密歇根州立大學和北華大學Soft Robotics: 柔性復合仿人機器手

軟體機器人因其特有的優勢，在很多領域受到越來越多的重視。機器手作為機器人與外界交互的主要工具，在機器人設計開發中具有十分重要的地位。柔性機器手具有良好的靈活性和適應性，能夠實現連續變形，使得在人-機器人以及環境-機器人的交互應用中，可以有效避免對人和物品等造成可能的傷害和損壞；更重要的是，柔性機器手能夠在較為簡單的控制策略下，輕松實現與復雜形狀的物體的貼合（共形）接觸。因此，開發能夠靈活抓取和操控的柔性機器手受到科研人員的普遍關注。

近日，美國密歇根州立大學曹長勇教授團隊與北華大學耿德旭教授團隊合作研發了一種剛柔耦合氣動柔性執行器(FHPA)和柔性仿人機器手。該柔性復合機器手采用人手仿生學結構，通過新的彎曲型剛柔耦合氣動柔性執行器FHPA進行驅動，具有結構簡單、輕質、靈活、輸出力大和適應性強等特點（圖1）。該手指狀柔性執行器內部布設硅膠彈性體氣囊，外側裝有薄片狀束環，氣囊與束環在一側設有板狀彈性骨架。施加氣壓后，執行器內氣囊內壁受壓發生膨脹，外壁徑向變形受束環約束從而以產生軸向力為主，從而產生實現類手指的彎曲運動。該設計中，柔性執行器采用裝配集成方式，可布設多個氣囊進行驅動以產生更大的抓力。整個執行器內部軟體氣囊與彈性骨架剛柔相濟，彈性骨架起支撐和連接作用，可提高柔性執行器剛度和彈性恢復，保證執行器在完成運動功能和柔性的同時，使柔性機器手在抓持物體時保持一定的剛度。機器手整體結構采用非對稱式 - 拇指與中指相對。拇指并采用雙驅動單向彎曲柔性執行器來增強機器手抓持能力，其余四指采用單驅動單向彎曲執行器。此外，在氣壓控制系統內裝有氣壓傳感器用于監控每根手指執行器的內部壓力，以便手指變形與物體接觸后，及時進行反饋調節壓力以適應不同物形和重量目標物體。實驗結果表明，采用該剛柔耦合氣動柔性執行器制備的機器手具有良好的靈活性，能夠精準完成抓、握和捏等多種動作；同時，通過調節執行器內部氣壓，既可以控制手指形變和輸出力，又對抓取物的形狀變化具有較強的適應性。該柔性機器手夾持力可達12牛，可抓持重量為1.3千克以上的物體，未來在機器人-人、機器人-環境交互應用中將具有巨大的應用潛力。

圖1：剛柔復合氣動柔性執行器(FHPA)結構與制作。應用該柔性執行器制作的氣動仿人柔性機器手具有較好的適應性，可實現抓、握、捏、夾等動作。

圖2：FHPA 形變分析。（a）FHPA幾何變形與受力分析；（b）FHPA內部硅膠氣囊變形前后橫截面變化；（c）FHPA內部硅膠氣囊變形前后剖視圖；（d）不同氣壓下FHPA的位移和彎曲擬合曲線；（e）FHPA在充氣和放氣過程中彎曲角度變化；（f）FHPA彎曲角度實驗數據與理論數據對比；（g）FHPA在氣壓0-0.3 MP，氣壓間隔為0.05 MPa下的彎曲變形。

圖3：幾何參數對FHPA性能的影響。(a)和(b)分別是彎曲角度測量裝置和FHPA幾何參數示意圖；(c)和(d) 分別是不同厚度的圓環狀和圓柱狀約束環對彎曲角度的影響；(e)和(f)分別是在不同的氣壓作用下，FHPA的彎曲角度和輸出力與執行器長度l之間的變化關系；(g)和(h)分別是在不同的氣壓作用下，FHPA的彎曲角度與力臂h之間的變化。

圖4.板彈簧和執行器內腔氣囊幾何參數對FHPA彎曲性能的影響。(a)和(b)分別是板彈簧寬度對彎曲角度和輸出力的影響；(c)和(d)是板彈簧厚度對彎曲角度和輸出力的影響；(e)和(f)FHPA內腔氣囊內徑和外徑對彎曲角度和輸出力的影響。

圖5：約束邊界對FHPA性能的影響。(a)應用高分辨率CT觀測FHPA內腔氣囊在施加氣壓后的變化；(b)不同約束邊界條件下FHPA內腔氣囊接觸變形；(c)當約束環厚度t=2 mm 時，不同形狀的約束環對FHPA內腔氣囊壁厚的約束效果對比；(d)和(e)是施加氣壓后，不同厚度和不同間隙的約束環對FHPA內腔氣囊壁厚影響對比；（f）和(g)是在兩種特定條件下FHPA內腔氣囊橫截面積與施加氣壓之間理論計算與實驗之間的對比；(h)FHPA在兩種不同形狀的約束環條件下彎曲變形角度對比。

圖6：FHPA內腔結構對其性能的影響。(a-d)分別是單驅動FHPA、雙驅動FHPA、三驅動FHPA和四驅動FHPA；(e)和(f)分別是四種執行器彎曲角度和輸出力與施加氣壓之間的關系。

以上相關成果發表在國際著名期刊Soft Robotics上。論文第一作者為北華大學/密歇根州立大學劉曉敏博士，通訊作者為密歇根州立大學曹長勇教授和北華大學趙云偉教授。北華大學耿德旭教授、密歇根州立大學包裝學院博士生陳守鍔和電氣與計算機工程系譚曉波教授為論文共同作者。

論文鏈接: https://doi.org/10.1089/soro.2020.0001

課題組網站：www.caogroup.org

本文由合作團隊供稿。