上可稳提27kg哑铃，下可无损捏香灰、活抓金鱼，华中大刚柔耦合抓手展现超强性能！

导读：传统刚性抓手输出力大、承载力强，但固有的高刚度使其难以操纵脆弱物品。而柔软的软抓手具有天然的顺应性，可以安全，便捷的操纵各种较脆弱物品。但一方面大多软抓手仍难以操纵水母、香灰、烟灰等非常脆弱的物品，另一方面软抓手的输出力和承载能力即便引入各种变刚度机制也仍十分有限。针对这两个问题，来自华中大的科研团队设计出两款具有优异抓取性能的刚柔耦合多指抓手，为极大拓宽机械抓手的抓取上下限分别提供了解决方案。两项研究均于近日发表于机器人领域顶级期刊《Soft Robotics》。相关方案可为后续高性能软机械的开发提供参考，而两款抓手在未来也有望被用于野外勘探、工业分拣、人机交互等多个场景。

▍灵感源自人手的多模态多位姿刚柔耦合抓手

最近，人形机器人风头正盛，似乎在不远的将来，这些灵巧聪明的机器人就可以真正成为我们的伙伴，走进大家的日常生活中。

那么机械手作为机器人与人和环境交互的最重要部件之一，是否也可以具备和人手相近的功能和性能呢？

答案当然是，可以！

我们知道，人的手指是一种由指骨、肌腱、肌肉等单元构成的刚柔耦合多关节系统。

这样的系统凭借一个相对紧凑的结构，可以同时实现宽的输出力范围、优异的顺应性与超强的稳定性这三点引人注目的性能。

而我们今天要介绍的第一款仿生抓手，它的性能便有望和我们的手指相“媲美”。

首先，它不仅可以温柔的捏起脆弱的薯片和果冻，也可以提起沉重的电机和重达27kg的哑铃。

其次，它还具有优异的顺应性，并可容许被抓取物品具有3cm的位置偏差。

最后，它可以在不同重力方向、外力冲击以及急剧速度变化下均保持高的稳定性。

这款仿生抓手如此优异的性能背后，到底藏着怎样的秘密呢？这还得从我们手指的解剖结构说起。

研究发现，我们手指宽的输出力范围背后是手指指骨与肌腱间的刚柔协作，优异的顺应性则是得益于手指具有多种相互间可灵活切换的稳态位姿，而超强的稳定性则是手指的软结构吸收冲击和刚性结构定形减振的组合效果。

本款抓手，便是基于人类手指的这三点生物学原理设计而来。

首先，将刚性气缸驱动的欠驱动刚性骨架与软致动器并联，并让二者在不同模态中交替主导。通过刚柔致动器的取长补短，获得宽的输出力范围。

其次，通过结构设计，赋予仿生手指与人类手指类似的多种自由切换的稳态位姿，允许其在与外界交互过程中被动自适应切换，获得优异的适应性。

最后，将软致动器对冲击的吸收能力与欠驱动刚性骨架的定形和阻尼减振能力结合，获得了高的稳定性。

▍具有大范围可调接触刚度与优异顺应性的双模态混合抓手

我们要介绍的第二款抓手，也有着自己的“独门绝技”。

它既可以无损的捏起香灰、烟灰甚至活金鱼等极其脆弱的物品。

也可以稳定提升起5kg的哑铃片。

并且它用来与物品接触的泪滴状PET薄片结构，具有比传统的硅胶指尖更加优异的顺应性。

那么这款抓手的秘籍又是什么呢？

我们知道，猫科动物均具有可伸缩的爪子。锋利的爪子平时会缩起来让柔软的肉垫触地，而当捕捉猎物时爪子会伸出，给猎物以致命一击。

那么抓手的刚柔结构是否也可以通过类似的方式实现刚柔功能的切换呢？

受此启发，研究者通过将薄片的两端对齐形成泪滴状，并用刚性框架来捋动这种泪滴状薄片，从而提出了相应的刚柔模态切换机制。

刚性框架后缩吐出泪滴状薄片，抓手即切换自柔性模态，可以操纵极其脆弱的物品。而刚性框架前移至撑杆顶住薄片，抓手就切换至刚性模态，与传统刚性抓手无异。

两种模态协作，即可完成从极其脆弱，到沉重坚硬等一系列物品的抓取。

此外，建模、仿真和实验表明，这种泪滴状薄片的接触刚度（接触力除以位移）与泪滴的周长和薄片厚度呈三次方关系，这允许研究者通过调节两种参数，实现惊人的40000倍以上的接触刚度变化！

这款抓手提供了一种在不牺牲高承载能力的同时极大的拓展抓手的抓取下限的可行方案，可为后续研究提供有意义的参考。此外，研究者首次强调了抓手的接触刚度。比起结构刚度，抓手的接触刚度对其抓取性能的影响更为直接。

▍总结与展望

上面的两款抓手均展现了通过刚柔耦合设计来获得高性能机器人的巨大潜力。二者分别为拓展软体抓手的抓取上限和下限提供了可行方案。前者的刚柔结构在工作中为平等协作的关系，二者均可主动。而后者的刚柔结构在工作时则为刚性主动、柔性从动的关系。

事实上，围绕刚柔结构在使能高性能机器人过程中的协作关系，还有很多可以讨论和探索的空间。我们相信，未来的机器人很可能会像人类一样，有骨头，有肌肉，软硬结合，性能优异。

该工作由华中科技大学丁汉、吴志刚教授带领的科研团队研究完成。两项工作的第一作者朱嘉淇目前为香港中文大学的在读博士生。参与工作的其他团队成员包括：陈汉、柴治平、雍昊臣等。

文章信息：

1.Zhu, J., Chai, Z., Yong, H., Xu, Y., Guo, C., Ding, H., & Wu, Z. (2023). Bioinspired multimodal multipose hybrid fingers for wide-range force, compliant, and stable grasping. Soft Robotics, 10(1), 30-39.

https://www.liebertpub.com/doi/full/10.1089/soro.2021.0126

2.Zhu, J.†, Chen, H.†, Chai, Z., Ding, H., & Wu, Z. (2023).A Dual-modal Hybrid Gripper with Wide Tunable Contact Stiffness Range and High Compliance for Adaptive and Wide-range Grasping Objects with Diverse Fragilities. Soft Robotics.

https://www.researchgate.net/publication/371124863_A_Dual-modal_Hybrid_Gripper_with_Wide_Tunable_Contact_Stiffness_Range_and_High_Compliance_for_Adaptive_and_Wide-range_Grasping_Objects_with_Diverse_Fragilities

除了上述两项工作，该团队近年来围绕刚柔耦合高性能机械的相关工作还包括：

1.Chen, H.†, Zhu, J.†, Cao, Y., Xia, Z., Chai, Z., Ding, H., & Wu, Z. (2023). Soft-rigid coupling grippers: Collaboration strategies and integrated fabrication methods. Science China Technological Sciences, 1-19..

https://link.springer.com/article/10.1007/s11431-023-2382-x

2.Zhu, J., Pu, M., Chen, H., Xu, Y., Ding, H., & Wu, Z. (2022). Pneumatic and tendon actuation coupled muti-mode actuators for soft robots with broad force and speed range. Science China Technological Sciences, 65(9), 2156-2169.

  https://link.springer.com/article/10.1007/s11431-022-2108-y

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