像人手一样抓握？麻省理工学院CSAIL研究人员提出新型软机械手，兼具驱动手指和被动柔顺手掌！

在机器人领域，大多数机器人都没有手掌，许多机械手依赖于极其灵巧的机械手指和拇指关节来包裹物体，如何让机器人的手像人类的手一样实现抓握，一直是一项难题。

前不久，麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）对经常被忽视的手掌功能进行重新思考，开发了一种专注于手掌部分的新型机械手设计。

人类的手具有坚硬的骨骼，周围环绕着柔软、灵活的组织。受到人类手掌柔软、可变形特性的启发，CSAIL的研究人员通过模仿人类手中心的褶皱和柔软表面，开发了一种新型机械手，该机械手由具有结构顺应性的软质手掌GelPalm、软性两段式欠驱动手指ROMEO以及新型低成本柔性照明系统共同构成。

GelPalm通过将刚性结构与可变形、柔顺的材料相结合，能够更好地实现与灵巧手相同的自适应能力。RObotic 模块化内骨骼光学手指ROMEO软硬适中能够集成到不同的手掌配置中，并帮助手掌更好进行包裹抓取。新型低成本柔性照明系统则集成了受GelSight传感器启发的高分辨率触觉感应系统，可完美适配ROMEO手指。

最终研发的机械手体积略大于棒球，是首批兼具驱动手指和被动柔顺手掌的软机械手之一，且均配备高分辨率的触觉感应功能。这一创新设计不仅展现了强大的实用性，而且预示着未来软刚性触觉机械手设计的新方向，为研究人员探索更多具有强大功能的机械手提供了可能。

人类手掌掌骨底部允许手掌弯曲，而手掌外部则覆盖着柔软、顺从的肌肉，这种双重的柔顺性使得人手能够轻松地包裹和抓取各种形状的物体。受此启发，研究人员在手掌的设计上，模拟了人类手掌的柔顺性，这包括结构上的柔顺性和材料上的柔顺性。

为了保持手掌的小型化和电子设备的简化，研究人员摒弃了主动驱动装置，转而采用一种被动柔顺装置——悬臂梁。悬臂梁在受到外力时会发生形变，多个悬臂梁的合理布局和协同作用能够让机械手在物体压入手掌时实现被动的手掌弯曲。为了便于集成摄像头进行触觉传感，和更简单实现对称布局，研究人员选择了两个悬臂梁的设计。

结合悬臂梁的结构柔顺性和包裹其上的凝胶材料的材料柔顺性，研究人员的手掌设计能够最大限度地增加与物体接触的表面积，实现更稳定、更有效的抓握。无论是圆柱形物体还是其他形状的物体，研究人员的手掌都能够通过悬臂梁的变形和凝胶的弹性压缩来紧密贴合，实现最佳的抓握效果。

在手部结构上，研究人员采用了模块化的设计理念。每个ROMEO手指都有一个通用的底座，这个底座可以轻松地插入到不同的手掌配置中。这样的设计使得手部结构具有很高的灵活性和可定制性，可以根据不同的任务需求来选择合适的手掌配置。

为了展示这种模块化设计的优势，研究人员设计了多种手掌配置，包括拟人化的手掌和“Y”形夹持器等。这些配置都具备结构和材料上的兼容性，可以轻松地与ROMEO手指进行组合。此外，研究人员的设计还允许手部具有不同数量的手指，以适应各种复杂的抓取任务。

在将手指插入手掌后，手掌会与电子元件及其外壳进行连接。整个手部结构通过M2加热嵌件进行连接，以确保各个部件之间的牢固性和稳定性。同时，研究人员还设计了专门的适配器来连接电机和手掌，这些适配器可以安装在模块化电机支架上，以实现手指的主动驱动。电机支架的设计也是模块化的，可以适应不同的手部配置和多个手指的使用。

机械手GelPalm的手掌和手部设计在保持小型化和简化的同时，实现了高度的柔顺性和可定制性。通过模块化的设计理念，研究人员可以轻松地构建出适应各种任务需求的手部结构，为机器人抓取和触觉感知提供了有力支持。

