軟體機(jī)械手研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

李 雪，房善想，陳 爽，張勤儉,

（1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2.江西理工大學(xué)，贛州 341000）

0 引言

機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問世以來，經(jīng)過了50多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為制造生產(chǎn)自動(dòng)化中重要的機(jī)電設(shè)備[1]。其具有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型[2]、托持型[3]和吸附型[4]等。它能夠模仿人類手部的部分動(dòng)作，按照給定的程序或要求，自動(dòng)地完成物件的傳送或操作作業(yè)機(jī)等動(dòng)作，代替人手完成一些高危、繁重的勞動(dòng)或者進(jìn)行人機(jī)協(xié)作[5]。

衡量一個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)水平的重要標(biāo)志是抓取可靠，控制簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性好，自適應(yīng)性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠快速精確的抓取[6]。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械手通常由剛性部件和剛性接頭構(gòu)成[7]，有限的自由度，使其只能用來執(zhí)行單一任務(wù)，缺乏環(huán)境的適應(yīng)性。并且，傳統(tǒng)的機(jī)械手大多由金屬材料制作而成，與被抓持物體之間一般是剛性接觸，缺乏必要的柔順性，人機(jī)交互是不安全的，在很大程度上限制了其通用性和靈活性。缺乏通用性和靈活性的傳統(tǒng)機(jī)械手已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)市場(chǎng)的要求，人們正在努力研究出具有多個(gè)自由度的，適應(yīng)性強(qiáng)的通用機(jī)械手。

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，3D打印技術(shù)[8]和新型智能材料[9]發(fā)展成熟，軟體機(jī)械手作為熱門領(lǐng)域迅猛發(fā)展。其概念區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械手，設(shè)計(jì)靈感往往來自于自然界的生物，如蚯蚓[10]、海星[11]和章魚[12]等，如圖1所示。軟體機(jī)械手運(yùn)用橡膠[13]、形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）[14]和智能材料[15,16]等柔性材料的天然柔順性，降低控制的復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)其良好的靈活性以及與人、環(huán)境的安全交互性，有著十分廣闊的研究和應(yīng)用前景。

軟體機(jī)械手作為新興領(lǐng)域，必然會(huì)出現(xiàn)許多新型的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的制造方式已經(jīng)不能滿足要求。新的設(shè)計(jì)，需要新的制造工藝。目前其驅(qū)動(dòng)方式主要有物理驅(qū)動(dòng)和化學(xué)驅(qū)動(dòng)。物理驅(qū)動(dòng)主要包括氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、拉線驅(qū)動(dòng)等?；瘜W(xué)驅(qū)動(dòng)，指通過化學(xué)燃料等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[17]。其中，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)憑借其質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，深受研究學(xué)者們的喜愛。任何事物都有兩面性，軟體機(jī)械手天然的柔順性，也限制了其施加在環(huán)境上的力。開發(fā)剛度可變的機(jī)械手，成為了科學(xué)家們的研究重點(diǎn)，本文主要針對(duì)軟體機(jī)械手常用材料和制造技術(shù)、氣動(dòng)軟體機(jī)械手、剛度可變軟體機(jī)械手的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。最后，對(duì)軟體機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域及未來可能的發(fā)展進(jìn)行展望。

圖1 不同類型的軟體機(jī)器人

1 柔性材料與制造技術(shù)

1.1 柔性材料

軟體機(jī)械手顧名思義，通常是由硅橡膠[18,19]、凝膠[20]、軟聚合物[21]等易變形、高彈性的材料構(gòu)成。柔性材料的柔順性使軟體機(jī)械手在執(zhí)行抓取任務(wù)時(shí)，不會(huì)損壞物體或留下痕跡，為易碎品的抓取，與人的安全交互提供了很大便利。雖然，軟材料存在這些優(yōu)點(diǎn)，但是其非線性響應(yīng)、疲勞強(qiáng)度和制造方式等方面仍存在很大挑戰(zhàn)。為了推進(jìn)軟體機(jī)械手領(lǐng)域的發(fā)展，應(yīng)著重開發(fā)集傳感、驅(qū)動(dòng)和通信等與一體的智能軟材料或強(qiáng)度更高、質(zhì)量更輕的新型材料。

