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上海交通大学谷国迎课题组：三爪纤维增强型气动软体抓手丨JME文章推荐
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机械臂末端夹持装置是自动化生产线的重要组成部分，如图1a所示，传统的机械抓手与目标抓取物之间多为刚性接触，通常是几个点的接触施加压力靠摩擦力来实现抓持功能。这类抓手结构简单，一般用于外形规则物品的简单抓取任务，如图1b所示。在现代工业生产中，产品种类较以往大大增加，“多品种、小批量”成为市场需求的一大趋势，混流生产也应运而生。在混流生产线上，图1b所示的传统机械抓手已不能满足复杂或不规则物品的抓取要求。此类工作十分需要一个具有很强自适应能力的通用抓取装置。理想抓手应该可以自适应物体的形状并尽可能增加接触面积和接触点，这样可以产生较小的接触应力，保证被抓物体的表面不被损坏。
大量研究结果表明刚性装置想要实现自适应抓取往往结构和控制复杂，而且只能设计用于特定目标的抓取，对于抓取形状各异、软硬程度不同的物体依然存在诸多挑战。如日本KONDO等针对番茄采摘制作的带有软衬垫吸引器的末端执行机构，HAYASHI等设计的用于草莓采摘的末端执行器。在国内，姬伟等基于广义积分的抓取力矩控制方法来设计的果蔬采摘末端执行器，浙江大学金波等采用欠驱动原理设计的果蔬采摘末端执行器(图1c)，还有哈尔滨工业大学李季等设计的用于月壤表层采样的机械臂末端执行机构等。以上机械抓手常采用欠驱动机构设计，自适应抓取一般较为复杂。而使用柔性驱动器制作的软体抓手能够适应不同形状和尺寸的物体，非常适合制作需要操作复杂目标对象的执行机构，逐渐受到研究人员的青睐。
图1 传统机械手
软体驱动器通常采用软物质功能材料构成，常用的譬如：电活性聚合物、形状记忆合金、弹性体材料、水凝胶以及经历了固态相变的复合材料等。软体驱动器的驱动性能多决于所选择的材料和激励方式。常见的激励信号有气体/流体压强、电信号、温度、PH值等。其中，气体/流体驱动的驱动器由于其质量轻、功率质量比高、柔顺性好、控制简单并且易于采用新兴的加工制造技术低成本做出，拥有很大的优越性。
人们对气动软体驱动器的研究已有60多年历史。早在1991年日本学者SUZUMORI等基于气电混合系统发明了一种三自由度柔性驱动器FMA并利用该驱动器制作出了一款四指柔性抓手，如图2a所示。该抓手可以实现简单的抓取，但是，其控制系统相当复杂。2011年，哈佛大学的GEORGE团队在美国国防部高级研究计划局(DARPA)的支持下研发了一种新型多腔体形式的气动软体抓手(图2b)。该抓手自适应能力强，但末端弯曲程度较小，对抓取物体的包裹性不强，末端接触力较小，抓取物体时稳定性不够高。基于此，GALLOWAY等分别利用多气腔结构和纤维增强结构制作了两款海底生物采样软体抓手(图2c)。
图2 现有气动软体抓手
综述常用的气动驱动器的结构，目前主要分为两类，纤维增强型(图3a)和多腔体型(图3b)。采用铸模方法制造，多腔体型由于结构复杂，不容易一次成型，气密性较难保证，在可承受气压范围内提供的末端力较小，实用性较差；而纤维增强型结构较简单，易于制造，能提供较大的末端力。
图3 气动软体驱动器
设计一种结构与控制简单、自适应能力强的软体抓手。该抓手由三个具有纤维增强结构的软体弯曲驱动器作为爪子协调配合实现抓取任务，气体的可压缩性与软体驱动器的弹性使此抓手拥有可对易损物品无损抓取的良好特性。选取合理的性能参数后，采用3D打印出模具浇注硅胶的方式制作出特性优良的驱动器，同样采用3D打印的方式制作抓手的连接基座，同时，整个装置的气密性通过独特设计的结构得以保障。该抓手配合UR机械臂抓取形状大小各异物品的试验结果表明：该抓手抓取稳定、自适应能力强、控制简单并且能够很好的实现无损抓取。
