软体手由柔性材料制备而成，具有形状自适应能力，可实现柔顺操作，适用于抓取操作任务。相比于传统的刚性机械手，软体手质量轻、成本低、驱动简单、制造方便，无论是在协作还是交互上，均具有良好的安全性。然而，软体手也存在因刚度不足而导致的抓取力有限的缺点，因此需要研究合理的变刚度结构，在保证软体手柔顺性的同时兼顾较大抓取力。同时，大多现有软体手抓取模式单一，与人手灵巧操作能力相比仍有差距，研究具备多模式抓取的变刚度软体手，可以有效提高软体手的整体抓取能力。近期Soft Robotics期刊发表的Multimode Grasping Soft Gripper Achieved by Layer Jamming Structure and Tendon-Driven Mechanism论文工作，提出了一种具备多种抓取模式的变刚度软体手。
多模式抓取的变刚度软体手由4根软体手指和支撑底座组成，如图1所示。4根软体手指均匀分布在支撑底座的周围，使用定位孔安装；支撑底座通过3D打印成型，内部的矩形内腔用于集成驱动元件、机械机构和相应的驱动电路等单元。可变刚度软体手指结合腱绳驱动结构和层阻塞变刚度结构。腱绳驱动具备一定自适应能力，这种驱动方式的软体手结构相对简单，与柔性手指具有很好的相容性。采用层阻塞结构作为软体手指的变刚度结构，能够克服其它变刚度结构响应缓慢的缺点。层阻塞结构可利用真空抽气方法，迅速降低软体手指内腔的气压，与外界大气压强产生压强差，约束层阻塞材料的活动，实现刚度的变化。
图1 变刚度软体手设计
变刚度软体手具备一定的拟人性，从可变刚度软体手的组成材料以及驱动特性构成两方面进行分析。软体手指的软材料与人体皮肤具有相似的生物学特性，可像人手一样柔顺的接触各种物体；与人手一样，可变刚度软体手可采用合适的技能抓取各种大小和形状的物体。图2展示了人手与机械手在抓取新技能上的相似性：图(a)和(b)分别展示人手与可变刚度软体手使用包络抓取握住一个苹果，图(c)和(d)分别显示人手与可变刚度软体手采用夹抓的方式夹起湿纸巾包，图(e)和(f)分别展示人手之间通过汗液或者静电的方式黏起一片纸片，而软体手使用指尖表面的吸盘吸附一块镜子；图(h)是软体手利用包络抓取选择合适的位置钩起一个纸袋，模仿人类的勾取技能。
图2 可变刚度软体手与人手抓取技能对比
另外，人类的抓握过程分为几个过程：1)在不损伤物体的情况下，握紧手指将物体包裹起来；2）强化手指关节肌肉，支撑物体重量；3）对物体施加夹紧力。相应地，可变刚度软体手在完成抓取任务的过程中，也包含以下三个类似的操作：1）闭合软执行器来包裹住物体；2）提升软体手指刚度以承受物体重量；3）驱动腱绳驱动机构使其对物体产生夹持力。对于操作2，软体手指的刚度提升与手指关节肌肉产生动作相对应。抓握过程中提供夹持力以提升指尖与物体表面的摩擦力。该可变刚度软体手与人手在材料、自适应能力、多技能和抓取过程等方面具有相似之处，表现出良好的拟人化性能。拟人化的表现有利于将人类的多种抓取技能迁移到可变刚度软体手上。
可变刚度软体手利用自适应特性实现无损抓取，能够在精简的控制模型以及控制算法的基础上，充分发挥柔性材料和结构在抓取上的优势。不过，不合理的抓取方式和抓握参数仍然会影响抓取的稳定性。一方面，软体手指的自适应能力具有一定的局限性，不合理的控制参数仍然会对物体施加过大的应力甚至让其无法具备足够的包络性；另一方面，不合理的抓取方式使软体手指无法接触到特殊形状的物体，比如软体手指在腱绳驱动下由于弯曲而末端点高度提升，以至于无法主动触碰到放在桌面的片状物体。因此，设置多技能抓取操作和可调的控制参数，能有效提升可变刚度软体手在面对不同的抓取环境时的灵活性，以适应不同的情况。
调整可变刚度软体手中的电磁阀、真空泵和舵机的控制时序，可实现可变刚度软体手的包络抓取模式、夹取模式、吸附模式三种抓取模式和空闲模式这四种模式的切换。总体上，空闲模式代表可变刚度软体手处于初始状态，真空泵不工作，电磁阀导通，而舵机处于初始的位置，此时软体手指刚度低，且处于竖直状态。抓取模式和夹取模式均包括两种操作步骤：1）腱绳的驱动操作；2）电磁阀与真空泵配合实现的刚度变化操作。如图3中所示，吸附模式下需要机械臂的动作带动软体手指顶部的吸盘紧紧贴附在物体表面，保证气密后调节电磁阀和真空泵的工作状态，形成负压环境，实现最终的吸附。三种抓取模式的选择代表着可变刚度软体手的3种操作技能。
图3 可变刚度软体手控制策略与抓取技能示意图
如图3-II所示，在包络抓取模式中，舵机首先带动腱绳传动机构使所有的软体手指同时发生弯曲变形。4指往同一点弯曲形变后将目标物体自适应的包裹，完成软体手指弯曲控制动作；电磁阀与真空泵共同作用使软体手指刚度提升，软体手指抗形变能力加强（图中显示软体手指变蓝色），实现软体手指的刚度变化的控制动作；腱绳驱动机构进一步传动，拉动软体手指的气密底座旋转，实现对目标物体的有效夹持，完成软体手夹持力生成控制动作，进而实现对可变刚度软体手对各种物体稳定的包络抓取，如图3-I(a)所示。如图3-I(b)，在当前的抓取模式下，当软体手指弯曲的同时伸进购物袋、篮子的把手内，还可以实现勾取的技能。如图3-III所示，在夹取模式下，电磁阀和真空泵共同动作令软体手指刚度提升，完成软体手指刚度变化的控制动作；腱绳机构发生传动，驱动软体手指的气密底座克服扭簧的弹性力，使软体手指在弯曲形变不大的情况下直接夹取物体，完成软体手夹持力生成控制动作。如图3-I(c)所示。在此种抓取模式下，腱绳的传动所产生的力量主要作用于软体手指气密底座上的扭簧，导致软体手指根部旋转，以接近竖直的状态夹取物体。由于软体手指弯曲形变不大，夹取过程接近于平行夹取，有利于夹取高度较低的物体，扩大了可变刚度软体手的可抓取物体范围。在吸取模式中，软体手指顶端的吸盘在抽真空前贴附在平整的物体表面，再进行真空吸附操作。如图3-I(d)所示，对于纸板、卡片等扁薄且平整的物体，其吸附能力良好。包络抓取，夹取基本很难实现对薄片物体的主动抓取，吸附模式一定程度上扩大了可变刚度软体手的可抓取范围。
文献：
Bin Fang, Fuchun Sun, Linyuan Wu, Fukang Liu, Xiangxiang Wang, Haiming Huang, Wenbing Huang, Huaping Liu, and Li Wen. Multimode Grasping Soft Gripper Achieved by Layer Jamming Structure and Tendon-Driven Mechanism. Soft Robotics. ahead of print http://doi.org/10.1089/soro.2020.0065
论文工作得到国家自然科学基金共融项目（91848206）和清华大学（计算机系）—西门子（中国）有限公司工业智能与物联网联合研究中心种子基金的资助。
该文章内容转载自 CAAI认知系统与信息处理专委会
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