為了執(zhí)行涉及移動(dòng)或處理對(duì)象的任務(wù)，機(jī)器人應(yīng)根據(jù)這些對(duì)象的屬性和它們周圍的環(huán)境迅速調(diào)整其抓握和操縱策略。到目前為止，大多數(shù)已開(kāi)發(fā)的機(jī)械手都具有固定的限制結(jié)構(gòu)。因此，它們只能執(zhí)行有限的運(yùn)動(dòng)，并且只能抓住特定類型的對(duì)象。

科技大學(xué)的研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種機(jī)械指尖，該指尖可以改變其形狀并可以在三種不同的配置之間切換，從而可以抓握更多種類的物體。在今年的IEEE自動(dòng)化科學(xué)與工程國(guó)際會(huì)議(CASE)上發(fā)表的一篇論文中概述了這種指尖的獨(dú)特設(shè)計(jì)，其靈感來(lái)自日本著名的折紙藝術(shù)折紙。

兩位從事這項(xiàng)研究的研究人員Kanzicheng和Zhang Yazhan Zhang通過(guò)電子郵件告訴TechXplore：“我們的研究受到當(dāng)前研究和工業(yè)應(yīng)用中兩個(gè)常見(jiàn)觀察的啟發(fā)。” “第一個(gè)涉及在過(guò)去的研究中開(kāi)發(fā)的平行夾具，這可能有助于實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化。這些夾具需要精心選擇的抓取點(diǎn)，否則可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)平衡。”

幾十年來(lái)，研究人員一直在嘗試開(kāi)發(fā)技術(shù)來(lái)控制機(jī)械手的抓握姿勢(shì)。但是，大多數(shù)現(xiàn)有方法都有明顯的局限性，使它們無(wú)法很好地在不同對(duì)象之間進(jìn)行概括。Kan，Zhang及其同事進(jìn)行的這項(xiàng)研究的首要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種指尖，該指尖可以輕松控制并且可以執(zhí)行各種姿勢(shì)。

坎和張說(shuō)：“過(guò)去另一個(gè)啟發(fā)我們研究的發(fā)現(xiàn)是，要獲得穩(wěn)定的抓地力，工程師必須設(shè)計(jì)一個(gè)固定在平行夾具上的專用夾具，以進(jìn)行操縱，例如拾取和放置等。” “如果將裝配線上的項(xiàng)目更改為不同的形狀，這將很麻煩，這將導(dǎo)致手動(dòng)更換夾持器的效率低下。我們創(chuàng)建的變形指尖可以幫助減輕或克服這一問(wèn)題。”

Kan，Zhang及其同事創(chuàng)建的機(jī)器人指尖設(shè)計(jì)基于他們先前研究中介紹的其他機(jī)器人結(jié)構(gòu)。例如，在2019年，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)折紙啟發(fā)的，扁平指尖的整體式軟抓手。盡管此抓手也可以變形和改變形狀，但由于指尖的平坦度和柔軟度，其在有效載荷和靈巧性方面的性能很差。

坎和張說(shuō)：“我們小組的一名博士生宋浩然先生以前也曾發(fā)表過(guò)一篇關(guān)于接觸面聚類的論文，展示了代表主要局部幾何形狀的三種典型接觸原語(yǔ)。” “這些安裝在平行夾具上的指尖已在不同的物體上進(jìn)行了測(cè)試，表明抓握的可行性和穩(wěn)定性。本文啟發(fā)我們?cè)O(shè)計(jì)了一種變形指尖，其形態(tài)結(jié)構(gòu)在三個(gè)接觸原語(yǔ)中。”

由科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Kan，Zhang及其同事開(kāi)發(fā)的基于折紙的新形狀變形指尖具有兩個(gè)主要組成部分：柔軟的折紙骨架(用作指尖的變形表面)和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)和傳輸機(jī)制。

研究人員在指尖的中央放置了一個(gè)球形接頭，以實(shí)現(xiàn)三維自由旋轉(zhuǎn)并支撐頂表面。此外，他們使用伺服電機(jī)(即一類旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器)來(lái)獨(dú)立控制放置在軟折紙骨架上的四個(gè)葉片小面。

坎和張解釋說(shuō)：“通過(guò)在每個(gè)葉片小面上使用不同姿勢(shì)的組合，可以針對(duì)不同的抓握模式實(shí)現(xiàn)多種配置，例如凸形，凹形和傾斜平面模式。” “這些模式可以通過(guò)我們的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。”

研究人員評(píng)估了他們的指尖在有效抓握機(jī)器人必不可少的動(dòng)作上可以實(shí)現(xiàn)的三種變形模式。例如，他們測(cè)試了凸出模式在進(jìn)行樞轉(zhuǎn)和捏緊抓握，凹入模式用于進(jìn)行力量抓握以及傾斜平面模式在手操作和重新定向方面的有效性。

總體而言，他們發(fā)現(xiàn)，他們開(kāi)發(fā)的指尖具有許多有利的特征，包括能夠根據(jù)手頭的任務(wù)在不同的變形圖元和抓握模式之間以及在穩(wěn)定和靈巧的抓握模式之間快速移動(dòng)的能力。指尖的配置可通過(guò)其使用的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行有效地仿真和指導(dǎo)。

坎和張解釋說(shuō)：“我們提出了一種新的解決方案，以適應(yīng)機(jī)器人抓握的適應(yīng)性和靈巧性的要求，該解決方案可在學(xué)術(shù)和工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用，而不會(huì)增加大量的額外費(fèi)用。” “我們的設(shè)計(jì)可以為將來(lái)嘗試使用緊湊，可控和變形的指尖解決這些問(wèn)題的作品提供參考。”

將來(lái)，由Kan，Zhang和他們的同事設(shè)計(jì)的變形指尖可以集成到許多現(xiàn)有和新開(kāi)發(fā)的類人機(jī)器人上。由于它的成本相對(duì)較低(即制造成本約為5美元，不包括控制板)，因此可以幫助實(shí)現(xiàn)流水線工藝的自動(dòng)化，從而降低了根據(jù)現(xiàn)有夾持器能夠不斷改變產(chǎn)品形狀而產(chǎn)生的成本操作。

盡管由這組研究人員創(chuàng)建的指尖取得了令人鼓舞的結(jié)果，但在將其商業(yè)化之前，仍然需要解決許多問(wèn)題并進(jìn)行測(cè)試。例如，目前，其實(shí)際性能與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型所做的預(yù)測(cè)之間存在差異，Kan，Zhang和他的同事計(jì)劃通過(guò)稍微改變其設(shè)計(jì)和制造過(guò)程來(lái)解決其未來(lái)的工作。

坎和張說(shuō)：“我們計(jì)劃在未來(lái)的研究中重點(diǎn)關(guān)注的另一個(gè)領(lǐng)域是小型化，它使用較小的電動(dòng)機(jī)和更緊湊的結(jié)構(gòu)，以便指尖可以輕松地集成在機(jī)器人的手上。” “此外，目前，該結(jié)構(gòu)在變形方面采用開(kāi)環(huán)控制策略。傳感在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于強(qiáng)大的末端執(zhí)行器起著重要作用，因此我們將來(lái)還將嘗試增加此功能。”

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