家用柔性机械手设计
郝子宜 李金帅 徐汉斌
摘要：随着家用机器人的普及，机械手的实用性以及柔软性直接影响机器人的使用性能，设计一种家用柔性机械手，对传统机械手进行性能提升。设计一款柔性机械手，主要由手指开合装置、海绵吸盘、柔性贴合吸盘、柔性气囊组成。模仿人手指关节、皮肤的运动原理进行物体抓取。大幅改良此类机械产品的性能。此柔性机械手柔和性及适应性适合家用环境。柔性机械手在生活中发挥的重要作用将越来越被人关注，未来市场需求会与日俱增。
关键词：柔性机械 模拟人手 皮肤贴合 模式切换
中图分类号：TB47 文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2021）03-0099-03
引言
近年来，在全球机械自动化的带动下，掀起了智能机器人发展的热潮。随着机器视觉、机器感知技术的发展，形形色色、功能各异的机器人产品开始出现在人们的生活中。其中机械手是机器人的重要的组成部分，其属性直接影响机器人用途的广泛性与实用性。机械手在及生活中发挥的重要作用越来越为人所关注，未来市场需求会与日俱增。
在这样的背景下，“柔性机器人”概念开始逐渐被提出。通过柔性材料的使用，机器人有很大性能提升，使其能够有更好的适应性、安全性以及人机互动能力，以此在先进制造业以及人类日常生活工作中可以发挥出更大的价值。以当前国内外柔性机器人的迅猛发展之势，柔性机械手的研究和发展必然受到越来越多的重视。针对现有问题，设计了家用柔性机械手，改良现有柔性机械手柔软性和连接平滑性差、抓取稳定性低、抓握可控性差等问题。
一、项目意义
针对家庭中需要抓取各种形状各异的物体，本柔性机械手具有自动化程度高、取物柔和、抓取稳定等特点。家庭环境中提供更柔软安全的机械服务，且仿生柔性手可以为残障人士提供服务等。大幅改良智能机器人的性能，能够起到的实际作用较多，其特殊性在于：
（一）模仿人手指关节、皮肤的运动原理进行设计。在现有柔性机械手和传统机械手的基础上进行了改进，针对多为刚性材料的传统机械手，当抓取易碎物品时，较为固定的力容易对物体造成损坏;针对如今柔性机械手在抓握形状特殊或摩擦系数很小的物体时，因抓握不稳定而把物品摔坏;抓取物品时无法得知抓取具体力度没有更精准地抓取等缺点，进行结构和材料的改进。
将柔性机械手模拟人手设计。手指开合装置以及机械外骨骼模拟关节弯曲固定物品，海绵吸盘和柔性贴合吸盘模拟掌心褶皱摩擦贴合。柔性气囊模块模仿指尖，采用橡胶材质模拟皮肤，从而增大摩擦。从而使抓握稳定，可控性提高。
（二）驱动模块改进。加入指关节控制模块，采用机械外骨骼指节为柔性原件提供支撑，在关节处使用微型马达。从而使多个关节在微型马达下灵活弯曲运动。使机械传动机械手抓握过程比如今柔性机械爪更加可控，增强其抓握稳定性。
（三）多个机械手指配合，调配出不同模式。本柔性机械手采用四点红外测距原理以及手指开合装置，通过红外测距原理预判物品形状，由于红外线有很高的频率响应，因此能精确判断物体形状及大小，从而采取不同抓取策略，使手指可以根据所抓取的物品形状进行模式的转换。
（四）抓取过程多级调节，首先通过机械部分靠近围拢要抓取的物体，再通过抓取过程中柔性材料的变形，使柔性材料更加紧密贴合抓取物体，更加突出柔性材料在柔性机械手中的作用，可以以简单的原理适应各种物体的形状，与传统机械手相比抓取更加柔和，也提高了抓取的稳定性和适应性。
二、项目研究内容
（一）机械关节移位设计：针对要抓取的各种形状各异的物体，首先利用红外测距原理对所抓取物体形状进行分析，根据物体的形状及大小更改手指的伸张幅度与工作模式。实现对不同形状物体的初步适应。
（二）海绵吸盘模块设计：在爪心处设置海绵吸盘模块，可以使机械爪与物体紧密贴合，使受力更稳定，改善了目前柔性机械手抓取物体应力不均衡的缺点。同时，气囊与海绵的组合使整体机械手更加柔和，适合在家庭中使用。
