關(guān)于柔軟機(jī)械手的相關(guān)研究分析

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具有人類(lèi)觸覺(jué)的柔軟機(jī)械手開(kāi)啟了假肢研究的新領(lǐng)域。手是人類(lèi)身體接觸所有事物的重要部分，不僅具有觸摸、抓取和抓握的功能，而且指尖還擁有非常敏感且與身體其他部分相連的感覺(jué)神經(jīng)。

康奈爾大學(xué)的一個(gè)由機(jī)械和航空航天工程助理教授、有機(jī)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（ORL）首席研究員Robert Shepherd帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)研制了一種搭載光敏應(yīng)變傳感器的假手，能夠?qū)崿F(xiàn)人手的類(lèi)似功能。該機(jī)械手可以移動(dòng)每根手指、觸摸物品并擁有內(nèi)部感覺(jué)。

通常，我們認(rèn)為機(jī)器人都是由金屬制成的剛性結(jié)構(gòu)，其傳感器通常位于機(jī)身外部。然而，這只特殊的機(jī)械手是柔性的，而且具有觸覺(jué)。Zhao表示，“我們將傳感器集成在了機(jī)械手內(nèi)部，因此，這些傳感器實(shí)際上可以通過(guò)機(jī)器人的厚度來(lái)檢測(cè)傳遞的力量，就像我們和所有生物體感受疼痛的機(jī)理一樣”。

目標(biāo)和設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目旨在證明光學(xué)傳感器可以集成到柔性執(zhí)行器中，并提供高品質(zhì)的感官能力。這些彈性光波導(dǎo)高度可拉伸、化學(xué)穩(wěn)定、易于制造并擁有高精度的信號(hào)輸出。

該假手安裝在一個(gè)3D打印的剛性手掌上，由四根致動(dòng)軟指（ΔP= 100kPa）和一根拇指組成。研發(fā)團(tuán)隊(duì)選用3D打印和軟光刻的原因如下：這些技術(shù)擁有較高的設(shè)計(jì)自由度、重塑軟質(zhì)材料形狀的成熟能力以及高精度。

圖1.柔性機(jī)械手結(jié)構(gòu)和組件 / Zhao等人，2016

指尖由外徑18 mm的中空硅膠管制成。四根手指通過(guò)氣動(dòng)系統(tǒng)控制。壓縮空氣通過(guò)中空管進(jìn)入之后，充氣壓力驅(qū)動(dòng)手指執(zhí)行各種手的動(dòng)作。假手的每根手指都設(shè)計(jì)為柔性，以利用其內(nèi)在的順應(yīng)性，因此他們可以通過(guò)開(kāi)環(huán)控制實(shí)現(xiàn)大部分實(shí)驗(yàn)。軟執(zhí)行器可以將外力傳至內(nèi)部結(jié)構(gòu)和嵌入式傳感器。指尖還集成了與波導(dǎo)相連、直接將外部力傳遞到波導(dǎo)的指尖感光板，以提高觸覺(jué)靈敏度。

圖2.柔性手指結(jié)構(gòu)和組件 / Zhao等人，2016

每根手指都由具有細(xì)縫的尼龍織物制成，以實(shí)現(xiàn)周向拉伸，進(jìn)行致動(dòng)。致動(dòng)器中嵌入了光敏應(yīng)變傳感器，而且每根手指中嵌入三個(gè)波導(dǎo)（U形波導(dǎo)；頂部、中部和底部）。嵌在手指中的傳感器通過(guò)光學(xué)器件傳遞壓力、紋理和位置信息。

圖3.波導(dǎo)制造過(guò)程 / Zhao等人，2016

引導(dǎo)電磁波的彈性波導(dǎo)為中空管，使用透明聚氨酯橡膠制成。光通過(guò)波導(dǎo)管傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗，如果波導(dǎo)管發(fā)生變形，光損失量還會(huì)增加。管中的光損失量通過(guò)一個(gè)光電檢測(cè)器測(cè)量。機(jī)械手利用這些光信號(hào)收集觸摸物體的數(shù)據(jù)，因?yàn)椴▽?dǎo)在觸摸過(guò)程中會(huì)發(fā)生彎曲、變形或改變光信號(hào)?？衫觳▽?dǎo)通過(guò)軟光刻工藝制造，每個(gè)波導(dǎo)含有一個(gè)LED和光電二極管。

