軟體手與軟體機(jī)器人的區(qū)別聯(lián)系

由于傳統(tǒng)的抓取裝置如機(jī)械手爪、吸盤等存在設(shè)計(jì)周期較長，更新頻率較高，利潤附加值較低，難以抓取易損壞、易變形物體等問題，近年來，學(xué)術(shù)界出現(xiàn)了“軟體手”的概念，將機(jī)械手由傳統(tǒng)的氣缸等剛性體變換成柔性的有機(jī)聚合物，以克服現(xiàn)有傳統(tǒng)機(jī)械手在特定應(yīng)用場景的缺點(diǎn)。

無獨(dú)有偶，近年來學(xué)術(shù)界還出現(xiàn)了一種顛覆式的機(jī)器人——軟體機(jī)器人?，F(xiàn)有的軟體機(jī)器人在材料選取上與軟體手類似，同樣擁有很大的柔性，并擅長在特定的場景中應(yīng)用。

不同的是，軟體手只是將末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)為柔性，其機(jī)械臂和運(yùn)動關(guān)節(jié)與傳統(tǒng)的機(jī)器人沒有區(qū)別；而軟體機(jī)器人的機(jī)械臂也是柔性的，甚至其運(yùn)動關(guān)節(jié)與傳統(tǒng)的機(jī)器人相比也發(fā)生了改變，甚至有的軟體機(jī)器人的運(yùn)動副數(shù)量可以理解為無窮多。

有趣的是，雖然軟體手和軟體機(jī)器人并不完全相同，但是二者的發(fā)展歷史卻是相互交織的。2011年，哈佛大學(xué)Whitesides研究小組的學(xué)者Carl Vause，從章魚中獲得了靈感，發(fā)明了軟體機(jī)器人，這款軟體機(jī)器人長約18厘米，可以單“腿”離地，能在一分鐘內(nèi)匍匐穿過2厘米高的間隙。

從軟體機(jī)器人中獲得靈感的Carl Vause繼而在2013年創(chuàng)建了專門研發(fā)生產(chǎn)軟體手的企業(yè)：Soft Robitcs。該公司將軟體手安裝在ABB等公司的工業(yè)機(jī)械臂末端。Soft Robotics機(jī)器手在食品運(yùn)輸領(lǐng)域取得了很大的成功。

Carl Vause發(fā)明的軟體機(jī)器人

現(xiàn)在生產(chǎn)軟體手的公司主要有美國的Soft Robotics，中國的北京軟體機(jī)器人（SRT）、柔觸機(jī)器人等，它們最早的科研構(gòu)想基本是針對市場上異形和易碎物品的搬運(yùn)應(yīng)用，適用于水果、玩具等抓取對象。與軟體手相比，軟體機(jī)器人還沒有大規(guī)模進(jìn)入市場，對軟體機(jī)器人的研究更多來源于全球的各大高校和科研機(jī)構(gòu)。

北京軟體機(jī)器人（SRT）的軟體手

軟體手≠軟體機(jī)器人

一般的剛體機(jī)器人在裝配上軟體手之后是否應(yīng)該歸為軟體機(jī)器人？這一問題在學(xué)術(shù)界內(nèi)還有一定的爭議。筆者認(rèn)為，裝配上軟體手的剛體機(jī)器人并不是軟體機(jī)器人。

首先，在運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)上，裝配上軟體手的剛體機(jī)器人，其運(yùn)動學(xué)公式、雅可比矩陣、海塞矩陣等基礎(chǔ)公式并沒有改變，機(jī)器人在運(yùn)動學(xué)上的運(yùn)動末端的位姿、速度等仍然是可預(yù)測和可控的，只是機(jī)器人的末端執(zhí)行器有一點(diǎn)“古怪”而已，而末端執(zhí)行器的種類對機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的性能沒有任何影響。

而軟體機(jī)器人的機(jī)械臂是柔性的，其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)性能并不能通過傳統(tǒng)的公式求解出來，機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)性能已經(jīng)完全改變，機(jī)器人的運(yùn)動末端位姿、速度等變得不可預(yù)測。

此外，在應(yīng)用場景上，配上軟體手的剛體機(jī)器人，其應(yīng)用場景和一般剛體機(jī)器人相比變化不大，仍然是用于物品的抓取和搬運(yùn)，只不過被抓取物品的形狀比較不規(guī)則或者材質(zhì)比較易碎。

而軟體機(jī)器人的應(yīng)用場景已經(jīng)完全改變，機(jī)械臂變成柔性的軟體機(jī)器人已經(jīng)不能完成抓取、搬運(yùn)等功能。

