導讀
剛性抓手結構堅固，響應快，但是缺乏適應性。軟體抓手柔軟，安全，適應性極強，相比於前者，它更適用於我們日常生活中的場景。但是軟體抓手也有它的局限性，例如需要被系留於複雜笨重的硬體系統（氣泵，氣閥等），另外，軟體抓手的抓取負載也較小。為了解決這一問題，來自於燕山大學的姚建濤教授研究小組近日開發了一款無系留（untethered）的軟體抓手，稱之為UHL（Untethered High-Load）軟體抓手，將氣動系統，控制系統集成到了抓手模塊上，總體重量為1.5kg。值得注意的是，基於仿生纏繞原理設計，UHL軟體抓手可以抓取超過自己重量26倍的物體（40kg），其抓取重量甚至超過了很多剛性抓手。該研究成果近日發表於國際著名機械類期刊《Mechanism and Machine Theory》上。
氣動無系留軟體抓手抓取負載40kg
抓手（末端執行器）是機器人和環境發生交互的關鍵部件，包括抓取和操作各種各樣的物品。剛性抓手結構堅固，速度快，抓取力度大，抓取可靠，但是缺乏適應性，常常被用於固定場景的工件的抓取和裝配等。軟體抓手柔軟，安全，適應性極強，但是抓取精度相對較低，抓取力度較小，相比於剛性抓手，更適用於我們日常生活中的一些應用場景，例如服務機器人。近年來，軟體抓手受到機器人學家的親賴，研發可靠又實用的軟體手當下已經成為工業界和學術界的熱門研究方向。其中，氣動的軟體手鑑於其低廉的價格，較大的抓取力度而頗受青睞。
圖2 幾種典型的軟體抓手
雖然氣動軟體抓手具有優越的適應性和安全性，如圖中所展示的抓取柔軟的海洋生物，抓取雞蛋，蔬菜等脆弱而形狀各異的物體。但大多數氣動軟體手都有一個不得不面對的硬傷，就是需要接到一個氣泵上，很大程度上限制了氣動軟體手的實用性，尤其是安裝到移動機器人上的時候非常的不方便。
來自於燕山大學的研究者們近日提出了一種新型的軟體抓手，命名為UHL（untethered high-load）軟體氣動抓手。這款UHL抓手通過巧妙的機械設計，將氣泵，電池，控制器，傳感器等集成到了軟體抓手模塊上，該軟體抓手重量僅為1.5 kg。藉助於研究者提出的一種新型的仿生設計的纏繞抓取原理，UHL抓手的載荷也非常的驚人，達到自身重量的26倍（40kg），甚至超過了一些傳統的剛性抓手。該研究成果近日發表於國際著名機械類期刊《Mechanism and Machine Theory》上，第一作者李海利、通訊作者姚建濤。
圖3. UHL軟體抓手
小編先帶大家看一些這款UHL抓手的應用展示，在下一部分為大家介紹抓手的機械設計和一些相關測試。（文末附有完整的視頻，感興趣的不要錯過喔！）
UHL軟體抓手抓取物體並且隨意揮動。
圖4. 抓取電鑽並且切換姿態
UHL軟體抓手可以牢牢地抓住羽毛球拍，並且以高速揮動（1.5m/s）而不掉落，簡直是一個喜歡打羽毛球的superstar。
圖5. 抓取和揮動羽毛球拍
UHL抓手載重抓取展示，抓起18kg的桶裝水，小編看到這個展示驚呆了，印象裡，軟體抓手能抓5kg的物體就不錯了！就算是成年人抓起桶裝水都頗為費力！別急，這還遠遠沒有達到UHL抓手的極限。
圖6. 負載能力展示18kg重的桶裝水，已經很猛了！
UHL抓手抓取展示，抓取30kg的啞鈴，小編驚呆了，軟體抓手還能抓取這麼重的東西？稍安勿躁，還有更猛的！
圖7. UHL負載能力展示抓取30kg，這還是軟體抓手嗎？
終極展示！抓取40kg重的啞鈴。如此出眾的抓取能力已經完全的讓小編驚呆。可以說這樣的負載能力已經遠遠超過一些剛性抓手的負載能力。
圖8. 負載能力展示抓取40kg啞鈴片，幾乎相當於一個體重較輕的人！
軟體抓手的原理和測試
