家用柔性機械手設(shè)計

郝子宜　李金帥　徐漢斌

摘要：隨著家用機器人的普及，機械手的實用性以及柔軟性直接影響機器人的使用性能，設(shè)計一種家用柔性機械手，對傳統(tǒng)機械手進行性能提升。設(shè)計一款柔性機械手，主要由手指開合裝置、海綿吸盤、柔性貼合吸盤、柔性氣囊組成。模仿人手指關(guān)節(jié)、皮膚的運動原理進行物體抓取。大幅改良此類機械產(chǎn)品的性能。此柔性機械手柔和性及適應(yīng)性適合家用環(huán)境。柔性機械手在生活中發(fā)揮的重要作用將越來越被人關(guān)注，未來市場需求會與日俱增。

關(guān)鍵詞：柔性機械 模擬人手 皮膚貼合 模式切換

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）03-0099-03

引言

近年來，在全球機械自動化的帶動下，掀起了智能機器人發(fā)展的熱潮。隨著機器視覺、機器感知技術(shù)的發(fā)展，形形色色、功能各異的機器人產(chǎn)品開始出現(xiàn)在人們的生活中。其中機械手是機器人的重要的組成部分，其屬性直接影響機器人用途的廣泛性與實用性。機械手在及生活中發(fā)揮的重要作用越來越為人所關(guān)注，未來市場需求會與日俱增。

在這樣的背景下，“柔性機器人”概念開始逐漸被提出。通過柔性材料的使用，機器人有很大性能提升，使其能夠有更好的適應(yīng)性、安全性以及人機互動能力，以此在先進制造業(yè)以及人類日常生活工作中可以發(fā)揮出更大的價值。以當(dāng)前國內(nèi)外柔性機器人的迅猛發(fā)展之勢，柔性機械手的研究和發(fā)展必然受到越來越多的重視。針對現(xiàn)有問題，設(shè)計了家用柔性機械手，改良現(xiàn)有柔性機械手柔軟性和連接平滑性差、抓取穩(wěn)定性低、抓握可控性差等問題。

一、項目意義

針對家庭中需要抓取各種形狀各異的物體，本柔性機械手具有自動化程度高、取物柔和、抓取穩(wěn)定等特點。家庭環(huán)境中提供更柔軟安全的機械服務(wù)，且仿生柔性手可以為殘障人士提供服務(wù)等。大幅改良智能機器人的性能，能夠起到的實際作用較多，其特殊性在于：

（一）模仿人手指關(guān)節(jié)、皮膚的運動原理進行設(shè)計。在現(xiàn)有柔性機械手和傳統(tǒng)機械手的基礎(chǔ)上進行了改進，針對多為剛性材料的傳統(tǒng)機械手，當(dāng)抓取易碎物品時，較為固定的力容易對物體造成損壞;針對如今柔性機械手在抓握形狀特殊或摩擦系數(shù)很小的物體時，因抓握不穩(wěn)定而把物品摔壞;抓取物品時無法得知抓取具體力度沒有更精準地抓取等缺點，進行結(jié)構(gòu)和材料的改進。

將柔性機械手模擬人手設(shè)計。手指開合裝置以及機械外骨骼模擬關(guān)節(jié)彎曲固定物品，海綿吸盤和柔性貼合吸盤模擬掌心褶皺摩擦貼合。柔性氣囊模塊模仿指尖，采用橡膠材質(zhì)模擬皮膚，從而增大摩擦。從而使抓握穩(wěn)定，可控性提高。

（二）驅(qū)動模塊改進。加入指關(guān)節(jié)控制模塊，采用機械外骨骼指節(jié)為柔性原件提供支撐，在關(guān)節(jié)處使用微型馬達。從而使多個關(guān)節(jié)在微型馬達下靈活彎曲運動。使機械傳動機械手抓握過程比如今柔性機械爪更加可控，增強其抓握穩(wěn)定性。

（三）多個機械手指配合，調(diào)配出不同模式。本柔性機械手采用四點紅外測距原理以及手指開合裝置，通過紅外測距原理預(yù)判物品形狀，由于紅外線有很高的頻率響應(yīng)，因此能精確判斷物體形狀及大小，從而采取不同抓取策略，使手指可以根據(jù)所抓取的物品形狀進行模式的轉(zhuǎn)換。