（三）柔性贴合设计及柔性气囊：柔性贴合模块的伸缩吸管柔性贴合不同物体表面，增加固定环节，使柔性材料更加紧密贴合抓取物体，柔性气囊仿生人指尖肉团。抓取过程中贴合物品，增大摩擦。更加突出柔性材料在柔性机械手中的作用。由于待抓取物品硬度各异，气囊及柔性贴合设计可以在柔性机械手抓取的过程中使机械手抓取更加柔和，也使抓握力适中，避免物体造成破坏。
（四）多模式抓取设计：柔性机械手指多模块协调工作，紧密配合，每个部分在抓取工作中起到不同的作用。通过多个机械手指配合，调配出不同模式使，针对不同的待抓取物品，采用不同的抓取模式，使抓取工作精细化、专门化，更加精准稳定地抓取形状各异的物体。
三、设计思路及可行性分析
综合考虑到家用柔性机械手的应用场景和功能需求，在抓取过程中通过装置自身的微调，提高抓取物品的稳定性，能实现大大增加抓取物品时的贴合性以及适应性，从而能对不同大小和形状的物品进行稳定抓取。
首先，结合现有的柔性机械手的优缺点，考虑到装置在抓取阶段要完成的一些任务，设计将机械手分为掌心海绵、柔性贴合吸盘以及指尖气囊三个部分，抓取过程每个部分依次完成其功能，实现逐步微调，达到柔性功能。
之后考慮到装置在转变工作模式时各手指间的相对位置改变，设计中心基座轨道以及横向轨道，保证装置运动的灵活性。
随后，我们考虑到由于所抓取物体形状及材质的多样性。因此设计红外测距装置以及压力反馈系统，感知不同物体的形状特点，利用压力反馈控制对物体的抓力从而达到柔性效果。同时基于红外传感器原理设计避障模块，避免撞到其他物品。
最后，对柔性机械手外观进行设计，美化机械手。在设计过程中，对关键零件进行强度校核和应力分析，提高设计的可靠性且方便后续设计。
四、机构设计及原理说明
柔性机械手部分整体展示图如图l：
（一）手指功能模块设计
1.海棉吸盘模块设计：在柔性机械爪手掌处设计海绵吸盘模块。抓取时，由此吸盘模块先贴合物体，进行初步定位和包覆物体。此模块模仿人的手心，包覆贴合不同物体表面，起到摩擦及固定作用。抓取时包裹住抓取物体，通过提升受力面积，减少压强，从而能够在抓取物体的同时，避免对物体产生较大应力。对于被抓取物体来说，使抓取动作更加轻柔，充分体现柔性机械手的柔性特点。
2.柔性贴合吸盘模块设计：为使机械手更加贴合物品，设计柔性贴合吸盘部分，如图2。通过伸缩吸管柔性贴合不同物体表面。贴合机构如图3。其内部设置机械骨架固定，在弹簧的作用下通过弹簧伸缩贴合抓取物体从而实现对不同形状物体的适应性。在贴合机构头部粘贴摩擦垫，模拟皮肤纹理，增加与抓取物体的摩擦，防止物品滑动。在抓取物体时机械爪展开，海绵吸盘包覆物体后，该部分缓慢贴合物体，对抓取物品起到支撑固定作用，改善了目前柔性机械手抓取物体不稳定的缺点。
当物体重量较大时，保证了抓取过程中的平稳，吸附模块会吸附物体，借助灵活的关节运动以及增力，可以使物体得到进一步固定，使得物体与机械爪始终保持贴合状态。
吸附模块的工作原理为首先将真空吸盘通过接管与真空发生器接通，然后与待抓取物接触，起动真空设备抽吸，使吸盘内产生负气压形成负压腔，从而将待抓取物吸牢，即可提升物体。抓取时可以通过调节负压腔压强来控制吸盘吸力。保证对不同物件夹取的柔性。当待抓取物搬送到目的地时，平稳地充气进真空吸盘内，使真空吸盘内由负气压变成零气压或稍为正的气压，从而完成抓取的任务。
同时在柔性贴合表面设置压力传感器。此压力传感器用于控制真空发生器控制器。使柔性机械手抓握物品到达设定压力时发送信号给真空发生器控制器，控制器在接收到信号后控制真空发生器适当调节，维持负压腔压强在规定范围内，使抓取过程始终保持柔软性。接着进行下面各项操作。