1. 指尖被夾住時(shí)，只有底部波導(dǎo)響應(yīng)；

2. 手指充氣和拉直時(shí)，中間和頂部波導(dǎo)響應(yīng)；

3. 手指放氣時(shí)，中間波導(dǎo)響應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)

根據(jù)人手的常用功能，研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了三項(xiàng)測(cè)試：形狀和紋理檢測(cè)、柔軟度檢測(cè)以及物體識(shí)別。

1.形狀和紋理檢測(cè)

人手感覺(jué)一個(gè)表面的粗糙度和形狀的最常用探索過(guò)程就是橫向掃描。研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用自己的機(jī)器人手臂引導(dǎo)機(jī)械手在固定高度對(duì)多個(gè)表面進(jìn)行橫向掃描，以區(qū)分其形狀和紋理。他們通過(guò)該方法測(cè)試了手指映射七種不同3D打印表面的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)械手能夠區(qū)分5m-1的彎曲度以及100μm級(jí)別的粗糙度。

2.柔軟度檢測(cè)

在本次柔軟度檢測(cè)試驗(yàn)中，機(jī)械手測(cè)試了以下五種材質(zhì)和物體的柔軟度：丙烯酸塑料、聚氨酯海綿、硅橡膠、成熟番茄、未成熟番茄。致動(dòng)器的尖端必須直接接觸物體頂部，以讀取指尖的受力大小和彎曲程度以及不斷變化的內(nèi)部壓力，這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)分別由底部波導(dǎo)功率損耗和頂部波導(dǎo)功率損耗表示。

根據(jù)內(nèi)部壓力改變手指的剛度也有助于為每種材料生成應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)?！暗撞坎▽?dǎo)中的損耗與物體的接觸力（應(yīng)力）成正比，而頂部波導(dǎo)中的損耗與其變形（應(yīng)變）成正比。”研發(fā)團(tuán)隊(duì)測(cè)量了每個(gè)物體的四個(gè)狀態(tài)，并且能夠?qū)⑵鋽M合成線(xiàn)性曲線(xiàn)，從而進(jìn)行比較。

3.物體識(shí)別

物體識(shí)別的實(shí)驗(yàn)方法如下：研發(fā)團(tuán)隊(duì)要求機(jī)械手從三個(gè)番茄中挑出最成熟的一個(gè)。在這個(gè)演示中，研究人員結(jié)合了形狀和柔軟度測(cè)量。首先，他們用橫向掃描、形狀重建的方法來(lái)確定番茄的形狀和位置。然后，機(jī)械手用食指確定西紅柿的輸出信號(hào)，從而測(cè)量其柔軟度。最成熟的番茄的頂部波導(dǎo)損耗最大且底部波導(dǎo)損耗最小。就像我們?cè)诔?jí)市場(chǎng)一樣，該機(jī)械手輕輕按壓每個(gè)西紅柿，最終找到最軟的一個(gè)。

討論

這種具有豐富感覺(jué)的柔軟假手是材料科學(xué)和機(jī)器人技術(shù)中以下幾個(gè)領(lǐng)域結(jié)合和延伸的成果：3D打印、軟光刻和柔性機(jī)器人。這些創(chuàng)新使得機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了極高的精確度和極佳的拉伸性。該團(tuán)隊(duì)還強(qiáng)調(diào)了假手的易于制造性和化學(xué)相容性。此外，機(jī)器人領(lǐng)域?qū)⑹芤嬗诳衫觳▽?dǎo)傳感器的高再現(xiàn)性。

該原型還有很多方面需要改進(jìn)。研究人員表示，通過(guò)在致動(dòng)器中集成更多的傳感器或者更換致動(dòng)器本體，可以提高本體感受和外部感受性的感覺(jué)密度。如果使用較大功率的LED、大功率激光二極管以及增加軟致動(dòng)器的壓力范圍（即更大壓力），機(jī)械手的觸覺(jué)靈敏度還可以增強(qiáng)。