（四）抓取過程多級調(diào)節(jié)，首先通過機械部分靠近圍攏要抓取的物體，再通過抓取過程中柔性材料的變形，使柔性材料更加緊密貼合抓取物體，更加突出柔性材料在柔性機械手中的作用，可以以簡單的原理適應(yīng)各種物體的形狀，與傳統(tǒng)機械手相比抓取更加柔和，也提高了抓取的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

二、項目研究內(nèi)容

（一）機械關(guān)節(jié)移位設(shè)計：針對要抓取的各種形狀各異的物體，首先利用紅外測距原理對所抓取物體形狀進行分析，根據(jù)物體的形狀及大小更改手指的伸張幅度與工作模式。實現(xiàn)對不同形狀物體的初步適應(yīng)。

（二）海綿吸盤模塊設(shè)計：在爪心處設(shè)置海綿吸盤模塊，可以使機械爪與物體緊密貼合，使受力更穩(wěn)定，改善了目前柔性機械手抓取物體應(yīng)力不均衡的缺點。同時，氣囊與海綿的組合使整體機械手更加柔和，適合在家庭中使用。

（三）柔性貼合設(shè)計及柔性氣囊：柔性貼合模塊的伸縮吸管柔性貼合不同物體表面，增加固定環(huán)節(jié)，使柔性材料更加緊密貼合抓取物體，柔性氣囊仿生人指尖肉團。抓取過程中貼合物品，增大摩擦。更加突出柔性材料在柔性機械手中的作用。由于待抓取物品硬度各異，氣囊及柔性貼合設(shè)計可以在柔性機械手抓取的過程中使機械手抓取更加柔和，也使抓握力適中，避免物體造成破壞。

（四）多模式抓取設(shè)計：柔性機械手指多模塊協(xié)調(diào)工作，緊密配合，每個部分在抓取工作中起到不同的作用。通過多個機械手指配合，調(diào)配出不同模式使，針對不同的待抓取物品，采用不同的抓取模式，使抓取工作精細化、專門化，更加精準穩(wěn)定地抓取形狀各異的物體。

三、設(shè)計思路及可行性分析

綜合考慮到家用柔性機械手的應(yīng)用場景和功能需求，在抓取過程中通過裝置自身的微調(diào)，提高抓取物品的穩(wěn)定性，能實現(xiàn)大大增加抓取物品時的貼合性以及適應(yīng)性，從而能對不同大小和形狀的物品進行穩(wěn)定抓取。

首先，結(jié)合現(xiàn)有的柔性機械手的優(yōu)缺點，考慮到裝置在抓取階段要完成的一些任務(wù)，設(shè)計將機械手分為掌心海綿、柔性貼合吸盤以及指尖氣囊三個部分，抓取過程每個部分依次完成其功能，實現(xiàn)逐步微調(diào)，達到柔性功能。

之后考慮到裝置在轉(zhuǎn)變工作模式時各手指間的相對位置改變，設(shè)計中心基座軌道以及橫向軌道，保證裝置運動的靈活性。

隨后，我們考慮到由于所抓取物體形狀及材質(zhì)的多樣性。因此設(shè)計紅外測距裝置以及壓力反饋系統(tǒng)，感知不同物體的形狀特點，利用壓力反饋控制對物體的抓力從而達到柔性效果。同時基于紅外傳感器原理設(shè)計避障模塊，避免撞到其他物品。

最后，對柔性機械手外觀進行設(shè)計，美化機械手。在設(shè)計過程中，對關(guān)鍵零件進行強度校核和應(yīng)力分析，提高設(shè)計的可靠性且方便后續(xù)設(shè)計。

四、機構(gòu)設(shè)計及原理說明

柔性機械手部分整體展示圖如圖l：

（一）手指功能模塊設(shè)計

1.海棉吸盤模塊設(shè)計：在柔性機械爪手掌處設(shè)計海綿吸盤模塊。抓取時，由此吸盤模塊先貼合物體，進行初步定位和包覆物體。此模塊模仿人的手心，包覆貼合不同物體表面，起到摩擦及固定作用。抓取時包裹住抓取物體，通過提升受力面積，減少壓強，從而能夠在抓取物體的同時，避免對物體產(chǎn)生較大應(yīng)力。對于被抓取物體來說，使抓取動作更加輕柔，充分體現(xiàn)柔性機械手的柔性特點。

