1、論文背景與應(yīng)用前景
隨著機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)和家庭生活中的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人安全操作及非破壞性的抓取和操縱柔性物體變得越來(lái)越重要 [1]。如果機(jī)械手用力過(guò)大，柔軟并且易碎的物體（例如水果，蔬菜或其他非剛性食品）往往會(huì)發(fā)生破裂或變形[2]。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)部門(mén)和食品工業(yè)都急需此類機(jī)器手在實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工生產(chǎn)自動(dòng)化的過(guò)程中進(jìn)一步提G效率，衛(wèi)生和質(zhì)量 [3]。人類工人可以輕松處理涉及到脆弱的產(chǎn)品的操作任務(wù)而不會(huì)壓碎它們，例如抓取，定位，和放置。相比之下，機(jī)器人抓取器在抓住具有不同大小，剛度和形狀的柔軟易碎物體時(shí)會(huì)遇到很大的困難[4]。例如，當(dāng)在接觸點(diǎn)上施加較G的接觸壓力時(shí)，諸如水果之類的天然食品往往會(huì)產(chǎn)生破損[5]。另外，由于天然水果的形狀和成熟度變化，接觸點(diǎn)和抓取器的建模建立將受到J大限制。與此同時(shí)，工業(yè)流水線上的抓取操作還需要十分牢固，以便能夠以G速度進(jìn)行操縱來(lái)提G工作效率。在這之中，機(jī)械手面臨的難點(diǎn)在于如何在柔性物體上施加可控的擠壓力，以及在非穩(wěn)定狀況下確保準(zhǔn)確、穩(wěn)健的抓握與柔性指端操控。                           

圖1 鑲嵌在GR2機(jī)械手上的新型指尖皮膚
在本文中，我們利用柔性和剛性機(jī)器手的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了一種擁有觸覺(jué)傳感（tactile sensing）與可控制形變（active shape-changing）的雙功能指端皮膚。旨在通過(guò)軟體機(jī)器人的特點(diǎn)在保持傳統(tǒng)剛性機(jī)械手可重復(fù)的穩(wěn)定抓握和G精度控制優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，提G其在抓取中的適應(yīng)性與柔性。通過(guò)內(nèi)置的觸覺(jué)傳感器和柔性執(zhí)行器，使該機(jī)械手在抓取（grasping）上的魯棒性和安全性，以及在指尖操作（in-hand manipulation）上的靈活性均得到了J大的提G。同時(shí)，通過(guò)可變形的柔性指端皮膚，達(dá)到柔性的籠式（caging）或者形態(tài)閉合（form-closure）抓取，降低了機(jī)械手在抓取中施加在物體上的壓力。柔性籠式抓取也為易碎物體在G速移動(dòng)的操作過(guò)程中提供了額外的緩沖保護(hù)。

2、系統(tǒng)概述與試驗(yàn)結(jié)果
本文所提出的指尖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮平面抓取運(yùn)動(dòng)，用以驗(yàn)證所提出的觸覺(jué)傳感與可控制形變雙重功能，基于氣動(dòng)的柔性觸覺(jué)傳感與可控制形變?nèi)嵝灾讣馄つw采用硅膠設(shè)計(jì)，用以確保柔性物體的安全抓取與操作。通過(guò)建模創(chuàng)建了兩個(gè)由相同材料硅膠制成的半圓柱形空氣腔，并將其澆鑄在柔軟的指尖內(nèi)部，以進(jìn)行觸覺(jué)傳感和可控制形變。圖2展示了相關(guān)指尖皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單G效，達(dá)到了通過(guò)同一套控制系統(tǒng)進(jìn)行傳感器與執(zhí)行器的整合，J大的縮減了系統(tǒng)的冗余。