UHL抓手是基於燕山大學的研究者早前提出的一種仿生的纏繞原理（常見於蛇類）軟體抓手，但是上一代的設計還需要連接到一個氣泵，一定程度上限制了軟體抓手的便攜性和工作空間。在最新的這個研究中，研究者著眼於實現無系留的軟體抓手設計，也相應做出了一些改進和創新。
圖9. 蛇類的纏繞抓取獵物
UHL軟體抓手由兩部分組成，抓取系統和控制系統。抓取系統是由塑料薄膜管制成的氣動肌肉構成，研究者用塑料薄膜管代替彈性管的原因是為了減小管壁彈性變形造成的氣壓損失，從而減小對於較大氣壓的需求。氣動肌肉處於一種纏繞安置的狀態，外部有一個軟體的約束，同時連接到一個3d列印的連接件。通過控制氣動肌肉的充氣和放氣，可以實現軟體抓手的抓取和釋放。
圖10. 軟體抓手的結構設計
為了將全部模塊都包含於UHL軟體抓手內部，研究者特別設計了一套控制系統，包含了一個微型氣泵，一個定製的控制器，一個電池，還有兩個電磁閥（進氣和充氣）。氣泵的尺寸為120x60x60mm，重約260g，氣泵的流量約為13L每分鐘。氣泵可以提供的正壓力約為0.08Mpa，負壓力約為-0.05Mpa。控制系統位於軟體抓手的上部，集成以後，整個UHL抓手的重量僅僅為1.5kg。UHL由一塊800mh，11V的鋰電池供電，一次充電可以讓UHL抓手至少開合300次。當能源耗盡以後，可以很方便的充電。
圖11. 軟體抓手的控制系統結構
在自然狀態下，氣動肌肉處於被摺疊的狀態，在充氣後，它會沿著軸線收縮，同時徑向膨脹。由於氣動肌肉固定在柔性殼上，在收縮的時候，帶動擠壓柔性外殼從而將抓手中的物體包裹起來。研究表明，藉助於纏繞抓取的設計，僅僅在0.08Mpa的氣壓下，抓手就已經可以實現大載荷的抓取了（詳細的分析請參照論文原文）。
圖12. 軟體抓手的抓取原理展示
圖13. UHL抓手的理論模型
研究者設計了一系列的測試來檢測UHL抓手的性能。包括可抓取物品的尺寸測試，以及抓取的載荷。UHL抓手完全閉合和開啟分別需要5秒鐘的時間，所以一個抓取周期約為10s。最小的可抓取物品直徑為22mm，最大為90mm。
圖14. 軟體抓手的開合變形
研究者也測試了UHL抓手不同方向的抓取力，包括垂直方向和水平方向。將一個測試物體連接到一個測力計上，通過拉脫實驗來測試最大的拉脫力是多少。
圖15. 軟體抓手的抓取力測試
通過試驗測試得知，儘管氣動系統只能提供0.08Mpa 的氣壓，抓取負載最高可達抓手自重的26倍。如此出眾的抓取能力讓UHL抓手在很多場景中都能大顯身手。
圖16. 軟體抓手的抓取力結果
為了進一步展示UHL軟體抓手的實用性，研究者用UHL軟體抓手抓取了不同形狀，材料以及硬度的物品。包括重達18kg的礦泉水桶，40kg的啞鈴，還有一些生活中常見的電鑽，以及羽毛球拍。鑑於其優秀而穩固的抓握能力，UHL軟體抓手甚至可以抓取並且以1.5m/s的速度揮動羽毛球拍。
圖17. 不同的物品抓取測試
另一個讓人眼前一亮的應用場景便是將UHL抓手安裝於無人機的底部，抓取了羽毛球拍和網球。由於它具有較高負重比（26：1），可以讓裝有UHL抓手的無人機的抓取能力得到很大的提升。
圖18. 軟體抓手安裝在無人機上進行測試
總結與展望
整體來說，UHL抓手展示了驚人的負載能力，以1.5kg的自重抓起了40kg的物品，哪怕是剛性抓手都望塵莫及。但是，現在UHL還有一些限制，例如受到微型泵的流量限制，抓手的開合速度比較低。研究者指出，開發一些關鍵零部件可以很大的提升UHL抓手的效率。
軟體抓手柔軟，適應性強，能抓取各種各樣的物體，因此，實現軟體抓手的無束縛設計是非常有價值的。在未來，研究者指出他們計劃進一步縮小UHL抓手的體積，同時利用預充氣體的原理來實現高速抓取。小編希望在不久的將來能夠看到一款更加迷你和快速響應的UHL抓手。同時也希望能夠啟發相關的研究者，研發新型的實用的軟體抓手。