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機器人研究雜志上刊登“手掌可動”柔性夾爪,抓取重量可達3kg

時間:2020-07-08 來源:機器人在線 閱讀:5017

末端執行器是機器人機械臂中很重要的一個部位,所以針對它的研究,研究人員開發出很多課題,近期有刊登在國際機器人頂級期刊《國際機器人研究雜志》的一項研究,來自于佛羅里達大學、新加坡科技設計大學、哥倫比亞大學的研究者們共同提出一款新設計的手掌可動的柔性夾爪(soft gripper with active palm)。該夾爪的設計亮點是手掌的可動控制(鮮有研究者將夾爪的手掌設計為可動夾爪)。

研究者在論文中指出,借助于可動的手掌,僅用開環的抓取控制,柔性夾爪可以抓取幾十種形態大小各異的物品。最大可抓取的物品重量可達3kg。同時,該柔性夾爪有著很好的抓取穩定性,當機械臂以15m/s^2的加速度移動時,物體仍然牢牢的被抓著保持不掉落。


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手掌可動柔性夾爪展現強大抓取能力


想讓機器人真正的走入我們的生活中服務大眾,優異可靠的抓取能力顯然是很重要的。抓取,一個看似簡單的,人人都會的動作,對于機器人來說可是一件麻煩事兒。機器人夾爪可以說是機械臂必不可少的一個關鍵部件,它好比人手一樣,作為機械臂的末端執行器,夾爪直接的與機器人的周圍環境相互接觸,執行抓取,轉移,操作物品的任務。有效的,功能強大的夾爪可以提升機器人的抓取性能和操作物品的能力。比較流行的,也相對較實用的夾爪就是二指和三指夾爪了,它們結構簡單,抓取可靠。相對來說,五指仿人機械手雖然靈活,高度仿生,但是毋庸置疑,過多的自由度也讓抓取的運動規劃變得尤為困難。

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常見的幾種機械手:Festo魚骨仿生夾爪、SRT北京軟體機器人圓周可調安裝夾爪


為了提高機械手的抓取性能,大多數研究者都著眼于如何設計更好更靈活的手指,然而有些研究者另辟蹊徑,從其他方面尋求答案,比如讓“手掌”這一大家忽視掉的部位變得可動。今天向大家介紹一款由科學家新研發的柔性夾爪。來自于佛羅里達大學,新加坡科技設計大學,哥倫比亞大學的研究者們共同提出了一款新設計的手掌可動的柔性夾爪(soft gripper with active palm),并且撰文刊登在國際機器人頂級期刊《國際機器人研究雜志》(The InternationalJournal of Robotic Research)上。該夾爪的設計亮點就是手掌的可動控制。


手掌可動柔性夾爪

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如果賦予一款普通的柔性夾爪可動手掌,相當于為夾爪增加了一個額外的抓取的自由度??蓜邮终瓶梢杂行У財U大夾爪的抓取范圍,具體來說,在抓取微小物體時,時激活手掌可以縮小手指之間的間隙,從而實現抓取,在抓取大物體時,激活手掌,可以增加抓取力度,讓抓取變得更穩定,嗯,不得不說這個想法真的是贊呀!


可動手掌擴大了夾爪的抓取范圍

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如圖所示,研究者設計了一款3指的柔性夾爪,手指和手掌都靠真空驅動,和正壓驅動相比,真空驅動的柔性夾爪具有安全,可靠,對材料損耗較低,壽命較長的特點。研究者在論文中指出,借助于可動的手掌,僅僅用開環的抓取控制,柔性夾爪對形狀,大小,重量各異的物體有著絕佳的兼容(compliance)能力,它可以抓取幾十種不同的物品。最大可抓取的物品重量可達3kg。同時,該柔性夾爪有著很好的抓取穩定性。

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據作者在論文中介紹,向其他柔性夾爪一樣,該柔性夾爪可以抓取一些比較脆弱和易碎的物品,例如雞蛋,袋裝薯片,還有高腳杯等,同時借助于可動手掌結構,它也可以抓取很重的物品例如大的扳手和2L的蘇打水等(這點絕大多數柔性夾爪都很難做到)。大家先欣賞一下這款柔性夾爪的抓取性能(文末附有完整視頻)。在下一部分,會詳細介紹這款柔性夾爪的設計以及一些性能測試。論文的基本信息也附在文末。