在这项研究中，研究人员还开发了一种新的基于相机的触觉传感照明系统和一种新颖的触觉、可弯曲的手掌，它们可以与ROMEO手指以各种不同配置一起使用。照明系统的设计灵感来源于GelSight传感器，它由一个观看弹性体的相机组成，该弹性体被定向的红色、绿色和蓝色（RGB）LED照亮。这种方法利用了单个相机图像中的RGB颜色通道，使传感器可以通过触觉凹痕的单个图像进行3D重建。研究人员希望模拟这种照明方法，以便更容易将其应用于软机器人。

在将电子元件集成到硅胶软机器人身体中的过程中，研究人员遇到一个问题：当硅胶在其包裹的刚性电子元件周围变形时，会发生分层。这种分层会在LED和硅胶之间形成空气界面，导致不可预测的光热点和凝胶弹性体表面缺乏均匀的光梯度。

为了解决这个问题并简化电子设备，研究人员采用了商用柔性1.7毫米直径的LED灯丝（Adafruit），这种灯丝易于使用且封装在硅胶中。硅胶使这些灯丝易于集成，并能与不同的软体弯曲。唯一的缺点是，灯丝中的LED颜色不可定制，因此难以用于不同的照明配置。

从专为Baby GelSight Fin Ray设计的合成荧光硅胶涂料中汲取了灵感，基于“当荧光涂料覆盖蓝色LED灯串的某一部分时，该部分会发出预设的荧光色彩”这一原理，研究人员进一步将其应用于白光LED灯串，并采用半透明的硅胶涂料来实现这一目标。硅胶因其自粘性，确保了涂料与LED以及硅胶体之间的紧密粘合，有效防止了分层现象。

荧光涂料的配方融合了丙烯酸涂料（Liquitex）和硅胶粘合剂。在将柔性LED灯丝固定到表面后，研究人员使用棉签均匀涂抹至少1毫米厚的涂料于所有可见面上，确保蓝色LED被完全覆盖，以获得理想的着色效果。

对于白色LED，研究人员追求的是半透明效果，以确保光线能够顺畅穿透涂料。因此，选用了Silc Pig颜料（Smooth-On Inc），其高透明度满足了需求。研究人员的配方由10份硅胶粘合剂、1份红色、绿色或蓝色硅胶颜料混合而成，再加以3份NOVOCS Gloss（Smooth-On Inc）进行稀释。同时，研究人员需确保油漆层厚度不超过1毫米。

通过这项技术，研究人员能够更灵活地配置柔性LED灯丝，无需为软机器人身体的每个部分或组件重新设计PCB。这些材料不仅易于相互粘合，还能有效防止分层，在ROMEO手指和柔顺触觉手掌设计中得到成功应用。

通过借鉴人手骨骼与肌肉的精妙结构，研究人员设计出一种独特的软硬结合架构。这一设计巧妙地融合了刚性结构的强度与凝胶的柔软柔顺性。

内部骨架，即“内骨架”，通过Onyx（Markforged）的尼龙和短切碳纤维材料3D打印而成。Onyx的选用让研究人员得以实现灵活的铰链，轻松通过肌腱驱动，而其碳纤维成分则赋予内骨架结构所需的刚性。此外，内骨架还能巧妙地容纳摄像头和LED结构。

在3D打印完成后，研究人员将Onyx编织线（Piscifun）巧妙地穿过内骨骼表面的打印孔。随后，将柔性LED灯丝精准地放置在前端，并借助3D打印的PLA导轨和硅胶粘合剂进行牢固的粘合。待硅胶粘合剂固化后，研究人员将导轨从结构中轻巧地移除。

根据LED颜色的不同，研究人员精准地调配相应的硅胶涂料，并将其细致地涂抹在柔性LED灯丝的对应部分。特别是，围绕相机支架的灯丝部分，研究人员精心地涂上了红色、绿色和蓝色三种不同的颜色。在LED灯丝涂饰完成后，研究人员为手指表面涂抹了硅胶粘合剂，以确保硅胶与内骨架的紧密贴合，防止脱落。

