能拧灯泡，能煲鸡汤，还能抓豆腐！韩国这款“工业实用型软体抓手”厉害了！
导读
软而轻，硬而重的物体对于大多数机械抓手来说都不是难事，施加相对较小或者较大的抓取力即可。但是有一些柔软脆弱但很重的物体则非常难抓。为了解决这一类物体的可靠抓取问题，来自韩国机械研究院（Korea Institute of Machinery & Materials）, 亚洲大学（Ajou University）以及成均馆大学（Sungkyunkwan University）的研究者们共同研发了一款软体抓手，称之为形状适应复合抓手（shape-adaptive composite gripper）。相关的研究成果于近日发表在国际顶级机电工程类期刊《IEEE工业电子会刊》（IEEE transactions on industrialelectronics）上。借助巧妙的结构和抓取设计，该抓手可以抓取一些重量大但是脆弱易碎的物体，例如360g的豆腐，680g的大串葡萄等，展示了绝佳的实际应用效果。
作者：卡卡罗特
编辑：徐佳丽Alley
韩国学者研发“工业实用型软体抓手”
红枣炖鸡汤，此汤可补脾益气补血。食材：三黄鸡1只，红枣数个，葱末少许，盐。方法：1. 鸡冼净切大块，放进开水里过开水去浮末，2. 加入红枣……哎，我是不是走错了公众号？
图1. 大补红枣鸡汤
客官留步，您还真没走错，今天这锅鸡汤由机器人来给您炖！先不说味道怎么样，看看下面这阵势也挺专业的！
机械手先把锅摆到位！
图2. 把锅摆到位
抓起整鸡来，小心放入锅中。
图3. 抓起整鸡放到锅里
小心翼翼抓起红枣放入锅中。
图4. 加入配料红枣
再将纯净水倒入锅中。
图5. 加水准备开煮
好了，希望大家在学习工作之余注意补充营养，爱护身体。现在我们回归正题。大家看到，这款机械抓手在准备鸡汤的过程中，分别抓取了形状，大小，软硬程度都有很大差别的四种物体（锅把，整鸡，红枣，矿泉水瓶），展示了绝佳的抓取能力。
今天，小编就为大家介绍这款由韩国研究者最新研制的平行通用型抓手，形状适应通用软抓手（shape-adaptive composite parallel gripper），为了方便，小编将其简称为SAC抓手。
SAC抓手是由来自韩国机械研究院（KoreaInstitute of Machinery & Materials）, 亚洲大学（Ajou University）以及成均馆大学（SungkyunkwanUniversity）的研究者们共同研发，研究成果于近日发表在国际顶级机电工程类期刊《IEEE工业电子会刊》（IEEE transactions on industrial electronics）上。相关论文信息请参见文末。
图6. SAC抓手摘取大串葡萄
SAC抓手属于一种平行结构的抓手（parallel gripper），平行抓手结构简单可靠，是工业生产和生活中最常用的机械手之一。我们在研究抓取稳定性的时候，将平行抓手的抓取类别分为力闭合抓取（force-fit grasping）和形闭合抓取（form-fit grasping）。研究表明，当指尖的形状和抓取物贴合度非常好的时候，形闭合抓取的稳定性要远高于力闭合。SAC抓手就是一款通用型（universal），借助软体机器人技术，能提供形闭合抓取的抓手。
图7. 力闭合抓取和形闭合抓取比较
SAC抓手基于传统的平行抓手改造而成，加装了两个软指尖结构。软指尖结构由内部的软支撑层，和外部的两层定形变刚度支撑层构成。在抓取过程中，软指尖靠近抓取物，并将软指尖表面下压形成凹陷，完美贴合被抓取物体，值得注意的是，在这个过程中，定形层和支撑层极度柔软，从而保证不损坏被抓取物体。对于一些较重的物体，当达到要求的贴合程度时，可以对定形层进行抽真空变化刚度，从而牢牢的锁紧物体使其不脱落。
图8. SAC抓手的组成部分
可以看到，在定形层内侧有小型颗粒填充物。即对颗粒物进行真空抽取时，会产生阻塞的效果，从而增加颗粒物之间的摩擦力，提升定形层的刚度，支撑被抓取的物体。
图9. SAC抓手的刚度变化原理
我们先来看SAC抓手的一些其他的应用场景，之后在下一部分简单为大家介绍SAC抓手的设计和原理。另外文末附有完整的展示视频，感兴趣的同学不要错过！