1.2 制造技術(shù)

利用柔性材料的柔順性和靈活性，可以制造出控制簡(jiǎn)單、高度自適應(yīng)，并且能與人類和環(huán)境安全交互的軟體機(jī)械手[22]。同時(shí)，為了達(dá)到商業(yè)化，軟體機(jī)械手的制造必須是廉價(jià)的并且能夠大量的生產(chǎn)。與傳統(tǒng)機(jī)械手使用螺栓螺母等剛性部件連接不同，軟體機(jī)械手材料之間的結(jié)合更多的是通過鑄造、層壓或使用粘合劑等方式[23]。這就使得我們必須開發(fā)新的材料和新的制造技術(shù)。

1.2.1 失蠟鑄造

軟材料的失蠟鑄造是制造軟體機(jī)器人最簡(jiǎn)單、最常用的方法之一[24]。使用這種方法可以加工復(fù)雜的腔室，并且由于可擴(kuò)展層和不可擴(kuò)展層是一個(gè)整體，避免了粘結(jié)不同材料、不同部分不可靠等問題，可以提高機(jī)器人的強(qiáng)度。同時(shí)，由于制造周期短，可以降低軟體機(jī)器人的制造成本。

1.2.2 軟光刻技術(shù)

軟光刻技術(shù)最早是1993年由美國(guó)哈佛大學(xué)的Whitesides研究小組發(fā)現(xiàn)的一種新的微圖形復(fù)制技術(shù)[25]，它具有方便有效、成本低廉等特點(diǎn)。軟光刻的關(guān)鍵技術(shù)主要有彈性模、微印刷技術(shù)和溶劑輔助成膜等[26]，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、傳感器、MEMS、微電子以及生物技術(shù)領(lǐng)域。哈佛大學(xué)Shepherd等人[27]發(fā)明的以爆炸的方式驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人，就是使用的這種軟光刻技術(shù)。

1.2.3 形狀沉積制造

形狀沉積制造起初是用于金屬材料的快速成型，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于軟體機(jī)器人的生產(chǎn)制造。它是一種結(jié)合材料沉積和機(jī)械加工的過程，是一種分層制造技術(shù)，因此在制造過程中可以嵌入傳感器和電路等各種部件[28]。這就使得許多不能夠單獨(dú)使用材料添加或材料去除工藝的復(fù)雜的新型結(jié)構(gòu)，可以使用形狀沉積制造來完成[29]。

1.2.4 3D打印

3D打印技術(shù)是基于離散/堆積原理的增材制造技術(shù)[30]。相比于傳統(tǒng)的加工技術(shù)，3D打印能夠快速成型、自定義設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使得制造過程更快、更便宜、更簡(jiǎn)單[31]。3D打印技術(shù)還可以將所有執(zhí)行器組件結(jié)合到單一結(jié)構(gòu)中，且無(wú)需使用外部接頭、粘合劑和緊固件等[32]，大大減少后處理步驟和制造時(shí)間，使得軟體機(jī)器人的制造成本能夠與傳統(tǒng)機(jī)器人相競(jìng)爭(zhēng)[33]。王輝等人借鑒軟體生物的靜水骨骼結(jié)構(gòu)，結(jié)合3D打印與多次鑄模成型技術(shù)，以氣體為壓力介質(zhì)，提出了一種完全采用柔性材料和結(jié)構(gòu)的軟體手指模型[34]。

2 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)械手

軟體機(jī)械手憑借其靈活性、安全性以及復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)，受到了研究人員的關(guān)注，并且正在迅猛發(fā)展。目前其驅(qū)動(dòng)方式主要分為物理驅(qū)動(dòng)和化學(xué)驅(qū)動(dòng)。物理驅(qū)動(dòng)主要包括氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、拉線驅(qū)動(dòng)等。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)械手，具有質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，最重要的是，他們可以通過簡(jiǎn)單的輸入，產(chǎn)生復(fù)雜的非線性運(yùn)動(dòng)。日本岡山大學(xué)軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室早在1989年就提出了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)械手[35]。目前，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)械手主要分為兩大類，氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)軟體機(jī)械手和纖維增強(qiáng)型軟體機(jī)械手。