同样采用铸模方法制造的软体驱动器，纤维增强型较多腔体型优势明显。美国哈佛大学的WALSH团队在这种驱动器的设计、制造和建模分析方面开展了大量工作。但是鲜有基于这种纤维增强型驱动器的多爪软体抓手的设计。
上海交通大学的谷国迎课题组开展了这方面的研究工作，他们设计制作了一款三爪纤维增强型气动软体抓手。针对设计的抓手，进行了单个驱动手指的参数优化，弯曲角度及末端驱动力测试。进一步的试验结果表明，所制作的软体抓手具有良好的气密性和抓取能力(抓取质量上限可达0.8 kg)。通过与基于视觉的UR机械臂配合，该抓手实现了多个不同形状和尺寸物品，如三通管件、香蕉、猕猴桃等物品的抓放
图4 抓手整体结构示意图
图5 软体抓手对日常生活中常见物品的抓取试验
本文采用了新兴的软体机器人技术，通过参数的设计与优化制作出一款异于现有传统机械臂末端抓手的气动三爪软体抓手，并对其抓取性能进行测试，包括抓取直径、抓取重量和自适应能力。
(1) 该抓手配合简单的控制便可实现对不同形状和大小的物品自适应无损抓取，且抓取稳定可靠。
(2) 该抓手能够抓取0.7 kg左右的重物说明该尺寸的这种抓手完全可用于小型果蔬采摘分类、超市零食等日常小型物品的存储摆放等自动化作业流程。
(3) 该抓手由硅胶制备、气动驱动，因此不需要润滑油润滑等日常维护工作，相对于传统机械末端执行器在干净卫生方面优势明显。
同时，如果调整抓手尺寸及软体驱动器的壁厚性能参数、数量和相对位置后便可衍生出一系列可以应用于各行各业的此类抓手。
为缩短制作周期，此抓手设计相关的模具和夹具采用3D打印的方式制作，3D打印材料不耐高温的特性使硅胶凝固需要在常温下进行。如果对该抓手性能参数充分优化后，采用金属制备的模具进行生产，就可以通过调节温度来加快硅胶凝固等方式实现批量化快速生产，完全可以实现产业化，这将会创造巨大的价值。
下载提示
该项科研成果已发表在《机械工程学报》2017年13期，感兴趣的朋友可以在我们的微信公众平台回复“20170731”免费下载全文阅读！
主创简介
谷国迎
博士、副教授，国家优秀青年科学基金获得者、德国洪堡学者。主要从事软体机器人学、机器人控制技术的研究。主持国家自然科学基金和省部级等科研项目9项，在IEEE/ASME Trans.等刊物发表SCI论文30余篇，参编英文专著1章，申请发明专利10项（授权5项）、登记软件著作权1项。担任SCI期刊International Journal of Advanced RoboticSystems副编辑。获国际会议IEEE-ICIA 2011和ICIRA2016最佳论文奖、上海市优秀博士学位论文、上银优秀机械博士论文奖等。
魏树军
上海交通大学机械动力与工程学院机器人研究所2015级硕士研究生，主要研究方向为软体机器人技术。
王天宇
上海交通大学密歇根学院2014级本科生，电子工程专业，主要研究方向为软体机器人技术。
课题组需求
课题组主要从事软体机器人学领域研究，研究需求主要有以下几个方向。
1、智能材料致动器/传感器：研究新型软体智能材料的作用机理及制造工艺，开展新型致动器/传感器设计。
2、仿生软体机器人：研究自然界中生命体的结构特点和运动机制，开展刚柔耦合软体机器人的设计方法与理论。
3、软体机器人运动控制：研究软体机构的非线性大变形动力学建模方法，开展基于模型/无模型的自主运动规划器及控制器设计。
4、软体结构3D打印：研究新型的适用于软体智能材料的加工与制造方法，设计新型3D打印装备。
欢迎具有机械、控制、仿生、材料、化学等学科背景的研究人员攻读学位、访问交流、合作研究，共同探索软体机器人技术的未知领域。
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