机器人顶刊IJRR：中国科大自主研发低成本软体机器人手臂，轻松完成生活中的操纵任务

　　导读

　　软体机器人手臂由于具有本质柔顺性和连续变形特性，在智能制造、医疗康复，家庭服务等领域有巨大的研究价值和广泛的应用前景。最新一期的机器人顶刊《The International Journal of Robotics Research》(IJRR)刊发了中国科学技术大学（中国科大）陈小平教授团队在软体机器人手臂上的研究进展，展示了软体机器人手臂在日常生活中的巨大应用潜力。

　　打开一个门很难吗？

　　让刚性机器人执行开门任务并不简单。为了完成这一任务，需要精确的感知，建模，规划，控制。一旦中间任何一环出现差错都可能造成不可挽回的后果。

　　然而开门对于人来说很容易。抓住门把手，向下压，再往后一拉就行了。

　　机器人能否像人一样轻松地执行生活中的操纵任务呢？

　　在最新一期的IJRR中，中国科学技术大学的研究团队展示了一种使用软体机器人手臂轻松完成生活中各种任务的方法。这种方法从人执行操纵任务的行为方式中汲取灵感，利用软体机器人手臂的被动柔顺性，展示出了一种全新的机器人与环境交互的方式。

　　得益于被动柔顺性，软手臂在跟环境交互的时候，不需要提前对环境进行精确建模，也不需要力传感器精确的感知环境接触力，即使执行任务过程中被人为“捣乱”也不影响完成任务。

　　不光是开门开抽屉，擦玻璃、开拧瓶盖都不在话下。以后力气小的妹子拧不开瓶盖可以找软体机器人帮忙了。

　　刚柔合一的结构设计

　　象鼻是自然界中即柔顺灵活又很有力气的软体器官。受象鼻启发，研究团队提出了一种蜂巢气动网络结构。并基于这种结构，制备了像象鼻一样兼具灵活度和大负载能力的软体手臂。手臂的负载自重比达到了1:1。

　　蜂巢气动网络结构是蜂巢和气囊的结合，当气囊充气时，依靠蜂巢的结构形变，产生不同方向的弯曲运动或者伸长运动。

　　“刚柔合一”的蜂巢气动网络结构

　　目前大多数软体机器人（如柔性手爪、水下软体机器人、软体手术机器人）使用比较软的柔性材料作为主体，比如硅胶。这类软体机器人通过压缩流体、记忆合金等方式驱动柔性材料形变从而产生机器人的运动。这种机器人受限于材料特性，很难做到大负载。

　　蜂巢气动网络结构，其变形是由构成蜂巢的六边形的折叠、伸展提供的。这种结构使得我们可以用相对比较硬的材料制做软手臂，在实现大负载能力的同时，手臂可以沿各个方向弯曲伸长，兼具灵活性。

　　在该研究中，研究者使用3D打印技术制备蜂巢结构，成本低，制备简单，便于维护，且很耐用。

　　从人执行操纵任务的行为方式中汲取灵感

　　受人完成交互任务的启发，研究团队提出了一种基于“行为”的控制方式。行为代表着一种运动趋势，以转手轮为例，只需要“向前，向下，向后，向上”这四个行为，就能将手轮转动一圈。

　　就像教一个孩子开门，只要告诉他“抓住门把手，向下压，再向后拉”一样。研究者提出的基于行为的控制使得我们可以用相似的方式与机器人沟通。

　　One more thing

　　软体机器人手臂的控制精度往往不如刚性手臂高，那如何用软体手臂完成更加精细的任务呢？其实人手臂的精度也不高，往往通过借助工具来完成精细的任务。比如画一条直线，多数情况下需要借助尺子。研究者展示了软手臂也可以借助尺子画一条直线。

　　让机器人像人一样使用工具这一想法，为软机器人的应用打开了更广阔的空间。

　　该工作由中国科学技术大学陈小平教授带领的科研团队研究完成。团队成员包括姜皓、王展翅、金渝松、李佩津、干英豪、陈晓彤、林森。该团队已经在软体机器人领域研究了近十年，相关研究先后获得IEEE ROBIO 2016最佳会议论文奖和哈佛大学软体机器人挑战赛第二名。团队成员表示：“接下来团队将继续从自然界汲取灵感，开展软体机器人的相关研究，拓展机器人技术的边界，争取早日让机器人早日走进千家万户”。

　　【参考链接】

　　论文链接：

　　https://doi.org/10.1177/0278364920979367

　　研究团队主页：

　　https://sites.google.com/view/softrobot

　　视频链接：

　　https://www.youtube.com/watch?v=Js4-_cbbqfc

　　蜂巢气动网络手臂制备细节：

　　https://softroboticstoolkit.com/hpn-manipulator