2.1 氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)軟體機(jī)械手

哈佛大學(xué)Whitesides研究小組通過將一系列重復(fù)的平行室和通道嵌入彈性體，研制出基于PneuNets（氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)）的執(zhí)行器[36～39]。該執(zhí)行器由兩部分組成，可擴(kuò)展層和不可擴(kuò)展層。工作時(shí)，對(duì)內(nèi)部腔室加壓，腔室膨脹，但是應(yīng)變限制層不膨脹，由于這種差別應(yīng)變，導(dǎo)致執(zhí)行器彎曲。PneuNets氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)又分為慢速氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（SPN）、快速氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（FPN）和蜂窩氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（HPN）。

2.1.1 慢速氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器在加壓時(shí)，剛度最低部分優(yōu)先膨脹。在均質(zhì)彈性體中，壁厚最薄區(qū)域?yàn)閯偠茸畹筒课?。慢速氣?dòng)網(wǎng)絡(luò)（SPN）[40]的兩個(gè)腔室之間由一個(gè)內(nèi)壁相連且內(nèi)壁厚于外壁，當(dāng)向腔室內(nèi)加壓時(shí)，剛度最低的外壁優(yōu)先膨脹并且拉伸內(nèi)壁，導(dǎo)致整個(gè)致動(dòng)器的彎曲，其原理如圖2(a)所示。

圖2 兩種氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基本原理[41]

2.1.2 快速氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

相比于慢速氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（SPN）[41]，快速氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展層的每個(gè)腔室內(nèi)壁之間增加了間隙，并且其內(nèi)壁比外壁更薄。當(dāng)向內(nèi)部充入氣體時(shí)，內(nèi)壁由于剛度低，優(yōu)先膨脹，減小了外壁上的壓力。另外，由于腔室之間相互緊鄰，內(nèi)壁膨脹，使其相互推壓，導(dǎo)致了可擴(kuò)展層長(zhǎng)度方向優(yōu)先變化，其原理如圖2(b)所示。

2.1.3 蜂窩氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

同校使用氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)原理的還有中國(guó)科技大學(xué)的Hao Jiang等[42]人設(shè)計(jì)的蜂窩氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（HPN）軟體機(jī)械手。蜂窩氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（HPN）[43～45]是將壓縮蜂窩結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起。蜂窩氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（HPN）結(jié)構(gòu)具有六角形腔室，一個(gè)平面內(nèi)有兩列蜂窩氣動(dòng)網(wǎng)單元，每個(gè)單元有兩個(gè)安全氣囊，當(dāng)一側(cè)的氣囊膨脹時(shí)，該側(cè)面伸長(zhǎng)，而另一側(cè)由于結(jié)構(gòu)的彈性，表現(xiàn)出較小的變形，因此蜂窩氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（HPN）軟體機(jī)械手發(fā)生彎曲。其具備壓縮蜂窩結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的靈活性和承載能力，如圖3所示。

圖3 蜂窩氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)軟體機(jī)械手[42]

