《Soft Robotics》发表北大谢广明团队研发多功能折纸机器人抓手

软体机器人抓手以其卓越的适应性在多样化抓取任务中脱颖而出，成为非结构化环境中精细操作、高效物料处理和敏感抓取的理想之选。其自适应抓取能力让它在不同材质和类型物体间游刃有余，展现出对多变环境的惊人适应能力。

在软体机器人抓手领域，折纸技术型抓手凭其卓越特性与传统设计形成鲜明对比。其创新设计能主动或被动地适应复杂形状物体，展现超凡适应性。同时，其固有的柔韧性使其在快速响应和生态敏感区域应用中潜力巨大，成为研究焦点。

然而，尽管具备优异的适应能力，软体机器人抓手在实现高速抓取和精准控制方面仍面临挑战，特别是在需要快速响应如非法无人机干扰处理和海洋生物研究采样等任务时，这些挑战尤为显著。

前不久，来自北京大学工学院谢广明教授团队的研究人员提出了一种具有适应性抓取与双稳态快速抓取模式的多功能折纸机器人，在兼具传统折纸抓手的适应性的同时，解决了高速抓取与精准控制的挑战。

抓取手结构与抓取模式示意图

该软体机器人抓手表现出出色的自适应抓取能力，可适应不同尺寸、形状与材质的物体。同时，该软体机器人抓手具备快速响应特性，可以通过施加最小0.0014焦耳的扰动动能或使用线性执行器灵活触发，触发后仅需80毫秒即可实现抓取！

近日，该研究成果的相关论文以“Reticular Origami Soft Robotic Gripper for Shape-Adaptive and Bistable Rapid Grasping”为题发表在《Soft Robotics》上。牛津大学博士研究生侯宁喆与北京大学博士研究生武明信为共同第一作者，北京大学谢广明教授和浙江大学郑兴文研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委和北京市自然科学基金委的经费资助。

接下来，一起来和机器人大讲堂深入探索这一研究成果！

▍新颖结构与驱动，实现形状灵活适应和安全轻柔抓握

据机器人大讲堂了解，该研究团队提出的软体机器人抓手灵感来自古代剪纸和折叠艺术——折纸。

结构设计

具体来说，研究团队首先使用定制切割模具制作了152片四分之一圆形PP薄膜，并将其连接成独特的网状结构，该结构压缩宽度为6 cm，但可拉伸至其压缩长度的26倍以上。而后，通过将网状结构首尾相连，研究团队得到环形结构，沿着一端施加力便可轻松打开该结构。靠近拉伸端的折纸结构会变形并储存弹性势能，而另一端则因环形结构而压缩。与传统具有多指接触驱动的软抓手不同，这款抓手可通过双稳态结构利用存储的势能实现快速抓取，同时，环形设计使其能够完全包裹物体、灵活适应抓取物体的形状，实现均匀接触应力分布，从而实现安全且轻柔的抓取。

驱动设计

基于抓手的上述两个特点，研究团队设计了一个线驱动执行机构来实现其半自动控制和操作。该机构通过八根尼龙纤维线连接抓手结构顶部和中心卷轴，这些线通过滑轮进行引导。为驱动中心卷轴，研究团队采用了一个TowerPro MG996R连续伺服电机，配合齿轮比为1：6的同步带。在线程出口处的滑轮位置，有八个Adafruit N20有齿轮直流电机（150 rpm），它们连接到橡胶轮上，确保线始终保持紧绷。此外，研究团队还设计了一个线性执行器结构以限制抓手底部，并实现主动快速抓取。

传感系统设计

抓手所采用的传感系统融合了电阻式压力传感器阵列与特制的碳纳米管（CNT）伸长传感器，使其能敏锐地捕捉被抓取物体的形态与尺寸信息。压力传感器被精心布置在抓手与物体最常接触的区域，以捕捉抓取过程中的压力波动，从而为系统提供关于被抓物体坚硬程度和稳固性的实时反馈。这些数据对于调整抓取力度、预防物体意外滑落等至关重要。同时，伸长传感器被安装在抓手形变最为明显的中部位置，通过监测其阻值的变化，系统能精确计算出抓手的实际伸展长度，这对于判断抓手是否已完全贴合目标物体来说极为关键。结合这两种传感器，研究团队实现了对被抓取物体形状的全面感知与重建。

▍两大运作模式，实现不同操作需求有效应对

基于以上设计，研究团队赋予了该软体机器人抓手两种主要运作模式：自适应抓取和双稳态快速抓取，实现了对不同操作需求的有效应对。

自适应抓取

自适应性抓取模式通过中央卷轴灵活控制线程长度，从而实现抓手开合的自适应调整。这种调整方式使抓手能够精确地匹配并牢固抓取形态各异的物体。利用其柔韧的结构特点，抓手可以按需塑形，紧密贴合并稳固握持目标物体。此模式特别适用于需要精细操作和高度适应性的场景，例如自动化生产线上对不规则形状物品的分类与搬运。

双稳态快速抓取

双稳态快速抓取则机制通过一系列精细控制的动作来管理夹爪的状态。具体而言，线首先引导抓手超过一个特定的阈值状态，紧接着，线性执行器会维持这一状态，以确保整个操作的稳定性。

快速抓取模式的触发方式有两种：一是响应外部干扰，二是通过线性执行器有意向下按压夹具中心，推至阈值状态以外引发闭合。值得一提的是，夹具上的任意点位均可作为快速抓取的触发点。这种模式使得夹具能够在80毫秒内完成闭合动作，而且触发能量极低，仅为0.0014焦耳，足以对极微小的外部扰动做出响应。这一特性使其非常适合需要迅速反应的场合，例如捕捉快速移动的目标。

▍抓取成功率高达95%！展现超强适应性与快速响应能力

为了全面评估抓手对不同形状和材质物体的抓取性能，研究团队开展了一系列详尽的实验。

适应性抓取实验

研究团队通过实际应用场景中的多样化物体对抓手的自适应抓取能力进行了验证。这些物体包括橡皮球、游戏控制器、玩具无人机、小塑料球、乒乓球、羽毛球等，它们在大小、形状、表面材料和硬度上差异显著。抓取过程中，抓手不仅能够同时拾取多个物体，还可以从不同方向进行拾取，且被抓取的物体均未出现永久变形或损坏。实验结果表明，抓手能够以超过95%的成功率可靠地抓取这些物体。这一实验进一步证实了抓手在自动化处理和分类任务中的巨大应用潜力。

快速抓取实验

研究团队测试了抓手的快速抓取能力，例如，成功捕获了快速飞过的玩具无人机和乒乓球。这些实验展示了抓手在极短时间内响应和执行抓取动作的能力。

为了探究抓取是否与角度相关，研究团队在45°、90°和180°的角度下对夹具进行了测试，结果表明，无论角度如何，夹具都能安全捕获物体。

经过上述实验，研究团队全面验证了抓手的高度自适应、快速响应及多角度抓取能力，实验中抓手展现出的强悍性能将为其在复杂多变的实际应用场景中提供强有力支持。

参考文章：

https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/soro.2023.0051