[论文解读] A Soft Robotic Gripper with Active Palm for In-Hand Object Reorientation

Thomas M. Mack, Ketao Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2023

Soft Robotics and ApplicationsEngineering被引用 3

一句话总结

本文提出一种采用3D打印三指设计并配备主动旋转掌心的软体机械手，可实现对最大62g物体的高速、精确抓持内旋转，旋转速度超过600°/秒。该机械手采用气动驱动，并在掌心集成真空吸盘以增强抓持稳定性，从而可靠抓取各类物体——包括易碎、圆柱形及布料类物品——在旋转过程中无滑脱现象。

ABSTRACT

The human hand has an inherent ability to manipulate and re-orientate objects without external assistance. As a consequence, we are able to operate tools and perform an array of actions using just one hand, without having to continuously re-grasp objects. Emulating this functionality in robotic end-effectors remains a key area of study with efforts being made to create advanced control systems that could be used to operate complex manipulators. In this paper, a three fingered soft gripper with an active rotary palm is presented as a simpler, alternative method of performing in-hand rotations. The gripper, complete with its pneumatic suction cup to prevent object slippage, was tested and found to be able to effectively grasp and rotate a variety of objects both quickly and precisely.

研究动机与目标

• 开发一种低复杂度的软体机械手，能够在无需高自由度或复杂控制系统的前提下实现抓持内旋转。
• 解决在旋转操作过程中保持稳定抓持的挑战，特别是针对形状不规则或摩擦系数低的物体。
• 集成可旋转掌心与真空吸盘，提供冗余抓持支持，提升旋转过程中的物体稳定性。
• 实现在工业与辅助机器人场景中单手操作日常物体，减少对专用末端执行器或外部传感系统的依赖。

提出的方法

• 使用定制模具设计并3D打印柔性、可变形手指，以确保一致的驱动性能，并防止负载下发生收敛。
• 采用压缩空气实现气动驱动，控制手指的屈曲与伸展，以实现抓取与释放。
• 集成可旋转掌心机构，使机械手在不重新抓握的情况下实现物体在手内360°旋转。
• 在掌心集成真空吸盘，提供第二重抓持力，增强旋转过程中的稳定性，即使手指未完全接触也能实现物体操控。
• 采用模块化控制策略，按顺序协调手指驱动与掌心旋转，实现受控的抓持内旋转。
• 采用无反馈控制策略，依赖机械柔顺性与真空辅助固定，降低对复杂传感或实时反馈系统的需求。

Figure 1 : The gripper using the soft, 3D printed fingers

实验结果

研究问题

• RQ1 采用可旋转掌心的软体机械手是否能在不依赖高精度传感器或复杂控制算法的前提下，实现对多种类型物体的稳定抓持内旋转？
• RQ2 在高速旋转过程中，掌心处增加的真空吸盘在提升抓持稳定性和物体保持力方面效果如何？
• RQ3 3D打印的柔性手指在抓持一致性与物体操控可靠性方面，相较于传统硅胶模压成型手指表现如何？
• RQ4 该机械手能否在无滑脱或失控的情况下，有效抓持形状、重量和材质各异的物体——包括易碎、圆柱形及柔性物品？
• RQ5 在处理大尺寸或形状不规则物体时，当前设计在机械与操作性能方面存在哪些局限性？

主要发现

• 机械手成功实现了对最大62g物体在超过600°/秒的旋转速度下无滑脱的高速、稳定抓持内旋转。
• 3D打印手指在旋转过程中表现出优于模压硅胶手指的抓持性能，尤其在处理圆柱形及重物（如58g胶带卷）时优势明显。
• 掌心的真空吸盘提供了足够的持力，可独立于手指实现物体的提升与稳定，增强了冗余性与可靠性。
• 机械手在多种物体类型中均保持一致性能表现，包括网球（62g）、泡沫蛋、圆形容器及橡胶手套，仅布料类物品因覆盖手指而出现滑落。
• 掌心旋转机构实现了物体在手内360°完整旋转，可为人类用户提供最优的交接姿态。
• 该设计在处理重心分布不均的物体时表现出鲁棒性，掌心的真空抓持有效防止了旋转过程中的倾倒与滑脱。

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