2.2 纖維增強(qiáng)軟體機(jī)械手

纖維增強(qiáng)軟體機(jī)械手[46～48]是由彈性體（硅膠等）和不可伸展材料（纖維等）構(gòu)成的，彈性體被不可伸展的纖維等纏繞。當(dāng)彈性體被加壓時(shí)，由于周圍有不可延伸的纖維，限制其徑向膨脹，使其只能沿軸向擴(kuò)張。彈性體中含有不可擴(kuò)展層，導(dǎo)致軟執(zhí)行器一側(cè)發(fā)生軸向擴(kuò)張，另一側(cè)不發(fā)生擴(kuò)張，產(chǎn)生彎曲運(yùn)動(dòng)。德國(guó)的Raphael Deimel[49]提出了一種高度兼容的、欠驅(qū)動(dòng)的靈巧擬人手。它是由纖維增強(qiáng)硅橡膠制成的，使用了高度兼容的氣動(dòng)連續(xù)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，稱為PneuFlex[50]。哈佛大學(xué)的Panagiotis Polygerinos等人[51]通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了纖維增強(qiáng)型軟體機(jī)械手在自由空間中彎曲的準(zhǔn)靜態(tài)分析和有限元方法模型，并對(duì)其運(yùn)行原理進(jìn)行了全面的分析和描述。Joshua Bishop-Moser等人[52]通過纖維增強(qiáng)彈性體外殼構(gòu)建了蛇形軟體機(jī)械手，該彈性體由兩種纖維和一種附加纖維加強(qiáng)，然后通過改變?nèi)菁{在內(nèi)的流體的體積來驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)械手。

2.3 其他氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)械手

康奈爾大學(xué)的有機(jī)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)出一種由開孔彈性體泡沫制作成的泡沫機(jī)械手[53]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。對(duì)于泡沫機(jī)械手，流體通道以相互連接的孔網(wǎng)格的形式存在，避免了復(fù)雜的制造方式。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄭俊君等[54]在研究海參靜水骨骼基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)靜壓軟體機(jī)器人氣囊相變結(jié)構(gòu)。并且提出了單單元與雙單元的控制模式，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在不同環(huán)境下的最優(yōu)控制。南京理工大學(xué)徐淼鑫等，通過對(duì)軟體生物結(jié)構(gòu)和功能的分析與借鑒，設(shè)計(jì)了一種新型的軟體機(jī)械手[55]，該軟體機(jī)械手通過氣囊的變形和手指的變形，共同完成對(duì)物體的抓取。

圖4 開孔彈性體泡沫軟體機(jī)械手[53]

3 剛度可變軟體機(jī)械手

軟體機(jī)械手的柔順性，限制了其施加在環(huán)境上的力。當(dāng)軟體機(jī)械手在執(zhí)行抓取重物或按壓開關(guān)等動(dòng)作時(shí)，由于其剛度不足，可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作失敗，從而限制了其抓取范圍。軟體機(jī)械手多以自然界中的生物為模型進(jìn)行研究，肌纖維是獨(dú)特的生物組織，通過刺激可以對(duì)負(fù)載做出反應(yīng)，改變身體剛度，從低剛度（被動(dòng)）狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高剛度（主動(dòng)）狀態(tài)[56]。研究人員希望其能夠像自然界中的生物一校，在低剛度是發(fā)生形變，以適應(yīng)不同的物體，在高剛度時(shí)操縱物體并承受較大載荷。目前，實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)械手可變剛度的方法，可以分為兩大類：主動(dòng)和半主動(dòng)[57]。

3.1 主動(dòng)變剛度軟體機(jī)械手

形狀記憶材料（Shape Memory Materials，SMM）[58,59]，通過誘導(dǎo)相變，在塑性變形后恢復(fù)預(yù)定的幾何形狀。香港大學(xué)的yangyang等人[60]通過為氣動(dòng)軟體機(jī)械手增加由四個(gè)聚乳酸（Polylactic acid，PLA）鏈段與三個(gè)形狀記憶聚合物（Shape Memory Polymer，SMP）關(guān)節(jié)組成的基底，在每個(gè)SMP接頭中都有一個(gè)集中的加熱元件，當(dāng)SMP接頭被加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以上時(shí)，它們顯示出非常小的剛度，此時(shí)上部的彈性部分充入氣體，則手指在SMP接頭處很容易地發(fā)生彎曲。當(dāng)軟體機(jī)械手沒有力時(shí)，SMP中的形狀恢復(fù)應(yīng)力使手指恢復(fù)原狀，增加了軟體機(jī)械手剛度的可控性和彎曲位置的可控性，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