SAC抓手可以抓取并拧下荧光灯泡，展示了该抓手的柔软和贴合性。
图10.SAC抓手拧灯泡
SAC抓手为您倒上一杯咖啡！
图11.SAC抓手倒杯咖啡
图12.稳稳地递一杯咖啡给您
SAC抓手可以抓取柠檬，并且挤压出柠檬汁，调配一杯柠檬鸡尾酒！这个展示真的赞！
图13.挤柠檬也不在话下
图14.调配柠檬味鸡尾酒
接下来展示抓取脆弱的物体。首先是抓取和整理熟透的西红柿，这个在软体抓手中比较常见。
图15.抓取熟透的西红柿
这个就厉害了，我们说，重而柔软的物体对于机械手来说是非常难抓的，由于这种物体表面柔软，过大的抓取力会破坏物体，但是过小的抓取力度又无法抓起物体。SAC抓手的设计就是为了解决这一类物体的抓取。这不，SAC抓手可以轻松的抓起一大串葡萄。
图16.可以抓起大串葡萄这种重而脆弱的物体
还有更厉害的展示，那就是抓豆腐了。就算是硬一些的豆腐，我们人手不小心的话也很容易抓碎。但SAC抓手也较为容易的抓起了豆腐，这点可以比过现有的很多抓手了。
图17.抓取豆腐
设计和原理
SAC抓手的主要特点就是，在稳定抓取状态下可以提供较大的抓取力度，同时在压向物体的时候，始终保持一个较小的接触力。为了实现以上目的，SAC抓手的软指尖采用复合结构进行设计（包括一个软的支撑层，和一个形状固定层）。软支撑层可以尽可能多的保证大变形，定形层里面的颗粒物可以在变形后，进一步变化刚度。
图18.支撑层和包覆层的结构
支撑层的设计是SAC抓手的关键部分。研究者用弹性材料（硅胶）做出一种蜂巢状的结构。这种结构有着较低的表面张力，因为中空的六边形结构会随着受压的方向而发生变形，从而阻止了变形沿着表面扩张。
研究者用这种蜂巢结构和海绵做对比，可以看到，在同样的受压情况，变形在弹性蜂巢结构扩张要小于海绵块表面。因此，物体可以更好地嵌入弹性蜂巢结构。
图19.蜂巢结构和海绵结构受压时的变形比较
为了实现刚度变化，研究者设计了一种定形层结构。利用一种高弹性的网状布料，将250微米尺寸的颗粒物缝制到布料之中。研究者用两层布料包裹弹性层，这样的话，它在多个方向都可以实现延展。对定形层中的颗粒物抽取真空后，它的刚度便会提升。
图20.双层包裹结构
SAC抓手抓取目标物的过程如下。首先先用外力将目标物推向指尖，然后在软状态下物体和指尖实现最大限度的贴合，然后抽取真空，实现最终的抓取。
图21.变刚度抓取过程展示
研究者通过比较不同结构受压时候的变化情况，证实了蜂巢结构、蜂巢结构+定形层具有最优的贴合性。
图22.不同类型的抓手测试
研究者也测试了SAC抓手的抓取效率，通过实验可知，SAC抓手的设计要远远优于其他设计（诸如橡胶片，海绵，硅胶片等）。即提供4N或者8N的正压力，抓取力可以达到12N或者20N。这样的话，只要施加很小的压力，就可以抓住很重的物体。
图23.抓取效率比较
总结和展望
通过抓取各种不同的物品，SAC抓手展示并完成了很多其他抓手难以胜任的抓取任务。它是专门为抓取脆弱柔软，但是又偏重的物体而设计，例如成熟的柿子，豆腐，葡萄，荧光灯等。
但是SAC抓手目前来说还有一些限制。例如它在抓取具有较大平面的物体时，抓取效率比较低，尤其是大于指尖的面积时。同时，SAC抓手也受到潮湿环境的影响，大约会减少一多半的抓取效率。
在未来，研究者希望能在SAC抓手表面增加一些传感器来调节抓取的力度和压入距离，从而实现闭环抓取。总的来说，SAC抓手为工业领域机械手的发展提供了一个让人惊叹的解决方案。
文末视频：
文章信息：
Lee, J.,Seo, Y. S., Park, C., Koh, J. S., Kim, U., Park, J., ... & Song, S. H.(2020). Shape-adaptive universal soft parallel gripper for delicate graspingusing a stiffness-variable composite structure. IEEE Transactions on IndustrialElectronics.
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9301216/