軟體機器人因其特有的優(yōu)勢，在很多領(lǐng)域受到越來越多的重視。機器手作為機器人與外界交互的主要工具，在機器人設(shè)計開發(fā)中具有十分重要的地位。柔性機器手具有良好的靈活性和適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)變形，使得在人-機器人以及環(huán)境-機器人的交互應(yīng)用中，可以有效避免對人和物品等造成可能的傷害和損壞；更重要的是，柔性機器手能夠在較為簡單的控制策略下，輕松實現(xiàn)與復(fù)雜形狀的物體的貼合（共形）接觸。因此，開發(fā)能夠靈活抓取和操控的柔性機器手受到科研人員的普遍關(guān)注。
近日，美國密歇根州立大學曹長勇教授團隊與北華大學耿德旭教授團隊合作研發(fā)了一種剛?cè)狁詈蠚鈩尤嵝詧?zhí)行器(FHPA)和柔性仿人機器手。該柔性復(fù)合機器手采用人手仿生學結(jié)構(gòu)，通過新的彎曲型剛?cè)狁詈蠚鈩尤嵝詧?zhí)行器FHPA進行驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、輕質(zhì)、靈活、輸出力大和適應(yīng)性強等特點（圖1）。該手指狀柔性執(zhí)行器內(nèi)部布設(shè)硅膠彈性體氣囊，外側(cè)裝有薄片狀束環(huán)，氣囊與束環(huán)在一側(cè)設(shè)有板狀彈性骨架。施加氣壓后，執(zhí)行器內(nèi)氣囊內(nèi)壁受壓發(fā)生膨脹，外壁徑向變形受束環(huán)約束從而以產(chǎn)生軸向力為主，從而產(chǎn)生實現(xiàn)類手指的彎曲運動。該設(shè)計中，柔性執(zhí)行器采用裝配集成方式，可布設(shè)多個氣囊進行驅(qū)動以產(chǎn)生更大的抓力。整個執(zhí)行器內(nèi)部軟體氣囊與彈性骨架剛?cè)嵯酀瑥椥怨羌芷鹬魏瓦B接作用，可提高柔性執(zhí)行器剛度和彈性恢復(fù)，保證執(zhí)行器在完成運動功能和柔性的同時，使柔性機器手在抓持物體時保持一定的剛度。機器手整體結(jié)構(gòu)采用非對稱式 – 拇指與中指相對。拇指并采用雙驅(qū)動單向彎曲柔性執(zhí)行器來增強機器手抓持能力，其余四指采用單驅(qū)動單向彎曲執(zhí)行器。此外，在氣壓控制系統(tǒng)內(nèi)裝有氣壓傳感器用于監(jiān)控每根手指執(zhí)行器的內(nèi)部壓力，以便手指變形與物體接觸后，及時進行反饋調(diào)節(jié)壓力以適應(yīng)不同物形和重量目標物體。實驗結(jié)果表明，采用該剛?cè)狁詈蠚鈩尤嵝詧?zhí)行器制備的機器手具有良好的靈活性，能夠精準完成抓、握和捏等多種動作；同時，通過調(diào)節(jié)執(zhí)行器內(nèi)部氣壓，既可以控制手指形變和輸出力，又對抓取物的形狀變化具有較強的適應(yīng)性。該柔性機器手夾持力可達12牛，可抓持重量為1.3千克以上的物體，未來在機器人-人、機器人-環(huán)境交互應(yīng)用中將具有巨大的應(yīng)用潛力。
以上相關(guān)成果發(fā)表在國際著名期刊Soft Robotics上。論文第一作者為北華大學/密歇根州立大學劉曉敏博士，通訊作者為密歇根州立大學曹長勇教授和北華大學趙云偉教授。北華大學耿德旭教授、密歇根州立大學包裝學院博士生陳守鍔和電氣與計算機工程系譚曉波教授為論文共同作者。
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