圖2 指尖皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，觸覺(jué)傳感與可控形變的氣動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 柔性觸覺(jué)傳感增加靈敏度
通過(guò)測(cè)量與校準(zhǔn)，指端皮膚內(nèi)置的柔性觸覺(jué)傳感在非充氣腔的大測(cè)量范圍約為10N，而當(dāng)充氣腔內(nèi)氣壓達(dá)到50 kPa時(shí)，大測(cè)量范圍將可增加到20 N以上。我們還通過(guò)逐漸減去負(fù)載以評(píng)估遲滯（hysteresis）：充氣壓力0、10、25和40 kPa時(shí)未顯示可見(jiàn)的遲滯。50 kPa時(shí)顯示出較小的遲滯。帶負(fù)載的傳感器輸出在充氣腔壓力0、10、25、 40 和50 kPa下均顯示出十分良好的線性（r2> 0.98）。以1000Hz的采樣率下，系統(tǒng)顯示出小于0.05N的良好靈敏度（充氣壓力0、10、25、40和50 kPa為0.0287N，0.0263N，0.0222N，0.0218N和0.0351N）。額外的濾波可以進(jìn)一步減少信號(hào)噪聲，從而提G指尖的靈敏度和可靠性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該傳感器在對(duì)柔性物體抓取中的靈敏度，我們通過(guò)3D打印制作出不同尺寸的可感知自我形變程度的柔性測(cè)試零件（材質(zhì)為FLX9960-DM，在Object 260 3D打印機(jī)上使用TangoPlus和VeroClear的組合進(jìn)行打印）。
 

圖3 內(nèi)置傳感器的3D打印柔性測(cè)試零件

圖4 抓取機(jī)構(gòu)與觸覺(jué)傳感信號(hào)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該柔性指端傳感器能為物體的抓取提供靈敏的觸覺(jué)反饋，可將對(duì)柔性物體的形變控制在一個(gè)較低的水平之內(nèi)。可以通過(guò)閉環(huán)控制算法控制施加在被抓取物體上的力。


2.2 可控制形變?cè)黾幼ト》�(wěn)定性
在工業(yè)環(huán)境中，將產(chǎn)品從一個(gè)位置拾取并放置到另一位置是十分重要的操作。用機(jī)械手抓取產(chǎn)品并確保產(chǎn)品“跟隨”機(jī)械手的軌跡至關(guān)重要。在僅通過(guò)接觸摩擦力閉合的情況下，抓握通常需要相對(duì)較大的力，這使其不適用于柔軟而易碎的產(chǎn)品。通過(guò)進(jìn)行形狀閉合或籠式抓握，可以顯著提G對(duì)象“跟隨”操縱器而不逃逸的能力。在本實(shí)驗(yàn)中，我們將抓具安裝在UR5機(jī)械臂上，以測(cè)試G速操作過(guò)程中指尖的性能。我們希望，與僅使用硅膠墊的傳統(tǒng)型指尖相比，我們所提出的可控制形變的指尖可以在G速操作下更好地固定抓握物體。

圖5 抓取在UR5G速操作下的實(shí)驗(yàn)
圖5顯示了實(shí)驗(yàn)的設(shè)置。在抓手抓住物體并將其固定在手中之后，對(duì)機(jī)器人手臂進(jìn)行編程，使其以逐漸增加的速度和加速度進(jìn)行正弦運(yùn)動(dòng)。具有活動(dòng)形狀改變能力的新型指尖和僅帶有硅膠墊的傳統(tǒng)型指尖分別與直徑D0 = 10、20、30、40、50 mm的柔軟物體進(jìn)行了測(cè)試。將0.5 N標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)砝碼連接到軟物體的每一側(cè)，以增加額外的初始慣性（如圖9b所示）。根據(jù)機(jī)械手與物體之間的距離變化計(jì)算出的相對(duì)移動(dòng)距離用于評(píng)估抓握的魯棒性。運(yùn)動(dòng)跟蹤攝像機(jī)用于在操作過(guò)程中使用預(yù)先安裝的參考標(biāo)記記錄抓取器和物體的位置。將內(nèi)置傳感器的柔性測(cè)試物體的內(nèi)部壓力變化用作參考，以確保兩種類型指尖向測(cè)試對(duì)象施加相等的力。在每次測(cè)試之前，新型可變形指端皮膚需要主動(dòng)改變指尖的形狀，以確保為具有不同直徑的對(duì)象創(chuàng)籠型抓取。

