北科大张建华教授团队研发受变色龙猎食启发的新型仿生自适应抓持器

大数据文摘授权转载自机器人大讲堂

实现在非结构环境下成功抓取不同形态、尺度、硬度的物体是机器人进一步解放生产力，实现完全自主必须攻克的科学难题之一。因不同场景下被操作目标不确定，研究一种能够适应不同种类物体的末端执行器来提升机器人的智能化作业能力是数十年来经久不衰的科学热点之一。目前机器人抓取以拟人手的多指抓持器为典型代表，操作灵活，但受限于手指间固定的几何构型，仍存在部分关键瓶颈制约其产业化应用：针对物体大小和形状的差异，需要深度学习等复杂算法对数以万计的物体建模以求解抓取点；针对物体重量和硬度的不同，使用刚性抓持器需要力反馈保证抓取安全，使用软体抓持器负载能力又不足，同一抓持器很难兼具高安全和高负载。

为了摆脱抓取任务对物体形态、尺度和硬度等信息的依赖，降低自动化抓取的软硬件成本，实现简单高效的自适应抓取，北京科技大学张建华教授团队联合清华大学孙富春教授和日本立命馆大学王忠奎教授，通过深入探索猎食时变色龙舌头的生物组织机理，研究了一种新型仿生自适应抓持器，以“A soft enveloping gripper with enhanced grasping ability via morphological adaptability”为题发表在Advanced Intelligent Systems期刊上。

师法自然，突破常规

研究团队通过长期的生物观测发现，变色龙在猎食时，舌头会被瞬间弹射出来，当舌头靠近猎物时，末端会逐渐内陷，形成一个内空腔，与此同时，猎物会逐渐陷入舌头的内腔，最终被舌头完全包裹。

视频1 生物变色龙的猎食过程

受变色龙这种全方位包裹式猎食机理的启发，研究团队结合最新的软体机器人技术和仿生吸附技术，提出了一种新型的仿生自适应抓持器。通过设计独特的阵列式弹性体内腔单元，抓持器可以在充气时通过单元膨胀实现内空间增大，在抽气时通过单元收缩实现内空间缩小，而内空间的变化可以驱动抓持器内壁自适应变形来完全包覆不同形状的物体。同时，研究团队通过转印技术，在抓持器内表面添加了一层仿生壁虎刚毛微结构，通过界面间范德华力的作用，将负载提高了数倍。

视频2 仿生抓持器运动

万物可抓，自主适应

传统的指状抓持器因手指间构型有限，在抓取物体时往往需要提前获取物体的形状和位姿等信息，然后基于力封闭等原则，结合抓持器自身结构特点在物体表面是寻找可行的抓取解空间，对软件、硬件和时间成本等要求过高。

而这种仿生抓持器在抓取时，因其自身结构和材料可自适应变形，所以可完全包覆并贴附抓取空间内的任意形状和大小的物体，整个抓取过程不需要过多的反馈和计算，从而解放了抓取任务对被抓物体的形态和位姿等信息的依赖，大幅度降低了抓取的复杂度和成本。

视频3 仿生抓持器的自适应抓取

刚柔相济，抗干扰强

指状的软体抓持器虽然具有一定的适应性和极好的安全性，但因其手指不能完全贴合物体，且自身软材料导致整体刚性不足，因此在负载能力和抵抗动态干扰方面有待提高。为了研究这种新型仿生抓持器的抗干扰能力，研究团队通过高度相机观测，比较了指状抓持器和新型仿生抓持器在突然受到外界干扰后对物体的抓取能力。结果表明，指状软体抓持器因自身刚度受限，即使在抓取约12g物体时都会产生很大的震荡，且震动幅度跟物体运动方向有很大关系。而这种仿生抓持器因其独特的全方位自适应包覆的方式，具有很强的抗干扰能力，即使在抓取500g重物时（约自身重量的50倍），其振动幅度仍极其微小，并且可以很快恢复平稳状态。结果证明，这种新型的抓持器虽然本体材料柔软，但具有很强的“刚性”，刚柔相济，在高速抓取场景下可以确保物体不会滑移脱落。

视频4 多指软体抓持器和仿变色龙舌头抓持器的抗干扰对比

视频5 仿变色龙舌头抓持器在高负载情况下的抗干扰情况

最后，研究团队基于抓持器自身特点开发了一种视觉引导的自动抓取算法。

仅通过视觉提供的目标物体的三维位置信息，抓持器便可以固定的姿态抓取处于不同姿势的物体，并且可以在开环控制下无损抓取各种柔软的物体。这种新型抓持器结构简单，成本低廉（不超20元），控制方便，抓取无需获取物体三维几何信息和力位等反馈，但具备极强的自适应能力，可抓取其操作空间和负载能力范围内的任意物体，以极低的成本提供了一套高效的自动化多目标抓取方案，在工业自动化、农业和服务业等领域具有极大的应用前景。

视频6 自动抓取处于不同姿势的物体

视频7 开环抓取各种柔软物体

论文第一作者为北京科技大学郝雨飞副教授，北京科技大学机器人工程班本科生周予昭、周维泰等参与了实验部分。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202200456

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