2.柔性貼合吸盤模塊設(shè)計：為使機械手更加貼合物品，設(shè)計柔性貼合吸盤部分，如圖2。通過伸縮吸管柔性貼合不同物體表面。貼合機構(gòu)如圖3。其內(nèi)部設(shè)置機械骨架固定，在彈簧的作用下通過彈簧伸縮貼合抓取物體從而實現(xiàn)對不同形狀物體的適應(yīng)性。在貼合機構(gòu)頭部粘貼摩擦墊，模擬皮膚紋理，增加與抓取物體的摩擦，防止物品滑動。在抓取物體時機械爪展開，海綿吸盤包覆物體后，該部分緩慢貼合物體，對抓取物品起到支撐固定作用，改善了目前柔性機械手抓取物體不穩(wěn)定的缺點。

當(dāng)物體重量較大時，保證了抓取過程中的平穩(wěn)，吸附模塊會吸附物體，借助靈活的關(guān)節(jié)運動以及增力，可以使物體得到進一步固定，使得物體與機械爪始終保持貼合狀態(tài)。

吸附模塊的工作原理為首先將真空吸盤通過接管與真空發(fā)生器接通，然后與待抓取物接觸，起動真空設(shè)備抽吸，使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負氣壓形成負壓腔，從而將待抓取物吸牢，即可提升物體。抓取時可以通過調(diào)節(jié)負壓腔壓強來控制吸盤吸力。保證對不同物件夾取的柔性。當(dāng)待抓取物搬送到目的地時，平穩(wěn)地充氣進真空吸盤內(nèi)，使真空吸盤內(nèi)由負氣壓變成零氣壓或稍為正的氣壓，從而完成抓取的任務(wù)。

同時在柔性貼合表面設(shè)置壓力傳感器。此壓力傳感器用于控制真空發(fā)生器控制器。使柔性機械手抓握物品到達設(shè)定壓力時發(fā)送信號給真空發(fā)生器控制器，控制器在接收到信號后控制真空發(fā)生器適當(dāng)調(diào)節(jié)，維持負壓腔壓強在規(guī)定范圍內(nèi)，使抓取過程始終保持柔軟性。接著進行下面各項操作。

3氣囊模塊設(shè)計：氣囊外觀如圖4。由于所抓取的物體形狀各異，重心位置不確定，同時物體硬度不同，抓取過程中需要保持物體在機械手中的平穩(wěn)性。柔性氣囊仿生人手指尖肉團，在抓取過程中貼合物品。氣囊氣動負壓狀態(tài)下吸取物品，使氣囊緊密貼合抓取物體，突出柔性材料在柔性機械手中的作用。由于待抓取物品硬度各異，氣囊及柔性貼合設(shè)計可以在柔性機械手抓取的過程中使機械手抓取更加柔和，也使抓握力適中，避免物體造成破壞。

本機械手利用柔性氣囊實現(xiàn)吸附以及固定作用，對柔軟物體能夠起到很好的承力性能，對于脆弱物體也可以實現(xiàn)保護作用。氣囊模塊的設(shè)計，避免了對物體造成損傷，有效滿足了柔性機械爪的使用要求。

（二）手指運動模塊設(shè)計。為了保證機械手指的靈活性，以適應(yīng)各種形狀的物體。該模塊通過電機驅(qū)動，通過中心基座上的軌道與卡槽相互配合，達到不同手指位置與張開幅度調(diào)節(jié)的作用，如圖5。

（三）旋轉(zhuǎn)開合機構(gòu)設(shè)計。為實現(xiàn)對不同大小物體的適應(yīng)性，設(shè)計旋轉(zhuǎn)開合機構(gòu)，如圖6。旋轉(zhuǎn)開合機構(gòu)利用曲桿與卡槽的配合與手指連接，通過中心轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)曲桿的伸展與回收，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)開合，改變手指的張開幅度。同時，各個模塊可以單獨轉(zhuǎn)向運動，來單獨改變某一手指的抓取方向，從而改變裝置工作模式。

五、工作模式設(shè)計與分析

本裝置設(shè)置有變形機構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)開合機構(gòu)，利用曲桿和卡槽進行模式變換。變換的目的在于，在不同的模式采取不同的操作方法，實現(xiàn)對各類形狀物體的抓取，使機械手具有普適性;同時，在抓取各類物體時，通過紅外測距原理分析所抓取形狀，從而采取不同的抓取方式，更改力的作用點，對物體更適合，從而進一步實現(xiàn)柔性機械的目的，可防止物體受損。在工作模式切換時，可根據(jù)固定于爪上以及連接塊上的紅外測距儀反饋信息實現(xiàn)信息的采集與處理，經(jīng)處理后的信號可以可反饋作用于變形機構(gòu)，針對抓取的物體實現(xiàn)微調(diào)。