而后，研究人员准备了一个用于包裹手指的硅胶体模具。虽然模具未经抛光处理，但研究人员特别确保相机支架模具部分被一块激光切割的薄丙烯酸片覆盖，以保证观察口的清晰度。涂料的配方经过精心调配，包含1份催化剂、10份灰色硅胶颜料（Raw Materials Inc.）、1.25份4μm铝片（Schlenk）和30份NOVOCS Gloss（Smooth-On Inc.），这些成分共同构成了手指的触觉皮肤。研究人员使用超声波发生器混合这一配方，确保铝片和灰色颜料均匀分布。随后，研究人员将涂料混合物喷涂到经过Inhibit-X（Smooth-On Inc.）和Ease Release 200（Smooth-On Inc.）处理的3D打印PLA模具的上半部分。

鉴于硅胶透明特性使得相机能够清晰地透过整个凝胶结构，研究人员选择了XP-565硅胶（Silicones Inc.），其混合物配比为1份硅胶催化剂、15份硅胶和3份增塑剂（苯基三甲基硅氧烷，Lotioncrafter），这样的组合使得凝胶更加柔软。在倒入硅胶混合物之前，研究人员在各个部件之间涂抹了硅胶粘合剂，并将模具紧密地拧在一起，以防止混合物泄漏。混合物倒入模具后，研究人员将模具置于振动板上至少一个小时，以确保其中的气泡能够充分逸出。随后，这些模具被放置在空气中固化24小时，或者在50°C的脱水机中固化6小时。研究人员选择了较低的固化温度，以确保塑料元件不会达到其玻璃化温度，从而避免模具的翘曲。

在相机外壳的设计上，研究人员特别考虑了手指的弯曲角度。当手指以45°相对于自身弯曲时，每个手指节段中的两个120°视场（FOV）摄像头能够清晰地捕捉到手指正面和侧面的连续触觉显示。为了增加手指的弯曲范围，研究人员选择了不完全包裹内骨骼结构的设计。虽然硅胶凝胶具有出色的柔顺性，但在手指连接处添加凹槽也无法实现完全的弹性压缩。因此，通过去除中间的凝胶部分，研究人员成功地让手指能够自如地弯曲，直至单独的硅胶片边缘相互挤压。此外，这样的设计还避免了硅胶皮在完全包裹内骨骼时可能出现的起皱现象。

为了评估并比较两种不同三色照明系统在触觉感知上的敏锐度，研究人员采用了两个整合了ROMEO手指的测试平台，其中一个使用蓝色LED，另一个使用白色LED。测试过程中，研究人员录制了触觉表面在被按压时的视频，并对单个物体进行了3D重建。

经过对比，蓝色LED和白色LED照明方法均能够产生细致的3D重建结果，两者均能够清晰地捕捉M6螺纹的每一个细节和乐高积木连接器上的文字。然而，在RGB颜色分布的均匀性上，白色LED表现稍逊。基于这一发现，研究人员决定选择蓝色LED作为后续研究的主要照明源。随后，研究人员将蓝色LED整合到了ROMEO手指和被动柔顺手掌的设计中，以期在实际应用中达到最佳的触觉感知效果。

为了探究不同手掌设计在抓取物体时的表面积覆盖情况，研究人员进行了油漆测试。测试对象是具有恒定轮廓的塑料形状分类玩具（Fisher-Price），在其表面涂上油漆后，研究人员将圆柱体、立方体、加号形状、星形几个物体的不同部分压入非柔性手掌、柔性结构手掌、柔性凝胶手掌、同时具备结构和材料柔性的手掌四种不同类型的手掌中。

油漆测试结果表明具备结构和材料双重柔顺性的手掌在抓取物体时能够显著增大接触面积。这种增大的接触面积不仅提升了抓握的稳定性，也展示了在设计和制造软机械手时，同时考虑结构和材料的柔顺性所带来的优势。这些测试结果不仅验证了研究人员设计的有效性，也为未来开发更高效、更稳定的软机械手提供了有力的实验依据。

参考文章:https://arxiv.org/html/2404.08227v1