電活性聚合物（EAP），在應(yīng)用電場(chǎng)時(shí)，聚合物承受變形。Jun Shintake等人設(shè)計(jì)了一種通過電粘附和介電彈性體驅(qū)動(dòng)的通用軟體機(jī)械手[61]，該軟體機(jī)械手的柔順性幾乎允許自動(dòng)適應(yīng)任何形狀。由于是通過靜電驅(qū)動(dòng)，夾持力低，允許夾持非常脆弱的物體，同時(shí)電粘附力也可以拾取平坦且可變形的物體。

腱驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，通過流體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)械手中的腱，通過改變腱的位置來調(diào)節(jié)剛度。北京航空航天大學(xué)文力等，設(shè)計(jì)出一個(gè)四指柔軟的機(jī)器人抓手，其通過選擇性的放置腱，機(jī)械的改變手指充氣和放氣的區(qū)域，使其能夠抓取不同的物體[62]。

圖5 剛度可變軟體機(jī)械手[60]

3.2 半主動(dòng)變剛度軟體機(jī)械手

通過干擾獲得的可變剛度軟體機(jī)械手，響應(yīng)速度快，操作簡(jiǎn)單，但由于需要輔助設(shè)備如泵和閥門來產(chǎn)生干擾效應(yīng)，使得干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。香港大學(xué)的Yingtian Li[63]、倫敦國(guó)王學(xué)院的Allen Jiang[64]、德國(guó)柏林大學(xué)的Vincent Wall[65]等人，正在研究通過干擾，提高其剛度變化范圍，從而增大其抓取范圍，同時(shí)不增加控制的復(fù)雜性。

干擾是一種物理過程，顆粒或片材等較小的碎片組成的材料，由柔性狀態(tài)變?yōu)轭愃乒腆w的狀態(tài)的過程。根據(jù)其干擾材料不同又可以細(xì)分為顆粒干擾[66]和層干擾[67]，基本原理如圖6所示。并且，層干擾比顆粒干擾可以更有效地利用可用的體積，增大了剛度變化范圍，但是，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造起來更加麻煩，所以目前更多采用粒子干擾。

圖6 干擾基本原理

粒子干擾又分為真空粒子干擾、流變性干擾、外部壓力干擾和重力干擾，其基本原理如圖7所示。目前，應(yīng)用最多的是前三種，還沒有研究人員將重力粒子干擾應(yīng)用于軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)。

圖7 不同干擾方式原理[63]

3.2.1 真空粒子干擾型半主動(dòng)變剛度軟體機(jī)械手

當(dāng)粒子層處于真空狀態(tài)時(shí)，與外部環(huán)境形成壓力差，對(duì)顆粒產(chǎn)生擠壓作用，使粒子層內(nèi)顆粒堆積變硬，從而提高軟體機(jī)械手的剛度[68]。目前，美國(guó)的 Empire Robotic公司，已經(jīng)生產(chǎn)出基于顆粒材料真空阻塞相變的新型通用夾持器Versaball gripper。其可以適應(yīng)物體的大小和形狀，并且穩(wěn)定的抓取或者移動(dòng)物體。但是其也有局限性，它是通過按壓在物體上，接觸部位發(fā)生形變，來適應(yīng)并抓取物體的，所有的幾何變化都要在抓取的目標(biāo)物體上，并且也不能夠發(fā)生彎曲變形。

3.2.2 流變性粒子干擾型半主動(dòng)變剛度軟體機(jī)械手

在密閉的空間內(nèi)均勻的分布對(duì)特定的感應(yīng)作出響應(yīng)的粒子，通過施加外部的電場(chǎng)或磁場(chǎng)，粒子按照感應(yīng)場(chǎng)的模式重新排列[69～71]。由電場(chǎng)或磁場(chǎng)引起的粒子之間的相互作用力迫使粒子發(fā)生相互擠壓，從而增加其整體的剛度。但是目前采用這種流變性粒子干擾原理的較少，因?yàn)樗韬芏嗟妮o助設(shè)備，來為其提供電場(chǎng)或磁場(chǎng)，這就使得機(jī)器人的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，同時(shí)也帶來很多安全問題。