抓取面包


抓取大包咖啡


抓取酒杯


抓取雞蛋


在論文中,研究者展示他們設計的柔性夾爪可以抓取20多種形態各異的物品,從細小的圓珠筆,到扁平的光碟,以及雞蛋,水果,還有其他一些生活常見日用品,例如酒杯,水瓶等?;旧?,只有你想不到的,沒有它不能抓的(略微夸張了)。


抓取多樣性展示1


抓取多樣性展示2


這款柔性夾爪不僅僅可以兼容抓取很多不同的物品,在抓取重復性,精確性,和抓取穩定性方面也毫不遜色于硬夾爪。下面兩幅動態圖展示了柔性夾爪的重復性和穩定性測試。當機械臂以15m/s^2的加速度移動時,物體仍然牢牢的被抓著保持不掉落。


抓取重復性測試


抓取穩定性測試


柔性手指由真空驅動,研究者設計柔性手指時,采用了分關節的結構設計。在手指內部,有著5個楔形塊充當關節,材料為較硬的軟膠。楔形塊包裹在一個軟而薄的,幾乎沒什么彈性的氣密性薄膜內部,保證了手指不可以伸長,但是不影響手指的彎曲形變。當逐漸抽取手指內部的空氣時,手指便會彎曲變形。

柔性夾爪設計三維圖

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手掌的設計類似于手指,也是由內部的楔形快和外部的彈性薄膜組成。手掌的楔形塊有3個,在對手掌進行抽真空時,楔形塊會靠近彼此,從而手掌產生變形。手掌和手指的加工方式類似,先是注模外部的柔性薄膜,然后注模內部的楔形塊,最后將它們裝配,密封即可。

手掌的注模過程

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通過試驗結果可以明顯看出,手掌在激活和未激活狀態下,柔性夾爪有效地抓取范圍變化是非常大的。這也從一定程度上證明了手掌可動這一簡單結構對于抓取能力的提升十分的幫助。


手掌可動抓取和手掌靜止抓取展示

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研究者對于柔性手指的載荷進行測試,利用不同的材料做柔性薄膜。在相同的負壓下(-98.3kpa)進行拉力測試。根據實驗結果,研究者最終選取了一種名為MoldStar30的材質作為手指包覆薄膜的材料。


手指拉力測試

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為了更好的表征可動手掌結構的抓取效果,研究者進行了抓取負載測試。具體測試方法為,令柔性夾爪抓取圓柱形物體,然后分別從兩個方向(沿著手指方向和垂直于手指方向)對物體進行拉出試驗,所需要的拉力越大,抓取效果越好,越穩定??梢钥闯?,在手掌可動時,夾爪的抓取力要比不可動手掌高出很多,最大差距可以去到15N左右(圖中力的單位是grams)。即手掌可動夾爪的抓取能力要比普通柔性夾爪的抓取能力高達1倍還多一些。

抓取力測試


對于機械夾爪來說,負載能力和抓取適應性時很重要的指標,對于當前的大部分柔性夾爪來說,二者難以兼得。另外,快速的實現穩定的抓取,對于柔性夾爪來說也是一個很大的挑戰。今天介紹的這款利用真空驅動,手掌可動的柔性夾爪很好的兼顧了以上幾個方面的問題,實現了大負載和兼容性并存的抓取效果,同時,這款夾爪也可以實現穩定而可靠的抓取,對于柔性夾爪在實際應用中的發展有著很重要的意義。

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研究者指出,他們設計的柔性夾爪可以很方便的安裝到機械臂上,例如KUKA,UR10等。僅僅通過開環控制就實現了抓取不同形狀,硬度,和重量的物體。在未來的研究中,研究者希望加入閉環控制,能夠測量手指和手掌的形變和接觸應力,從而實現更穩定可靠的抓取。

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