3气囊模块设计：气囊外观如图4。由于所抓取的物体形状各异，重心位置不确定，同时物体硬度不同，抓取过程中需要保持物体在机械手中的平稳性。柔性气囊仿生人手指尖肉团，在抓取过程中贴合物品。气囊气动负压状态下吸取物品，使气囊紧密贴合抓取物体，突出柔性材料在柔性机械手中的作用。由于待抓取物品硬度各异，气囊及柔性贴合设计可以在柔性机械手抓取的过程中使机械手抓取更加柔和，也使抓握力适中，避免物体造成破坏。
本机械手利用柔性气囊实现吸附以及固定作用，对柔软物体能够起到很好的承力性能，对于脆弱物体也可以实现保护作用。气囊模块的设计，避免了对物体造成损伤，有效满足了柔性机械爪的使用要求。
（二）手指运动模块设计。为了保证机械手指的灵活性，以适应各种形状的物体。该模块通过电机驱动，通过中心基座上的轨道与卡槽相互配合，达到不同手指位置与张开幅度调节的作用，如图5。
（三）旋转开合机构设计。为实现对不同大小物体的适应性，设计旋转开合机构，如图6。旋转开合机构利用曲杆与卡槽的配合与手指连接，通过中心转盘的转动实现曲杆的伸展与回收，实现旋转开合，改变手指的张开幅度。同时，各个模块可以单独转向运动，来单独改变某一手指的抓取方向，从而改变装置工作模式。
五、工作模式设计与分析
本装置设置有变形机构，通过旋转开合机构，利用曲杆和卡槽进行模式变换。变换的目的在于，在不同的模式采取不同的操作方法，实现对各类形状物体的抓取，使机械手具有普适性;同时，在抓取各类物体时，通过红外测距原理分析所抓取形状，从而采取不同的抓取方式，更改力的作用点，对物体更适合，从而进一步实现柔性机械的目的，可防止物体受损。在工作模式切换时，可根据固定于爪上以及连接块上的红外测距仪反馈信息实现信息的采集与处理，经处理后的信号可以可反馈作用于变形机构，针对抓取的物体实现微调。
本机械手一共分三种模式，分别为夹持模式、爪抓模式和抬升模式。
（一）夹持模式
设计夹持模式可以稳定抓取侧边为圆柱面、平面等适合侧面受力物体。夹持模式采取并爪变换，将受力点置于物体两侧，模拟人抓握杯子的手势。通过气囊膨胀形成包覆面，提升力为摩擦力。由于气囊在与物体接触受力时会产生向内的挤压变形，可减少气体体积，增大气体的压强。同时，气囊实现对接触面形状的贴合，通过气体压强产生压力，通过压力产生摩擦力平衡物体的重力。通过此变换的机械手有着类似夹子的形状，可以完成对圆柱体、箱体和球体等或一些单向长度过大物体的抓取。其抓取柱形物体如图了所示。对于小的物体，可以在此种模式下单独使用气囊部分对小物体进行完全包覆，实现稳定柔性抓取。
通过该变换形成的机械手在对物体进行抓取时，由于气体在气囊内部分布均匀，不存在阻塞情况，气囊各部分压强均衡，即实现对物体的压力处处相等。针对于一些较脆弱的物体，可以最大限度利用其强度与刚度，避免对其产生破坏，实现柔性目的。
（二）爪抓模式
由于生活中有很多不规则形状物品，如水果、玩具、小型电器等。爪抓模式采取四指并用的工作模式，可通过四个手指的移动实现抓、握、捏等功能。此种工作模式抓取的受力点分散分布，通过机械爪与物体的贴合，支持力与摩擦力平衡物体重力。在此工作模式中，由于受力点分散程度大，各機械爪功能不同，可分为承力机械爪、平衡机械爪。
承力机械爪和平衡机械爪提供力的方式分别为主动和被动两种方式，其中，承力机械爪需要主动对其产生作用力，提供相对应的摩擦力与支持力。平衡机械爪仅需被动提供小程度的力，主要是保持物体的平衡，避免抓取过程中物体脱落，此力可根据机械爪工作行程速度产生较大改变。单个手指的两个关节可以根据待抓物体的形状进行改变从而使机械爪更好地贴合待抓取物，进而完成各种特殊形状物体的抓取。因受力点分散，也可以根据物体的结构特性采取不同的形状对其进行抓取。其抓取不规则物体如图8所示。
通过该种工作模式，可以实现对各种形状物体的抓取，其独特的可变性可根据需要进行变换，从而满足各种需要。由于待抓取物体较为复杂，该种工作模式信息处理量大，需要根据各种信息进行微调，操作略有繁琐，在运行速度方面会稍遜一筹。但同时，该模式灵活度高、适应性强。