3.2.3 外力粒子干擾型半主動(dòng)變剛度軟體機(jī)械手

粒子被包裹在特定的干擾層內(nèi)，當(dāng)外部向其施加壓力時(shí)，干擾層內(nèi)的顆粒被動(dòng)卡住。倫敦國(guó)王學(xué)院的Allen Jiang等人，通過將粒子干擾加入到McKibben執(zhí)行器中，使McKibben執(zhí)行器可以沿著長(zhǎng)度方向獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)，軟化或者硬化關(guān)節(jié)，應(yīng)用于外科手術(shù)中。香港大學(xué)的Yingtian Li等人，將它與Pneuflex氣動(dòng)彎曲執(zhí)行器結(jié)合，軟氣動(dòng)執(zhí)行器膨脹，使手指彎曲，對(duì)粒子層施加壓力，使內(nèi)部顆粒堵塞，從而增加手指剛度，原理如圖8所示。但是其彎曲運(yùn)動(dòng)的范圍是有限的，并且由于顆粒的流動(dòng)性會(huì)使夾具剛度的穩(wěn)定性受到影響。

圖8 基于外力粒子干擾軟氣動(dòng)執(zhí)行器原理[63]

3.3 其他可變剛度軟體機(jī)械手

由于低熔點(diǎn)材料（LMPM）[72]熔融溫度低，可以快速獲得相變；電磁和流變材料（ERM/MRM）[73,74]嵌入磁性粒子或帶電粒子的材料，當(dāng)受到外部磁場(chǎng)或電場(chǎng)的影響時(shí)，粒子間會(huì)產(chǎn)生相互作用，抗變形能力增強(qiáng)。日本學(xué)者Jun-ya Nagase等人開發(fā)出一種肌腱驅(qū)動(dòng)剛度可變的軟體機(jī)械手，通過調(diào)節(jié)輸入壓力可以改變表面剛度，從而改變靜摩擦系數(shù)，以適應(yīng)抓取[75]。

4 軟體機(jī)械手的應(yīng)用

4.1 醫(yī)療領(lǐng)域

4.1.1 輔助康復(fù)

在我們的日常生活中，喪失手部功能，使我們的生活變得非常不方便。通常，進(jìn)行手部康復(fù)治療的患者需要進(jìn)行重復(fù)性練習(xí)，這種方法價(jià)格昂貴，且需要長(zhǎng)時(shí)間的物理治療師的訓(xùn)練[76]。Panagiotis Polygerinos等人，為需要手部功能康復(fù)的患者，研發(fā)了一款基于氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（PneuNets）的可穿戴式氣動(dòng)康復(fù)手套[77]。它由彈性體材料組成，可以安全地符合人手指彎曲運(yùn)動(dòng)，避免了昂貴的、需要長(zhǎng)時(shí)間的物理治療。YAP等人通過柔性塑料片的熱粘合制造研制出了一款嵌入式氣動(dòng)軟體手套[78]，來幫助中風(fēng)患者握緊拳頭的康復(fù)訓(xùn)練。該軟體手套是采用柔性ESD塑料片制成的氣動(dòng)柔性執(zhí)行器，充氣時(shí)產(chǎn)生沿手指的均勻分布的力量，輔助彎曲。軟體機(jī)械手，由于具有良好的人機(jī)交互性，正在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域快速發(fā)展。

4.1.2 微創(chuàng)手術(shù)

近年來，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到醫(yī)療手術(shù)領(lǐng)域，為患者帶來許多好處，例如降低感染風(fēng)險(xiǎn)、恢復(fù)時(shí)間短、創(chuàng)口小等。但是由于手術(shù)機(jī)器人都是由剛性材料制成的，存在組織損傷等潛在危險(xiǎn)。Rateni G等人[79]，提出了一種完全由彈性材料制成的新型軟體機(jī)械手，用于微創(chuàng)手術(shù)。由于是由軟材料制造而成的，不需要使用復(fù)雜的力反饋控制，最大程度的避免可能的損傷。A Diodato等人[80]通過將軟體機(jī)器人與傳統(tǒng)的剛性工具協(xié)同使用，提高了機(jī)器人系統(tǒng)的功能，并且不會(huì)影響機(jī)器人平臺(tái)的可用性。

