前沿 | 神奇的机器手

2020-09-11

在北京软体机器人公司位于江苏省张家港经济技术开发区的实验室里,工程师们忙忙碌碌的做着准备,调试数据、小心的给机器人安装机器手。

 

工作台上机器人看上去它并不特别,不过,这个蓝色机器手却透着不一样。这是一双特殊的“手”,和其它机器人不同,这就是国内第一台软体机器人。这场实验的结果是要证实,软体机器人能不能突破公众对机器人的认知边界。

 

测试的内容,是软体机器人要从这盘生鸡蛋里随意选出一只,打碎鸡蛋后,把蛋黄完整地捞出来。

北京软体机器人有限公司工程师单雪梅表示,用夹爪将蛋清蛋黄分离 这个过程体现了机器人夹爪柔软的特点,它不会对一些如蛋黄脆弱的的东西造成任何的损伤,能够完整的剥离。

在软体机器人测试之前,工程师们做过一项实验,借助工具或者用手捞起蛋黄,这耗费了工程师们接近2分钟的时间。之所以能做到这一点,是因为在蛋黄外面,有一层极薄的蛋黄膜,它的厚度为16微米,办公使用的A4纸平均厚度大约是100微米左右,如果我们借助工具或手,小心翼翼的也能捞出蛋黄,但是难度和耗时可想而知。

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单雪梅称,软体机器人能够将不同大小的鸡蛋都能分割、分离,体现了它对各个尺寸的兼容性,也就是所谓的柔性。


什么是软体机器人?

3.jpg软体机器人和我们在生活中看到的送餐,仓储搬运、生产线上的机器人完全不同,这些机器人通常是钢铁、合金等金属材料制造的,它们坚硬的爪子看起来充满力量,却也具有一定的破坏性,让人难以亲近。 

北京软体机器人有限公司总经理高少龙表示,全世界存在的机器人都在仿生,它叫仿生关节动物。但软体机器人是另外一个大类,这个类别的级别非常高,它有仿生软体动物,比如海星、章鱼,软体机器人的整个运动控制和结构设计的逻辑是完全不同的。   

章鱼是海洋世界里最为柔软的鱼类之一,它们很聪明,触手很灵活,在操纵物体方面有天然优势。毫无疑问,刚体机器人坚硬的四肢无法做到这样柔软。章鱼柔软的手臂给机器人研究者提供了灵感,能不能让机器人像章鱼一样、没有坚硬的骨骼,具备无限自由度和连续变形的能力呢?

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高少龙一直痴迷于软体机器人研究这个领域。在他看来,软体机器人就是要做到像章鱼一样,能蜷缩成一团。软体机器人跟传统机器人最大的不同是:它没有传统意义上的关节,也就没有肘部和腕部这个概念,它到处都能变形。因此传统的机器人控制理论是无法复用的,这项技术是一项原理级的创新。


高少龙解释了软体机器人的两个特点。第一,软体机器人和传统的刚体机器人,在抓取物品的方式上有着决定性的改变,不再是寻找平衡点以后的“夹”,而变成了更类似于人手抓取物品的“握”,这两者无论是从抓取的稳定性和动作的精密度而言,软体机器人都具有不可比拟的优势。

机器手的材料选择

6.png在实际应用中,机器人是通过机器手来完成操作的,机器手又被称作“夹爪”。软体机器人所用的材料必须是柔性材料。目前在我们所能见到的软体机器人中,硅胶是最为常见的材料,而且工艺成熟,成型简单,已经应用在了许多领域。但是,在已有的硅橡胶产品中,似乎还没有能够完全符合这只“手”的材料。制作这只神奇的“手”,必须符合相应的食品安全性、稳定性、硬度、强度等一系列参数。在这些参数中,最难解决的就是硬度参数。简单地说,如果希望机器人“手”的变形程度更大,能够灵活地运动,就要选择硬度低的材料。但是,如果希望“手”抓握东西时,又稳又准,就需要硬度更高的材料,也就是说要达到软硬合适,软一分不行,硬一分也不行。

在经过已经无法计算次数的测试之后,研发工程师们获得了经过一定比例配制出的硅胶材料。反复对硅胶材料拉伸时可以看出,拉伸长度约是原来的7倍,但它没有断裂,当停止拉伸时,它能迅速恢复到原来的长度,而且没有损坏,由此可见硅胶的柔韧性非常好,而硅胶材料的夹爪抓起鸡蛋,放进一百摄氏度的开水里之后,硅胶材料依然完好无损。软体机器人柔韧性好,安全耐高温,不易损坏的特点,是传统刚性机器人无法做到的。

机器手的驱动原理

7.jpg能反复抓取物品300多万次的夹爪,已经不是传统的硅胶材料了。材料难关突破之后,那么,怎么才能驱动这只特殊的“硅胶手”在生产线上丝毫不间断的工作呢? 

软体机器人采用的气动驱动原理,就是通过充气,改变柔性夹爪的压强变化,从而来形成它的形状和弯曲程度,最终实现移动和抓取等动作。

软体机器人气动的驱动方式有很强的适应性,可别小看了气动驱动方式,在应用中通过气动的进气量,就可以在抓取不同产品时,调整出不同的动作设计、力度和精度。并且具有高速、高效,清洁安全,低成本,易维护等优点。

机器手的应用

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2018年8月,软体机器人正式进入到实际应用场景。此时,他们的柔性夹爪的重复定位精度,已经可以达到0.04mm,夹爪的最高抓取速度达到每分钟150次。

高少龙团队最新的研发成果是手部康复机器手软甲。一台主机,一只特殊的康复手套,同样采用了仿生硅橡胶材料,同样用气压驱动。它是为脑卒中患者手部康复而研发完成的。在我国,老年人脑卒中患者就达到1200万人,中风患者的手部康复仍依靠按摩、针灸等传统康复方式。

 

传统的辅助康复设备,大多采用马达、轴承和刚体材料来实现运动,在模拟人手运动方式上具有一定的局限性,刚性材料也容易对患者造成二次伤害。不同的是,手部康复机器人利用柔性夹爪模拟抓握动作的研究成果,设计出符合人手运动的合理模式,并且由于采用了纯软质的材料,在患者运动受到阻碍时,自身发生形变,避免了对患者手部形成大载荷的冲击,能够安全、无伤地辅助心脑血管后遗症患者的康复训练。

 

在国家康复辅具研究中心附属医院主治医师曹效医生看来,康复手软甲利用软体机器人的柔性手模拟抓握动作,在自由度上为患者的手部康复训练提供了最大的支持。而这项技术在未来希望能协助患者完成更精准精细的动作。

 

软体机器人是一项集材料、力学、生物学、自动化等多学科的交叉研究,也是目前国际学术界的前沿热点,在当下,软体机器人涉足的领域越来越深入,复杂的地质勘探、潜水作业等一些特殊环境都会借助机器人的帮助,而软体机器人在医疗方向的深度应用更是科学界研究的热点。




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