本機械手一共分三種模式，分別為夾持模式、爪抓模式和抬升模式。

（一）夾持模式

設(shè)計夾持模式可以穩(wěn)定抓取側(cè)邊為圓柱面、平面等適合側(cè)面受力物體。夾持模式采取并爪變換，將受力點置于物體兩側(cè)，模擬人抓握杯子的手勢。通過氣囊膨脹形成包覆面，提升力為摩擦力。由于氣囊在與物體接觸受力時會產(chǎn)生向內(nèi)的擠壓變形，可減少氣體體積，增大氣體的壓強。同時，氣囊實現(xiàn)對接觸面形狀的貼合，通過氣體壓強產(chǎn)生壓力，通過壓力產(chǎn)生摩擦力平衡物體的重力。通過此變換的機械手有著類似夾子的形狀，可以完成對圓柱體、箱體和球體等或一些單向長度過大物體的抓取。其抓取柱形物體如圖了所示。對于小的物體，可以在此種模式下單獨使用氣囊部分對小物體進行完全包覆，實現(xiàn)穩(wěn)定柔性抓取。

通過該變換形成的機械手在對物體進行抓取時，由于氣體在氣囊內(nèi)部分布均勻，不存在阻塞情況，氣囊各部分壓強均衡，即實現(xiàn)對物體的壓力處處相等。針對于一些較脆弱的物體，可以最大限度利用其強度與剛度，避免對其產(chǎn)生破壞，實現(xiàn)柔性目的。

（二）爪抓模式

由于生活中有很多不規(guī)則形狀物品，如水果、玩具、小型電器等。爪抓模式采取四指并用的工作模式，可通過四個手指的移動實現(xiàn)抓、握、捏等功能。此種工作模式抓取的受力點分散分布，通過機械爪與物體的貼合，支持力與摩擦力平衡物體重力。在此工作模式中，由于受力點分散程度大，各機械爪功能不同，可分為承力機械爪、平衡機械爪。

承力機械爪和平衡機械爪提供力的方式分別為主動和被動兩種方式，其中，承力機械爪需要主動對其產(chǎn)生作用力，提供相對應(yīng)的摩擦力與支持力。平衡機械爪僅需被動提供小程度的力，主要是保持物體的平衡，避免抓取過程中物體脫落，此力可根據(jù)機械爪工作行程速度產(chǎn)生較大改變。單個手指的兩個關(guān)節(jié)可以根據(jù)待抓物體的形狀進行改變從而使機械爪更好地貼合待抓取物，進而完成各種特殊形狀物體的抓取。因受力點分散，也可以根據(jù)物體的結(jié)構(gòu)特性采取不同的形狀對其進行抓取。其抓取不規(guī)則物體如圖8所示。

通過該種工作模式，可以實現(xiàn)對各種形狀物體的抓取，其獨特的可變性可根據(jù)需要進行變換，從而滿足各種需要。由于待抓取物體較為復(fù)雜，該種工作模式信息處理量大，需要根據(jù)各種信息進行微調(diào)，操作略有繁瑣，在運行速度方面會稍遜一籌。但同時，該模式靈活度高、適應(yīng)性強。

（三）抬升模式

針對扁平物體、適宜底部受力的物體以及需要底部側(cè)面同時約束防止灑落的物體，設(shè)計抬升模式。其采取兩爪并攏的工作模式，該模式變換方法是使指尖部位基本平鋪，類似吊籃形狀，氣囊直接接觸物體實現(xiàn)吸附抓取。

該模式下，承力機械爪與平衡機械爪劃分更加明確，側(cè)邊爪為平衡機械爪，主要對物體貼合進行包覆平衡。物體受力最為集中，對于適合底部受力的物體非常契合。同時，該工作模式下操作簡單，計算也相較簡便。

傳統(tǒng)機械手在抓取形狀扁平的物體時通常會出現(xiàn)抓不起來、抓變形的問題，而本機械手通過叉車抬升模式可以將此類物體抓取起來，貼合機構(gòu)在側(cè)方對物體完成吸附固定，在下端留出空隙，使其能完成此類物體的抓取工作。該種工作模式下，壓力分布均勻，物體所受主要工作力為支持力，摩擦力較小，且多用于物體平衡。

