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具有折纸风格的机器人指尖具有变形功能李英俊

2022年10月29日

具有折纸风格的机器人指尖具有变形功能

为了执行涉及移动或处理对象的任务，机器人应根据这些对象的属性和它们周围的环境迅速调整其抓握和操纵策略。

到目前为止，大多数已开发的机械手都具有固定的限制结构。因此，它们只能执行有限的运动，并且只能抓住特定类型的对象

香港科技大学的研究人员最近开发了一种机械指尖，该指尖可以改变其形状并可以在三种不同的配置之间切换，从而可以抓握更多种类的物体。

在今年的IEEE自动化科学与工程国际会议上发表的一篇论文中概述了这种指尖的独特设计，其灵感来自日本著名的折纸艺术折纸。

两位从事这项研究的研究人员Kanzicheng和Zhang Yazhan Zhang通过电子邮件告诉TechXplore：“我们的研究受到当前研究和工业应用中两个常见观察的启发。” “第一个涉及在过去的研究中开发的平行夹具，这可能有助于实现工业自动化。

这些夹具需要精心选择的抓取点，否则可能无法实现静态平衡。”

几十年来，研究人员一直在尝试开发技术来控制机械手的抓握姿势。但是，大多数现有方法都有明显的局限性，使它们无法很好地在不同对象之间进行概括。

Kan，Zhang及其同事进行的这项研究的首要目标是开发一种指尖，该指尖可以轻松控制并且可以执行各种姿势。

坎和张说：“过去另一个启发我们研究的发现是，要获得稳定的抓地力，工程师必须设计一个固定在平行夹具上的专用夹具，以进行操纵，例如拾取和放置等。”

“如果将装配线上的项目更改为不同的形状，这将很麻烦，这将导致手动更换夹持器的效率低下。我们创建的变形指尖可以帮助减轻或克服这一问题。”

Kan，Zhang及其同事创建的机器人指尖设计基于他们先前研究中介绍的其他机器人结构。例如，在2019年，研究人员创建了一个折纸启发的，扁平指尖的整体式软抓手。

尽管此抓手也可以变形和改变形状，但由于指尖的平坦度和柔软度，其在有效载荷和灵巧性方面的性能很差。

坎和张说：“我们小组的一名博士生宋浩然先生以前也发表过一篇关于接触面聚类的论文，展示了代表主要局部几何形状的三种典型接触原语。”

“这些安装在平行夹具上的指尖已在不同的物体上进行了测试，表明抓握的可行性和稳定性。本文启发我们设计了一种变形指尖，其形态结构在三个接触原语中。”

由香港科学技术大学的Kan，Zhang及其同事开发的基于折纸的新形状变形指尖具有两个主要组成部分：柔软的折纸骨架和运动驱动的四连杆机构作为驱动和传输机制。

指尖的接触图元以三种变形模式显示。研究人员在指尖的中央放置了一个球形接头，以实现三维自由旋转并支撑顶表面。此外，他们使用伺服电机来独立控制放置在软折纸骨架上的四个叶片小面。

坎和张解释说：“通过在每个叶片小面上使用不同姿势的组合，可以针对不同的抓握模式实现多种配置，例如凸形，凹形和倾斜平面模式。” “这些模式可以通过我们的运动学模型进行模拟和预测。”

研究人员评估了他们的指尖在有效抓握机器人必不可少的动作中可以达到的三种变形模式。例如，他们测试了凸出模式在进行枢转和捏紧抓握，凹入模式用于进行力量抓握以及倾斜平面模式在手操作和重新定向方面的有效性。

总体而言，他们发现，他们开发的指尖具有许多有利的特征，包括能够根据手头的任务在不同的变形图元和抓握模式之间以及在稳定和灵巧的抓握模式之间快速移动的能力。指尖的配置可通过其使用的运动学模型进行有效地仿真和指导。

配置空间内的轨迹跟踪。坎和张解释说：“我们针对适应性和灵活性要求提出了一种新的解决方案，该解决方案可应用于学术和工业环境，而无需增加大量额外成本。” “我们的设计可以为将来尝试使用紧凑，可控和变形的指尖解决这些问题的作品提供参考。”

将来，由Kan，Zhang和他们的同事设计的变形指尖可以集成到许多现有和新开发的类人机器人中。

由于它的成本相对较低，因此它可以帮助实现流水线工艺的自动化，从而降低与根据现有夹持器能持续改变产品形状而产生的成本操作。

尽管由这组研究人员创建的指尖取得了令人鼓舞的结果，但在将其商业化之前，仍然需要解决许多问题并进行测试。

例如，目前，其实际性能与运动学模型所做的预测之间存在差异，Kan，Zhang和他的同事计划通过稍微改变其设计和制造过程来解决其未来的工作。

坎和张说：“我们计划在未来的研究中重点关注的另一个领域是小型化，它使用较小的电动机和更紧凑的结构，以便可以轻松地将指尖集成到机器人的手上。”

“此外，目前，该结构在变形方面采用开环控制策略。传感在实际应用中对于强大的末端执行器起着重要作用，因此我们将来还将尝试增加此功能。”