前沿技术导读 ｜ 夹具“黑科技”再升级！北科大张建华教授团队开发新型软包络抓取器
广告|点击查看
近日，北科大张建华教授团队在Advanced intelligent systems上发表了题为A Soft Enveloping Gripper with Enhanced Grasping Ability via Morphological Adaptability（《一种通过形态适应性增强抓取能力的软包络抓取器》）的论文，从静态、动态和抓取应用三个角度将团队研发的新型软性包络抓取器与传统指状抓取器进行了对比试验。
本文共 2516 字，预计阅读需要10分钟
论文摘要 Abstract
目前，指状抓取机器人在抓取物体时需要根据物体本身的尺寸、结构、刚度、姿势进行力度和姿势调整。为了提供一个相对简单但有效的抓取方式，本文对一种新抓取设备——软性包络抓取器进行研究。通过将包络抓取器与指状抓取器进行对比试验，探究形态适应性是否能提高抓取能力。
实验结果显示，软包络抓取器可全方位包裹被抓物体，能在有效范围内准确抓取物品并移动保持，成功率达到100%；而指状抓取器的抓取成功率则受到诸多因素高度影响：被抓取物体的相对位置、物体角度、指状抓取器的手指数目。
实验显示，软性包络抓取器在抓取重量为500g的物体时，动力学阻尼和衰减时间约为两指抓取器抓取重量为12.37g的立方体的六分之一。包络抓取器能自动抓取任意形状的物体（包括可变形物体），但并不需要像指状抓取器一样进行姿态估计和力量控制。如果将软包络抓取器投入生产应用，它将成为一个更便捷、更节约成本的选择。
01
“仿人手”机器人的发展与瓶颈
在非结构化场景中抓取各种尺寸、形状和刚性的物体是机器人与环境和人互动的基本能力，这一相关课题也是近十几年的研究热点和难点。目前较为主流的抓取器是以人手为原型进行开发的。受到人手灵巧性、适应性和多模态感知的启发，拟人化的指状抓取器配备了多个全驱动的手指和传感器，通过主动改变手部姿势和调整抓握力来实现抓取目标。目前指状抓取器可以进行诸如切割、拼接等复杂任务。
但这一技术在实际应用推广方面却遇到了很大的瓶颈，原因很简单：技术太复杂。被抓取物体之间千差万别，不但不同的物体拥有相异的结构和材质，相同的物体可能也以不同的姿态摆放。指状抓取器的结构控制策略过于复杂，导致技术价格也居高不下。
在这一前提下，欠驱动抓取器应运而生。这种驱动方式是为了降低机械复杂性而开发的，主要由电缆驱动。欠驱动抓取器可以在一定程度上自动调整手指以适应物体的形状，因此比全驱动夹持器更有效地抓取物体。但这种改善并没有彻底解决问题：由于接触表面坚硬，欠驱动抓取器在处理柔软、脆弱或不熟悉的物体有一定难度。
欠驱动没有从根本上解决问题，研究人员便将目光转移到了材料方面，软性抓取器也应运而生。与原本的抓取器相比，软抓取器的适应性和安全性更高：
软性抓取器可以浇筑或3D打印制作，灵活性可以通过增加腔室或部分编程来增强。负载能力可以通过变刚度机制或刚性骨架来提高。通用性可以通过调整抓取姿势或可动手掌进行提高。
在光感应、热反应、化学刺激、电活性聚合物、电磁驱动等智能材料的帮助下，设计灵活性大大提高。这些智能材料驱动的抓取器，适用于夹持微小物体和在特定环境中操作。相比之下，由硅橡胶制成的软抓取器由于成本低、坚固耐用和可扩展性等优点，具有更好的应用前景。
然而，与刚性指状抓取器一样，软性指状抓取器的抓取行为也高度依赖于物体的姿态、刚度、结构，并且受制于夹持器与物体的相对位置，这是指状抓取器固有的局限性。
02
新的解决方案：软包络抓取器
除了以人类手指为原型的指状抓取器外，一些研究人员致力于开发其他抓取机制，以进一步简化任务，同时增加的通用性。
例如，基于粒子干扰的万能抓取器可以通过抽真空的方式抓取多种形状的物体。包络抓取器随着膜膨胀和收紧，可以夹持各种物体。以血虫为灵感的抓取器可以通过被动贴合来“吞下”各种物体。以壁虎为灵感的弹性微纤维膜可以通过简单的常压附着在各种3D表面。
到了这一阶段，技术发展从“仿人”指向了“仿生”。指状抓取器相比，这些软性抓取器主要通过自适应地包裹物体来实现抓握。因此，它们不需要像指状抓取器一样来根据物体来调整自身的配置或姿态，复杂性大大降低。
有关这些新型抓取器的研究，目前主要集中在对相关设计的介绍和演示抓取器的通用性上，从静态、动态和实践应用角度对这些抓取机能在何种程度上提高抓取性能的深入研究不多。张建华教授的这篇论文则从这一新视角出发，对团队自行研发的软包络抓取器和软指状抓取器进行了实验研究。
03
三组实验
张建华教授的研究团队通过比较其自行研发的软包络抓取器与常见软指状抓取器在抓取机制、静态极限误差和动态稳定性方面的表现差异，来研究软包络抓取器的形态适应性如何提高抓取能力的。
研究团队准备了两个软性指状抓取器(一个两指，一个三指)与软包络抓取器进行对比试验，其材料、壁厚和长度与软包络夹持器相同，从夹持器中心到手指的距离也与团队研发的软包络抓取器的半径相同。
实验一：抓取机制（grasping mechanism）
通过有限元模拟和抓握实验，比较两种抓取器的抓握机制。
图片、视频来源：张建华教授团队
实验二：静态极限误差（static permissible errors）
通过静态实验比较了它们的位置误差和方向误差。
图片来源：张建华教授团队
实验三：动态稳定性（dynamic stabilities）
通过动态扰动比较了它们的动态稳定性。
图片来源：张建华教授团队
04
实验结论
实验证明了仅通过三维视觉提供的位置信息，软包络抓取器在不进行姿态估计和力反馈控制的情况下，只要抓取物体的大小和重量在抓取限制范围内，就可以抓取各种姿态的软硬物体。
有限元模拟和实验结果表明软包络抓取器通过主被动交互包络机制（active–passive interaction enveloping mechanism）在形态上适应各种曲面的物体，可以对物体的各个侧面全方位施力，而指状抓取器只能触摸物体的有限部分。
团队研发的软包络抓取器能够成在范围内成功抓取物体并在放置后保持物体的原有的方向，而指状抓取器的成功率和定位误差取决于其与物体的相对位置和角度。说白了，不论物品是“站着”还是“躺着”，软包络抓取器都能一网打尽。此外，实验证明软包络抓取器的动态稳定性也优于指状抓取器。
图片来源：张建华教授团队
通过简单的基于视觉的自动抓取方法，研究团队证明了软包络夹抓取器可以在固定姿态和驱动压力下抓取不同姿态的物体，甚至可以抓取可变形的物体，史莱姆、橡皮泥和果冻都不在话下。
图片来源：张建华教授团队
软包络抓取器良好的形态适应性可以提高机器人系统的能力，有巨大的应用推广前景，可以完成诸如食品加工、物流分拣和流水线上异形物体的分拣放置工作，进而提高经济效率。
05
宣传推广