軟體手VS傳統(tǒng)機(jī)械手

和傳統(tǒng)機(jī)械手相比，軟體手是一個(gè)新事物，作為機(jī)械手大家庭的一員，其大大擴(kuò)充了被抓物品的范圍。與傳統(tǒng)機(jī)械手相比，軟體手的優(yōu)點(diǎn)顯而易見：具有更大的柔性，適合抓取比較柔軟以及形狀不規(guī)則的物體。

然而，軟體手的缺點(diǎn)也十分明顯。由于柔性軟體手的驅(qū)動方式多為氣動，軟體手的各單元內(nèi)部呈封閉的腔體結(jié)構(gòu)，使得對于正壓驅(qū)動和負(fù)壓驅(qū)動的力的大小和抓取時(shí)間變得難以掌控，很容易出現(xiàn)脫手的情況。

另外，由于軟體手的柔性，其材料的選取和結(jié)構(gòu)的確定也有相當(dāng)?shù)碾y度，這也是阻礙軟體手研發(fā)的重要原因。

軟體機(jī)器人VS剛性機(jī)器人

軟體機(jī)器人對傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人來說是一個(gè)顛覆性的概念，它改變了人類對機(jī)器人的基礎(chǔ)認(rèn)知，擴(kuò)充了機(jī)器人的使用場景。

筆者認(rèn)為剛性機(jī)器人和軟體機(jī)器人的區(qū)別類似于傳統(tǒng)的節(jié)肢動物或者脊椎動物和軟體動物（例如章魚、烏賊）之間的區(qū)別。如章魚可以改變自己身體的形狀，穿過直徑只有兩厘米的管子，以捕捉管子另一邊的水族箱的獵物。

軟體機(jī)器人由于其軀體的柔性，可在較狹窄、工況較差的環(huán)境中工作，如在太空探索、救援、醫(yī)學(xué)手術(shù)等應(yīng)用中有著廣闊的前景，在特定的工作環(huán)境下，其優(yōu)勢是傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人所無法比擬的。

軟體機(jī)器人的缺點(diǎn)也同樣明顯。首先，由于軀體的柔性，機(jī)器人最基礎(chǔ)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的理論公式變得不可求，至今其運(yùn)動理論仍然是空白，機(jī)器人的位姿、速度等基礎(chǔ)指標(biāo)變得不可控，也不可預(yù)測。

其次，由于機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)理論暫時(shí)不可求，軟體機(jī)器人的控制器算法也成為了難題。

再次，由于軟體機(jī)器人多為氣動的驅(qū)動方式，充氣和放氣的管子不可或缺，這對于軟體機(jī)器人的運(yùn)動產(chǎn)生很大的影響，就像一條略顯累贅的“長尾巴”。

最后，和軟體手一樣，軟體機(jī)器人仍然繞不過材料和結(jié)構(gòu)的問題，這直接決定了軟體機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)性能和機(jī)器人使用壽命等指標(biāo)是否能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

后記

現(xiàn)在，軟體手和軟體機(jī)器人的新品依然不斷涌現(xiàn)。例如2014年，哈佛大學(xué)研制出了第一款無繩軟體機(jī)器人，通過人工或計(jì)算機(jī)自動控制器將壓縮空氣輸入其肢體內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動。

現(xiàn)有的最新的軟體機(jī)器人仍然為哈佛大學(xué)的研究人員于今年所開發(fā)。該機(jī)器人的動力來源于壓縮空氣，它被設(shè)計(jì)成了十字形，有四條“腿”，每條“腿”由八個(gè)細(xì)小通道連接成的氣室組成，在“十字”的中心有七條接口，以接通輸送壓縮空氣的管道。當(dāng)機(jī)器人的“腿”被充入氣體時(shí)，“腿”部會彎曲，發(fā)生膨脹。當(dāng)被控制的四條“腿”有順序的膨脹、收縮時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動。

（圖片來源，cnBeta.com）

至于軟體手，目前在市場上已初具規(guī)模，例如北京軟體機(jī)器人已經(jīng)研發(fā)出了多款軟體手，典型的有緊湊型柔性夾爪、圓周可調(diào)型夾爪、對稱可調(diào)型夾爪等。業(yè)務(wù)領(lǐng)域包括食品、化妝品、不規(guī)則注塑件、家具行業(yè)、小件物流分揀、生鮮、玻璃制品、3C行業(yè)等，已遠(yuǎn)銷加拿大、美國、瑞典、日本、韓國、***、香港等地企業(yè)。

筆者認(rèn)為，軟體手的市場潛力可觀。而軟體機(jī)器人由于其底層理論的空白，目前還主要停留在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行嘗試性的應(yīng)用，距離商業(yè)應(yīng)用還有一定的距離，而一旦軟體機(jī)器人的底層理論得到突破，其市場應(yīng)用潛力同樣可觀。