其抬升時各爪位置如圖9所示。

三種工作模式對物體產(chǎn)生力的作用位置不一，均有其適宜的工作對象，對不同物體采取不同的適宜其結(jié)構(gòu)的抓取方式，進一步實現(xiàn)柔性抓取的目的。

六、整體方案思考與總結(jié)

（一）整體創(chuàng)新點

1.功能創(chuàng)新

（1）加入紅外測距模塊，通過對數(shù)據(jù)的處理，可以判別物體形狀和大小，通過對測算數(shù)據(jù)的分析及輪廓特征的形狀匹配對機械爪的工作模式及各工作方式作出相應(yīng)調(diào)整，實現(xiàn)智能化切換工作模式的目的。此模塊實時更新數(shù)據(jù)，在使用時極為靈活，對于突發(fā)事件如物體形狀改變、抓取過程中有其他物體靠近、在一種模式進行工作時若因工作環(huán)境變化需改變工作內(nèi)容等情況都可以在無需初始化重新工作的基礎(chǔ)上做出即時調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)及時的處理，充分體現(xiàn)柔性機械手的柔性及應(yīng)變性。

（2）設(shè)計三種抓取模式，分別為夾持模式、爪抓模式和抬升模式。抓取側(cè)邊為圓柱面、平面等適合側(cè)面受力物體時，采用夾持模式;抓取形狀復(fù)雜不規(guī)則的物體時，采用爪抓模式;抓取扁平或適宜底部受力的物體時，采用抬升模式。針對不同形狀以及不同受力類型的物體選擇適應(yīng)的模式，使抓取物體適應(yīng)性強，普適性及柔性更強。

2.結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

（1）本裝置仿生人手，柔性氣囊模擬指尖皮膚增大摩擦實現(xiàn)柔性抓取;機械骨骼部分模擬人手指骨骼及關(guān)節(jié)彎曲固定物品;貼合模塊頂部摩擦墊以及貼合海綿模擬人手指紋及掌心褶皺摩擦貼合，實現(xiàn)抓取的穩(wěn)定性和貼合性。兼具協(xié)調(diào)與獨立的優(yōu)點，多只手指可協(xié)調(diào)工作，又可以單獨控制，應(yīng)用面廣，實現(xiàn)功能多，適應(yīng)性強，可根據(jù)用戶的使用定制。

（2）本裝置通過海綿模塊、氣囊模塊與貼合模塊的多個功能模塊復(fù)合設(shè)計實現(xiàn)對物體的多層次夾持，使抓取更加平穩(wěn)。設(shè)計多段關(guān)節(jié)，相互獨立，工作原理相同的情況下存在多種工作形態(tài)，實現(xiàn)對抓取物體的較強適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同形狀、尺寸各異、材料多樣的生活物品的夾取，抓取的物品范圍覆蓋度高。本設(shè)計具有良好拓展性，各部分均可拓展其余模塊，從而實現(xiàn)工序的減少以及裝置能力的提高。同時在配合時不存在不兼容的問題。

（3）通過手指運動模塊的設(shè)計，多個機械手指配合，可以實現(xiàn)各個機械爪間空間位置的調(diào)節(jié)，使多種模式相互切換，適應(yīng)多種外形的物體，以保證抓取的柔性以及穩(wěn)定性。

（二）推廣前景

在現(xiàn)有柔性機械手和傳統(tǒng)機械手的基礎(chǔ)上進行了改進。針對傳統(tǒng)機械手多為剛性材料，當(dāng)抓取易碎物品，較為固定的力容易對物體造成損壞;針對如今柔性機械手在抓握形狀特殊或摩擦系數(shù)很小的物體時，因抓握不穩(wěn)定而把物品摔壞;抓取物品時無法得知抓取具體力度沒有更精準地抓取等缺點，進行結(jié)構(gòu)和材料的改進。采用多級調(diào)節(jié)，使柔性材料更加緊密貼合抓取物體，更加突出柔性材料在柔性機械手中的作用，改善了目前柔性機械手抓取物體不穩(wěn)定的缺點。并且根據(jù)抓取物體的形狀特點改變工作模式。

本機械手可應(yīng)用于家庭環(huán)境中提供更柔軟安全的機械服務(wù)，也能應(yīng)用于在家庭中為不方便活動的人士以及殘障人士提供服務(wù)。可以在日常家庭生活中在具有柔和性的前提下為人類提供較大幫助。