软体手≠软体机器人

来源:智汇工业

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关键词:工业机器人 智能化

    由于传统的抓取装置如机械手爪、吸盘等存在设计周期较长,更新频率较高,利润附加值较低,难以抓取易损坏、易变形物体等问题,近年来,学术界出现了“软体手”的概念,将机械手由传统的气缸等刚性体变换成柔性的有机聚合物,以克服现有传统机械手在特定应用场景的缺点。

    无独有偶,近年来学术界还出现了一种颠覆式的机器人——软体机器人。现有的软体机器人在材料选取上与软体手类似,同样拥有很大的柔性,并擅长在特定的场景中应用。

    不同的是,软体手只是将末端执行器设计为柔性,其机械臂和运动关节与传统的机器人没有区别;而软体机器人的机械臂也是柔性的,甚至其运动关节与传统的机器人相比也发生了改变,甚至有的软体机器人的运动副数量可以理解为无穷多。

    有趣的是,虽然软体手和软体机器人并不完全相同,但是二者的发展历史却是相互交织的。2011年,哈佛大学Whitesides研究小组的学者CarlVause,从章鱼中获得了灵感,发明了软体机器人,这款软体机器人长约18厘米,可以单“腿”离地,能在一分钟内匍匐穿过2厘米高的间隙。

    从软体机器人中获得灵感的CarlVause继而在2013年创建了专门研发生产软体手的企业:SoftRobitcs。该公司将软体手安装在ABB等公司的工业机械臂末端。SoftRobotics机器手在食品运输领域取得了很大的成功。

    现在生产软体手的公司主要有美国的SoftRobotics,中国的北京软体机器人(SRT)、柔触机器人等,它们最早的科研构想基本是针对市场上异形和易碎物品的搬运应用,适用于水果、玩具等抓取对象。与软体手相比,软体机器人还没有大规模进入市场,对软体机器人的研究更多来源于全球的各大高校和科研机构。

    软体手≠软体机器人

    一般的刚体机器人在装配上软体手之后是否应该归为软体机器人?这一问题在学术界内还有一定的争议。笔者认为,装配上软体手的刚体机器人并不是软体机器人。

    首先,在运动学和动力学上,装配上软体手的刚体机器人,其运动学公式、雅可比矩阵、海塞矩阵等基础公式并没有改变,机器人在运动学上的运动末端的位姿、速度等仍然是可预测和可控的,只是机器人的末端执行器有一点“古怪”而已,而末端执行器的种类对机器人运动学和动力学的性能没有任何影响。

    而软体机器人的机械臂是柔性的,其运动学和动力学性能并不能通过传统的公式求解出来,机器人的运动学和动力学性能已经完全改变,机器人的运动末端位姿、速度等变得不可预测。

    此外,在应用场景上,配上软体手的刚体机器人,其应用场景和一般刚体机器人相比变化不大,仍然是用于物品的抓取和搬运,只不过被抓取物品的形状比较不规则或者材质比较易碎。

    而软体机器人的应用场景已经完全改变,机械臂变成柔性的软体机器人已经不能完成抓取、搬运等功能。

    软体手VS传统机械手

    和传统机械手相比,软体手是一个新事物,作为机械手大家庭的一员,其大大扩充了被抓物品的范围。与传统机械手相比,软体手的优点显而易见:具有更大的柔性,适合抓取比较柔软以及形状不规则的物体。

    然而,软体手的缺点也十分明显。由于柔性软体手的驱动方式多为气动,软体手的各单元内部呈封闭的腔体结构,使得对于正压驱动和负压驱动的力的大小和抓取时间变得难以掌控,很容易出现脱手的情况。

    另外,由于软体手的柔性,其材料的选取和结构的确定也有相当的难度,这也是阻碍软体手研发的重要原因。

    软体机器人VS刚性机器人

    软体机器人对传统的刚性机器人来说是一个颠覆性的概念,它改变了人类对机器人的基础认知,扩充了机器人的使用场景。

    笔者认为刚性机器人和软体机器人的区别类似于传统的节肢动物或者脊椎动物和软体动物(例如章鱼、乌贼)之间的区别。如章鱼可以改变自己身体的形状,穿过直径只有两厘米的管子,以捕捉管子另一边的水族箱的猎物。

    软体机器人由于其躯体的柔性,可在较狭窄、工况较差的环境中工作,如在太空探索、救援、医学手术等应用中有着广阔的前景,在特定的工作环境下,其优势是传统的刚性机器人所无法比拟的。

    软体机器人的缺点也同样明显。首先,由于躯体的柔性,机器人最基础的运动学和动力学的理论公式变得不可求,至今其运动理论仍然是空白,机器人的位姿、速度等基础指标变得不可控,也不可预测。

    其次,由于机器人的运动学和动力学理论暂时不可求,软体机器人的控制器算法也成为了难题。

    再次,由于软体机器人多为气动的驱动方式,充气和放气的管子不可或缺,这对于软体机器人的运动产生很大的影响,就像一条略显累赘的“长尾巴”。

    最后,和软体手一样,软体机器人仍然绕不过材料和结构的问题,这直接决定了软体机器人的运动学性能和机器人使用寿命等指标是否能满足实际应用的需求。

    后记

    现在,软体手和软体机器人的新品依然不断涌现。例如2014年,哈佛大学研制出了第一款无绳软体机器人,通过人工或计算机自动控制器将压缩空气输入其肢体内进行相应驱动。

    现有的最新的软体机器人仍然为哈佛大学的研究人员于今年所开发。该机器人的动力来源于压缩空气,它被设计成了十字形,有四条“腿”,每条“腿”由八个细小通道连接成的气室组成,在“十字”的中心有七条接口,以接通输送压缩空气的管道。当机器人的“腿”被充入气体时,“腿”部会弯曲,发生膨胀。当被控制的四条“腿”有顺序的膨胀、收缩时,就可实现机器人的移动。

    至于软体手,目前在市场上已初具规模,例如北京软体机器人已经研发出了多款软体手,典型的有紧凑型柔性夹爪、圆周可调型夹爪、对称可调型夹爪等。业务领域包括食品、化妆品、不规则注塑件、家具行业、小件物流分拣、生鲜、玻璃制品、3C行业等,已远销加拿大、美国、瑞典、日本、韩国、台湾、香港等地企业。

    笔者认为,软体手的市场潜力可观。而软体机器人由于其底层理论的空白,目前还主要停留在大学实验室里进行尝试性的应用,距离商业应用还有一定的距离,而一旦软体机器人的底层理论得到突破,其市场应用潜力同样可观。

    (审核编辑: 智汇张瑜)