模外部的柔性薄膜，然后注模內(nèi)部的楔形塊，最后將它們裝配，密封即可。

手掌的注模過程

通過試驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出，手掌在激活和未激活狀態(tài)下，柔性夾爪有效地抓取范圍變化是非常大的。這也從一定程度上證明了手掌可動這一簡單結(jié)構(gòu)對于抓取能力的提升十分的幫助。

手掌可動抓取和手掌靜止抓取展示

研究者對于柔性手指的載荷進(jìn)行測試，利用不同的材料做柔性薄膜。在相同的負(fù)壓下（-98.3kpa）進(jìn)行拉力測試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究者最終選取了一種名為MoldStar30的材質(zhì)作為手指包覆薄膜的材料。

手指拉力測試

為了更好的表征可動手掌結(jié)構(gòu)的抓取效果，研究者進(jìn)行了抓取負(fù)載測試。具體測試方法為，令柔性夾爪抓取圓柱形物體，然后分別從兩個(gè)方向（沿著手指方向和垂直于手指方向）對物體進(jìn)行拉出試驗(yàn)，所需要的拉力越大，抓取效果越好，越穩(wěn)定?？梢钥闯?，在手掌可動時(shí)，夾爪的抓取力要比不可動手掌高出很多，最大差距可以去到15N左右（圖中力的單位是grams）。即手掌可動夾爪的抓取能力要比普通柔性夾爪的抓取能力高達(dá)1倍還多一些。

抓取力測試

三. 總結(jié)與展望

對于機(jī)械夾爪來說，負(fù)載能力和抓取適應(yīng)性時(shí)很重要的指標(biāo)，對于當(dāng)前的大部分柔性夾爪來說，二者難以兼得。另外，快速的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的抓取，對于柔性夾爪來說也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。今天介紹的這款利用真空驅(qū)動，手掌可動的柔性夾爪很好的兼顧了以上幾個(gè)方面的問題，實(shí)現(xiàn)了大負(fù)載和兼容性并存的抓取效果，同時(shí)，這款?yuàn)A爪也可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而可靠的抓取，對于柔性夾爪在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展有著很重要的意義。

研究者指出，他們設(shè)計(jì)的柔性夾爪可以很方便的安裝到機(jī)械臂上，例如KUKA，UR10等。僅僅通過開環(huán)控制就實(shí)現(xiàn)了抓取不同形狀，硬度，和重量的物體。在未來的研究中，研究者希望加入閉環(huán)控制，能夠測量手指和手掌的形變和接觸應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定可靠的抓取。

文末視頻：

文章信息：

Subramaniam, V., Jain, S., Agarwal, J., & Valdivia yAlvarado, P. (2020). Design and characterization of a hybrid soft gripper withactive palm pose control. The International Journal of RoboticsResearch, 0278364920918918.

https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/0278364920918918