在視頻中可以看到可控制形變的指端皮膚使柔性物體在G速抓取中的穩(wěn)定性得到了顯著的提升；指端皮膚觸覺(jué)傳感器也確保了對(duì)抓取物體脫手，移位等現(xiàn)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3 可控制形變?cè)黾又付瞬僮鞯撵`活性
如上我們已經(jīng)展示了這種新型柔性指端皮膚在抓握任務(wù)方面的顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)這種柔性指端皮膚也可以提G機(jī)械手在指端操作（in-hand manipulation）的能力。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上的柔軟的指尖在增強(qiáng)抓握柔性物體的能力的同時(shí)，也使得對(duì)這些物體進(jìn)行指端精細(xì)操作J具有挑戰(zhàn)性。難點(diǎn)正在于如何協(xié)調(diào)對(duì)精細(xì)的指端運(yùn)動(dòng)的控制和對(duì)柔軟材料的復(fù)雜不確定性的判斷。通過(guò)我們所提出的柔性指端皮膚，觸覺(jué)傳感和主動(dòng)改變形狀的功能，機(jī)器手的指端靈活性可以得到J大的增強(qiáng)。加壓的氣腔不僅可以充當(dāng)柔軟的觸覺(jué)傳感器，以提供對(duì)指尖位置的閉環(huán)控制并避免物體的損壞，氣動(dòng)調(diào)節(jié)的正壓變形也可以充當(dāng)局部的柔軟抓手，以執(zhí)行額外的平移和旋轉(zhuǎn)。我們對(duì)軟指尖的變形進(jìn)行建模，以預(yù)測(cè)軟物體的手部操縱，并通過(guò)基于所提出的雙重能力的算法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了原有機(jī)械手有限的靈巧度可得到顯著的提G。結(jié)果表明，所引入的方法可以緩解和增強(qiáng)機(jī)械手對(duì)柔軟的物體在平面上的平移和旋轉(zhuǎn)能力，從而在整個(gè)手部工作空間中完成精密任務(wù)，同時(shí)不會(huì)造成損壞。

圖6 指端操作（in-hand manipulation）在可變形皮膚驅(qū)動(dòng)與閉環(huán)觸覺(jué)反饋下的平移與旋轉(zhuǎn)

3. 總結(jié)
這項(xiàng)研究的提出，評(píng)估了一種基于觸覺(jué)傳感和可控形變的新型柔性指端皮膚設(shè)計(jì)概念。該指端皮膚可集成在傳統(tǒng)的機(jī)械手上，用以達(dá)到對(duì)柔軟易損壞物體的抓取與靈活操作。通過(guò)有效改變嵌入式皮膚的形狀，已證明其具有通過(guò)壓力反饋控制多面靈活操作軟物體的能力。借助柔軟的籠式抓取結(jié)構(gòu)，不僅可以提G抓取穩(wěn)定性以進(jìn)行G速操作，還可以減少因慣性而增加的接觸沖擊力（像使用了減震器的緊籠一樣）。

剛性機(jī)械手具有成本低、控制簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度G、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而柔性機(jī)械手由于具有較G的適應(yīng)性和較低的接觸壓力而能夠安全地抓取脆弱物品。我們提出的指端皮膚設(shè)計(jì)結(jié)合了剛性和軟性機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)1）使用剛性機(jī)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確地一般抓握和操縱；2）在局部接觸上應(yīng)用柔性機(jī)構(gòu)制動(dòng)，以保持與物品的安全交互；3）在指尖上集成了軟觸感，以進(jìn)行反饋控制。這種具有雙功能指端皮膚的機(jī)械手，可用于易于瘀傷、撕裂或變形的物品操作，可廣泛用于食品等行業(yè)。

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