導讀

軟而輕，硬而重的物體對於大多數機械抓手來說都不是難事，施加相對較小或者較大的抓取力即可。但是有一些柔軟脆弱但很重的物體則非常難抓。為了解決這一類物體的可靠抓取問題，來自韓國機械研究院（Korea Institute of Machinery & Materials）, 亞洲大學（Ajou University）以及成均館大學（Sungkyunkwan University）的研究者們共同研發了一款軟體抓手，稱之為形狀適應複合抓手（shape-adaptive composite gripper）。相關的研究成果於近日發表在國際頂級機電工程類期刊《IEEE工業電子會刊》（IEEE transactions on industrialelectronics）上。藉助巧妙的結構和抓取設計，該抓手可以抓取一些重量大但是脆弱易碎的物體，例如360g的豆腐，680g的大串葡萄等，展示了絕佳的實際應用效果。

韓國學者研發“工業實用型軟體抓手”

圖1. 大補紅棗雞湯

客官留步，您還真沒走錯，今天這鍋雞湯由機器人來給您燉！先不說味道怎麼樣，看看下面這陣勢也挺專業的！

機械手先把鍋擺到位！

圖2. 把鍋擺到位

抓起整雞來，小心放入鍋中。

圖3. 抓起整雞放到鍋裡

小心翼翼抓起紅棗放入鍋中。

圖4. 加入配料紅棗

再將純淨水倒入鍋中。

圖5. 加水準備開煮

好了，希望大家在學習工作之餘注意補充營養，愛護身體。現在我們迴歸正題。大家看到，這款機械抓手在準備雞湯的過程中，分別抓取了形狀，大小，軟硬程度都有很大差別的四種物體（鍋把，整雞，紅棗，礦泉水瓶），展示了絕佳的抓取能力。

SAC抓手是由來自韓國機械研究院（KoreaInstitute of Machinery & Materials）, 亞洲大學（Ajou University）以及成均館大學（SungkyunkwanUniversity）的研究者們共同研發，研究成果於近日發表在國際頂級機電工程類期刊《IEEE工業電子會刊》（IEEE transactions on industrial electronics）上。相關論文資訊請參見文末。

圖6. SAC抓手摘取大串葡萄

SAC抓手屬於一種平行結構的抓手（parallel gripper），平行抓手結構簡單可靠，是工業生產和生活中最常用的機械手之一。我們在研究抓取穩定性的時候，將平行抓手的抓取類別分為力閉合抓取（force-fit grasping）和形閉合抓取（form-fit grasping）。研究表明，當指尖的形狀和抓取物貼合度非常好的時候，形閉合抓取的穩定性要遠高於力閉合。SAC抓手就是一款通用型（universal），藉助軟體機器人技術，能提供形閉合抓取的抓手。

圖7. 力閉合抓取和形閉合抓取比較

SAC抓手基於傳統的平行抓手改造而成，加裝了兩個軟指尖結構。軟指尖結構由內部的軟支撐層，和外部的兩層定形變剛度支撐層構成。在抓取過程中，軟指尖靠近抓取物，並將軟指尖表面下壓形成凹陷，完美貼合被抓取物體，值得注意的是，在這個過程中，定形層和支撐層極度柔軟，從而保證不損壞被抓取物體。對於一些較重的物體，當達到要求的貼合程度時，可以對定形層進行抽真空變化剛度，從而牢牢的鎖緊物體使其不脫落。