（三）抬升模式
针对扁平物体、适宜底部受力的物体以及需要底部侧面同时约束防止洒落的物体，设计抬升模式。其采取两爪并拢的工作模式，该模式变换方法是使指尖部位基本平铺，类似吊篮形状，气囊直接接触物体实现吸附抓取。
该模式下，承力机械爪与平衡机械爪划分更加明确，侧边爪为平衡机械爪，主要对物体贴合进行包覆平衡。物体受力最为集中，对于适合底部受力的物体非常契合。同时，该工作模式下操作简单，计算也相较简便。
传统机械手在抓取形状扁平的物体时通常会出现抓不起来、抓变形的问题，而本机械手通过叉车抬升模式可以将此类物体抓取起来，贴合机构在侧方对物体完成吸附固定，在下端留出空隙，使其能完成此类物体的抓取工作。该种工作模式下，压力分布均匀，物体所受主要工作力为支持力，摩擦力较小，且多用于物体平衡。
其抬升时各爪位置如图9所示。
三种工作模式对物体产生力的作用位置不一，均有其适宜的工作对象，对不同物体采取不同的适宜其结构的抓取方式，进一步实现柔性抓取的目的。
六、整体方案思考与总结
（一）整体创新点
1.功能创新
（1）加入红外测距模块，通过对数据的处理，可以判别物体形状和大小，通过对测算数据的分析及轮廓特征的形状匹配对机械爪的工作模式及各工作方式作出相应调整，实现智能化切换工作模式的目的。此模块实时更新数据，在使用时极为灵活，对于突发事件如物体形状改变、抓取过程中有其他物体靠近、在一种模式进行工作时若因工作环境变化需改变工作内容等情况都可以在无需初始化重新工作的基础上做出即时调节从而实现及时的处理，充分体现柔性机械手的柔性及应变性。
（2）设计三种抓取模式，分别为夹持模式、爪抓模式和抬升模式。抓取侧边为圆柱面、平面等适合侧面受力物体时，采用夹持模式;抓取形状复杂不规则的物体时，采用爪抓模式;抓取扁平或适宜底部受力的物体时，采用抬升模式。针对不同形状以及不同受力类型的物体选择适应的模式，使抓取物体适应性强，普适性及柔性更强。
2.结构创新
（1）本装置仿生人手，柔性气囊模拟指尖皮肤增大摩擦实现柔性抓取;机械骨骼部分模拟人手指骨骼及关节弯曲固定物品;贴合模块顶部摩擦垫以及贴合海绵模拟人手指纹及掌心褶皱摩擦贴合，实现抓取的稳定性和贴合性。兼具协调与独立的优点，多只手指可协调工作，又可以单独控制，应用面广，实现功能多，适应性强，可根据用户的使用定制。
（2）本装置通过海绵模块、气囊模块与贴合模块的多个功能模块复合设计实现对物体的多层次夹持，使抓取更加平稳。设计多段关节，相互独立，工作原理相同的情况下存在多种工作形态，实现对抓取物体的较强适应性，能够适应不同形状、尺寸各异、材料多样的生活物品的夹取，抓取的物品范围覆盖度高。本设计具有良好拓展性，各部分均可拓展其余模块，从而实现工序的减少以及装置能力的提高。同时在配合时不存在不兼容的问题。
（3）通过手指运动模块的设计，多个机械手指配合，可以实现各个机械爪间空间位置的调节，使多种模式相互切换，适应多种外形的物体，以保证抓取的柔性以及稳定性。
（二）推广前景
在现有柔性机械手和传统机械手的基础上进行了改进。针对传统机械手多为刚性材料，当抓取易碎物品，较为固定的力容易对物体造成损坏;针对如今柔性机械手在抓握形状特殊或摩擦系数很小的物体时，因抓握不稳定而把物品摔坏;抓取物品时无法得知抓取具体力度没有更精准地抓取等缺点，进行结构和材料的改进。采用多级调节，使柔性材料更加紧密贴合抓取物体，更加突出柔性材料在柔性机械手中的作用，改善了目前柔性机械手抓取物体不稳定的缺点。并且根据抓取物体的形状特点改变工作模式。
本机械手可应用于家庭环境中提供更柔软安全的机械服务，也能应用于在家庭中为不方便活动的人士以及残障人士提供服务。可以在日常家庭生活中在具有柔和性的前提下为人类提供较大帮助。