4.1.3 仿生假手

隨著微型傳感器、電子皮膚等技術(shù)的發(fā)展，仿生軟體機(jī)械手的研究吸引了越來越多研究者的目光?？的螤柎髮W(xué)的Huichan Zhao等人[81]，發(fā)明了一種新型的仿生軟體機(jī)械手，它可以像人手一校觸摸易碎品，還能夠感知其形狀和質(zhì)地。該假手使用導(dǎo)光材料，內(nèi)部嵌有可彎曲波導(dǎo)和可攜帶光波的導(dǎo)管，通過3D打印和四步軟光刻技術(shù)制造，使其更接近人手，并且由于假手依靠光信號(hào)，可以使用更加便宜的材料制作，使假手的價(jià)格更加便宜。

4.2 操作抓取

抓取物體是機(jī)械手的關(guān)鍵任務(wù)，而開發(fā)出能夠抓取不同形狀和表面性質(zhì)的通用夾具是研究學(xué)者們近年來的研究課題。Robert F. Shepherd等人，研制出一種褶皺的波紋管狀軟體機(jī)械手[82]，該軟手通過褶皺進(jìn)行布局，可以增加參與制動(dòng)的體積并且可以允許大幅度運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，當(dāng)執(zhí)行器被鋒利的物體刺穿時(shí)，可以圍繞孔自發(fā)的形成軟密封，使執(zhí)行器可以繼續(xù)正常的工作。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué) Hai-Jun Su 等人研制了一款嵌入式形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動(dòng)器和壓電換能器（Piezoelectric Transducer, PZT）撓曲傳感器的軟體機(jī)械手，該軟體機(jī)械手可以在復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用以及安全的和人進(jìn)行交互[83]。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，單一的機(jī)械作業(yè)或人工作業(yè)已經(jīng)不能滿足發(fā)展的需求，人機(jī)協(xié)同作業(yè)的發(fā)展成為必然趨勢(shì)，而由柔性材料制作的軟體機(jī)械手，憑借其靈活性和安全性，為人機(jī)協(xié)作的發(fā)展提供了有效助力。同時(shí)，軟體機(jī)械手是一個(gè)包含材料、機(jī)械、傳感器等多學(xué)科的新興領(lǐng)域，對(duì)它還需要進(jìn)一步的探索。

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式憑借其便宜、清潔、易獲取等特點(diǎn)，成為了絕大多數(shù)軟體機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。目前，以氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)械手都是采用外部氣動(dòng)元件進(jìn)行供氣，所需空間大，有更多的限制。在今后的研究中，內(nèi)置氣源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)將是研究的重點(diǎn)。

對(duì)于軟體機(jī)械手已有的研究，無(wú)論是氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)軟體機(jī)械手，還是纖維增強(qiáng)型軟體機(jī)械手，都能通過簡(jiǎn)單的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多功能性，但同時(shí)也面臨著抓持較大物體和需要較大夾持力的挑戰(zhàn)。且軟體機(jī)械手越來越多的應(yīng)用由高度可變形材料制成的傳感器，與傳統(tǒng)的傳感器相比其響應(yīng)的遲滯性，嚴(yán)重影響了使用范圍。

軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)靈感，大多來自自然界的生物，未來軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)必將與生物材料更加緊密的聯(lián)系到一起，將驅(qū)動(dòng)設(shè)備嵌入執(zhí)行器，使其小型化和集成化，可以簡(jiǎn)化軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)。同時(shí)，應(yīng)更多的結(jié)合兩種或多種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，例如吸盤與氣動(dòng)軟體機(jī)械手，使抓取范圍更廣；軟傳感器應(yīng)更多的與深度學(xué)習(xí)等相結(jié)合，提高其使用性能與范圍。最后，軟體機(jī)械手想要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，必須對(duì)軟光刻、3D打印等制造技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，以降低軟體機(jī)械手的制造成本且能夠大量的生產(chǎn)以滿足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。