圖8. SAC抓手的組成部分

可以看到，在定形層內側有小型顆粒填充物。即對顆粒物進行真空抽取時，會產生阻塞的效果，從而增加顆粒物之間的摩擦力，提升定形層的剛度，支撐被抓取的物體。

圖9. SAC抓手的剛度變化原理

我們先來看SAC抓手的一些其他的應用場景，之後在下一部分簡單為大家介紹SAC抓手的設計和原理。另外文末附有完整的展示影片，感興趣的同學不要錯過！

SAC抓手可以抓取並擰下熒光燈泡，展示了該抓手的柔軟和貼合性。

圖10.SAC抓手擰燈泡

SAC抓手為您倒上一杯咖啡！

圖11.SAC抓手倒杯咖啡

圖12.穩穩地遞一杯咖啡給您

SAC抓手可以抓取檸檬，並且擠壓出檸檬汁，調配一杯檸檬雞尾酒！這個展示真的贊！

圖13.擠檸檬也不在話下

圖14.調配檸檬味雞尾酒

接下來展示抓取脆弱的物體。首先是抓取和整理熟透的西紅柿，這個在軟體抓手中比較常見。

圖15.抓取熟透的西紅柿

這個就厲害了，我們說，重而柔軟的物體對於機械手來說是非常難抓的，由於這種物體表面柔軟，過大的抓取力會破壞物體，但是過小的抓取力度又無法抓起物體。SAC抓手的設計就是為了解決這一類物體的抓取。這不，SAC抓手可以輕鬆的抓起一大串葡萄。

圖16.可以抓起大串葡萄這種重而脆弱的物體

還有更厲害的展示，那就是抓豆腐了。就算是硬一些的豆腐，我們人手不小心的話也很容易抓碎。但SAC抓手也較為容易的抓起了豆腐，這點可以比過現有的很多抓手了。

圖17.抓取豆腐

設計和原理

SAC抓手的主要特點就是，在穩定抓取狀態下可以提供較大的抓取力度，同時在壓向物體的時候，始終保持一個較小的接觸力。為了實現以上目的，SAC抓手的軟指尖採用複合結構進行設計（包括一個軟的支撐層，和一個形狀固定層）。軟支撐層可以儘可能多的保證大變形，定形層裡面的顆粒物可以在變形後，進一步變化剛度。

圖18.支撐層和包覆層的結構

支撐層的設計是SAC抓手的關鍵部分。研究者用彈性材料（矽膠）做出一種蜂巢狀的結構。這種結構有著較低的表面張力，因為中空的六邊形結構會隨著受壓的方向而發生變形，從而阻止了變形沿著表面擴張。

研究者用這種蜂巢結構和海綿做對比，可以看到，在同樣的受壓情況，變形在彈性蜂巢結構擴張要小於海綿塊表面。因此，物體可以更好地嵌入彈性蜂巢結構。

圖19.蜂巢結構和海綿結構受壓時的變形比較

為了實現剛度變化，研究者設計了一種定形層結構。利用一種高彈性的網狀布料，將250微米尺寸的顆粒物縫製到布料之中。研究者用兩層布料包裹彈性層，這樣的話，它在多個方向都可以實現延展。對定形層中的顆粒物抽取真空後，它的剛度便會提升。

圖20.雙層包裹結構

SAC抓手抓取目標物的過程如下。首先先用外力將目標物推向指尖，然後在軟狀態下物體和指尖實現最大限度的貼合，然後抽取真空，實現最終的抓取。

圖21.變剛度抓取過程展示

研究者透過比較不同結構受壓時候的變化情況，證實了蜂巢結構、蜂巢結構+定形層具有最優的貼合性。

圖22.不同型別的抓手測試

研究者也測試了SAC抓手的抓取效率，透過實驗可知，SAC抓手的設計要遠遠優於其他設計（諸如橡膠片，海綿，矽膠片等）。即提供4N或者8N的正壓力，抓取力可以達到12N或者20N。這樣的話，只要施加很小的壓力，就可以抓住很重的物體。

圖23.抓取效率比較

總結和展望

透過抓取各種不同的物品，SAC抓手展示並完成了很多其他抓手難以勝任的抓取任務。它是專門為抓取脆弱柔軟，但是又偏重的物體而設計，例如成熟的柿子，豆腐，葡萄，熒光燈等。

但是SAC抓手目前來說還有一些限制。例如它在抓取具有較大平面的物體時，抓取效率比較低，尤其是大於指尖的面積時。同時，SAC抓手也受到潮溼環境的影響，大約會減少一多半的抓取效率。