灵活度堪比人手！韩国IRIM实验室研发可快速切换“捏-握”状态抓手
导读
大多数机械手能够实现精确捏取和柔顺抓握，但要实现捏取和抓握状态的灵活快速的切换仍然是一大挑战。即便是使用自由度丰富的机械手，也需要很复杂的控制和传感信息才可以实现。今天小编向大家介绍一款由韩国教育技术大学（Korea University of Technology and Education）的学者研发的新型的欠驱动机械抓手——BLT抓手。这款抓手有着3根手指，5个单独可控的电机，可以实现由捏取和抓握两种状态的自由，顺畅的切换，仿佛人手般灵活。据研究者测试，BLT抓手的每根手指最大抓握力可达6kg，抓手的整体抓取载荷可达15kg。相关研究近期发表于机器人国际期刊《IEEE机器人与自动化通讯》（IEEE Robotics and automation）上，并在IEEE IROS国际会议上做了汇报。
图1. 能够切换抓取姿态的机械抓手
一. 自适应机械抓手能快速切换“捏”和“包覆”抓取
手可以说是我们最灵活的器官了，我们主要用手来使用工具完成任务。针对不同的工具和任务，常常需要切换不同的抓取方式。据研究者统计分析发现，人手能够产生20-30种不同的抓取方式来适应不同的物体和任务。其中有两种比较常见的抓取方式，即强力抓取（power grasping）和捏取（pinch grasping），强力抓取（抓握）能够提供较大的抓取力和接触面积，捏取可以提供精确的抓取，但是力度较小。
图2 人手的不同抓取姿势：强力抓取和精确抓取
先想象一个场景，我们使用放于桌上的螺丝刀拧螺丝的动作流程，我们需要先用2到3根手指捏起螺丝刀，然后切换抓握姿态，抓握螺丝刀把手拧螺丝（从而提供一个较大的扭矩），使用过后，我们又轻轻的捏着螺丝刀并放于桌上。这个简单的任务不仅仅需要两种不同的抓取方式：精确捏取和柔顺抓取，更需要能够在两种抓取模式中的自然顺畅的切换。显然这样的任务对于我们来说是比较简单的。
图3 人手抓取切换
但是对于大多数机械手来说，要实现捏取和抓握状态的灵活快速的切换仍然是一大挑战。即便是使用自由度极丰富的机械手（例如shadow 机械手），也需要很复杂的控制和传感信息才可以实现。为了能够实现人手的功能，研究者们已经研发有15个关节，26个自由度的机械手，通过极其复杂的机械结构以及传感器的设计来实现灵活抓取。然而，这也限制了它们的广泛实用性和商业化的可能性。
今天向大家介绍一款由韩国教育技术大学（Korea University of Technology and Education）的研究者研发的一款欠驱动的柔性-刚性结合的机械抓手，BLT抓手。这款抓手结构简单巧妙，有着3根手指，5个单独控制的自由度，可以实现由捏取和抓取两种状态的自由，顺畅的切换。相关研究近期发表于机器人国际期刊《IEEE机器人与自动化通讯》（IEEE Robotics and automation）上，并在2020 年IEEE IROS国际会议上做了汇报。
图4 强力抓取和精确抓取之间切换
该机械手手指采用外侧刚性结构作为抓取驱动，内侧柔性带结构作为抓取交互，从而实现了指尖部分的捏取和指内侧具有自适应均匀抓取压力分布的抓握。柔性带内侧摩擦力较小，使得物体可以沿着带滑动，让被抓取物体可以由捏取状态轻松切换到抓握状态。
图5 机械夹爪整体结构
三根手指每根都可以单独控制，并且还可以围绕手掌进行旋转，从而摆出不同的抓取姿态，适应不同的抓取任务。
图6 手指的单独控制
图7 手指的位置切换
据研究者测试，BLT抓手的每根手指最大抓握力可达6kg，抓手的整体抓取载荷可达15kg，如此大的抓握力参数使得BLT抓手对于生活中大多数物品，甚至工业生产领域中一些零件都能够轻松抓取。
图8 承重测试-最终可以提起15kg的重物！
值得一提的是，这款BLT抓手来自于韩国IRIM实验室，该实验室还有两款明星产品，LIMS2仿人双臂机器人，以及FLLEX机械手。文末附有相关的链接和信息，感兴趣的朋友可以去搜索。
图9 韩国IRIM实验室的机器人和机械手
由于BLT抓手手指内部采用柔性带结构，因此在无需外界传感器的开环抓取控制下，抓手就可以抓取不同尺寸，不同材质的物品，同时还可以实现由捏取向抓握状态的切换。小编在这里先为大家展示BLT抓手的抓取展示，在下一单元会为大家简单介绍BLT手的设计原理和机械结构。另外文末附有完整的展示视频和文章信息，感兴趣的不要错过喔！
图10 笔的捏取和强力抓取切换
图11 辣椒的抓取
图12 漱口水的侧向抓取
图13 抓个锤子！
图14 网球的对称抓取
图15 电钻也能玩儿！
二. 抓手结构设计和测试
BLT抓手的灵感来自于缠绕物品的柔软的带子或者绳子。显而易见，用柔性的绳子或者带子缠绕物体能够近乎实现完美的贴合，从而让抓取力均匀的分布在被抓去物体的表面。
图16 机械夹爪的设计理念
基于这个灵感，研究者设计了一种新型的手指结构，传统刚性的手指内侧被一个柔软光滑的带子所代替，手指前端增加了一个直线槽。手指的弯曲由位于手指根部的旋转机构来控制，柔性带由一个线性滑块来控制，为了实现捏取和抓握状态的切换。当柔性带长度缩短时，指尖会靠近物体，物体接触点移动向柔顺抓取区域（带子内侧）。为了让指尖在自然状态下保持竖直状态，指尖处安装了一根弹簧。
图17 单根手指设计原理图
研究者利用抓取一根直径8mm的笔来验证捏取——抓握切换的可行性。首先通过平行捏取来从平面捏起笔，然后拉动“柔性带”从而收紧指尖（目前位于精确捏取区间，抓手和笔之间的接触为点/线接触）。当想要切换到抓握区间时，进一步旋转手指根部，笔会沿着光滑的带表面滑向手掌，从而由点/线接触变为了面接触。
图18 从指尖精确捏取到柔顺抓取
我们假设被抓取的物品截面积是一个圆形，可以看到抓取时候指头和物体接触力的分布如下图。在大多数情况下，接触发生在三个区域，指尖，带，以及手掌。在手掌和指尖的刚性接触均为点接触，在柔性带部分则为均布的面接触，因此增加了抓取的稳定性和适应性。
图19 抓取静力学分析
下图展示了BLT抓手的尺寸和形状设计。它包含有三根手指和5个电机。每根手指由一个电机控制屈伸。为了控制指尖的角度，有一个电机安装于手掌结构中，同时调节三根手指的带的长度。另外一个电机也位于手掌中，用来调节其中两根手指的朝向。当旋转180度时，BLT抓手可以进行平行捏取以及对于圆柱形的物体进行抓握。当收起一根手指，另外两根手指相对放置时，两根手指的捏取也是可行的。
图20 机械抓手尺寸和手指的不同位置
下图详细介绍了BLT手的电机以及传动系统的设计。为了增加手指的抓取力，减少所需能量，手指的弯曲采用了蜗轮蜗杆结构来驱动，同时还增加了一对直齿轮来进一步增加减速比。用于驱动带的电机安装与手掌内测，通过三个丝杠螺母结构和三根手指的带相连。控制手指切换姿态的电机也安装在手指内侧，通过一组齿轮来实现手指角度的调节。可以看到整个结构进行了最大化的优化和设计。
图21 机械爪手的驱动单元设计
三. 总结与展望
BLT抓手能够模拟人手在捏取和抓握之间切换的设计着实让人眼前一亮。虽然还缺少很多人手的功能，没有办法和人手相比，但是通过巧妙而简单的结构设计实现了捏握切换也是值得大家借鉴的。
研究者指出，BLT机械手的设计同时考虑了实际应用和商业化等因素，做到了最优化设计。即采用了最小数量的驱动器来实现最多功能的抓取，同时保证了抓手的载重和耐用性。
在未来的研究中，研究者打算集成可靠的关节扭矩传感器和指尖压力传感器到BLT抓手，从而实现闭环抓取控制。另外，目前来看BLT手整体显得过于庞大，未来，研究者会进一步缩小它的体积和重量，从而更好地应用于机器人上。
图22 捏起乐高小人
文末视频
END