机器人夹持器已成为制造业、包装业和物流业等许多行业必不可少的部件，主要用于拾取和放置任务。最近，对机器人夹持器的需求也扩展到农业领域，它们用于收割和包装任务。
然而，传统的机器人夹持器难以适应不同作物的独特形状、特性和脆弱性。因此，人们对能够适应各种形状、大小和纹理的物体的多功能机器人的需求日益增加。
由软质材料制成的机器人夹持器已成为解决上述问题的潜在方案。然而，目前使这些夹持器适应复杂几何形状的方法依赖于基于数据的模型生成的复杂控制和规划。
这些模型需要大量数据，限制了它们的普遍适用性。此外，将传感系统集成到它们的软体中需要复杂的设计和精密的制造方法。
为此，日本先端科学技术大学院大学 (JAIST) 的一个研究团队在副教授 Van Anh Ho 的带领下，与助理教授 Nguyen Huu Nhan 和博士生 Nguyen Thanh Khoi 一起，开发了一种创新型软机器人夹持器，名为基于旋转的挤压夹持器 (ROSE)。
“ROSE 从玫瑰的盛开状态中汲取灵感，产生抓取动作。它通过利用独特的‘起皱’现象轻轻抓取物体，为真实农场的收割提供了一种更简单的方法。
何教授解释说：“与传统的抓取器不同，ROSE 不需要复杂的控制和规划策略来适应各种形状、大小和质地各异的农产品。”该团队还采用了模拟模型来充分了解和优化 ROSE 的抓取机制。
该项研究发表在《国际机器人研究杂志》上。
ROSE 由一个带有两层柔软层的杯状腔体组成。旋转内层会形成类似皱纹的内褶皱，从而缩小中央空间，从而使 ROSE 能够轻轻抓住不同形状、大小和质地的物体。
ROSE 由一个独立的杯状腔体组成，该腔体由两层薄而柔软的弹性体层构成，内层和外层之间有分隔。使用外部电机仅旋转内层会导致各层变形。
具体来说，内层的这种扭转运动会导致外层和内层之间的应变不匹配，从而形成一系列类似皱纹的向内折叠，这一过程称为“起皱”。这种独特的机制会收缩 ROSE 中的中心空间，使其能够轻轻抓住该中心空间内的任何物体。
为了改进这一机制，研究人员通过基于有限元方法的模拟模型研究了起皱过程。模拟揭示了不同几何特征之间的相关性，包括厚度、直径和高度。值得注意的是，他们发现 ROSE 表皮厚度的适当分布，即各层之间的分离，对其抓取性能有显著影响。
因此，研究人员测试了两种不同的厚度分布策略，即线性和非线性分布，与恒定厚度相比，这显著提高了 ROSE 的抓取性能。此外，模拟还强调了夹持器直径与高度之比的重要性。
通过各种实验对模拟结果进行了验证，证实了ROSE 能够完成传统夹持器难以完成的任务。
研究人员通过使用 ROSE 采摘草莓和蘑菇，展示了 ROSE 在农业中的实际应用。在多次试验中，ROSE 在采摘这些作物方面取得了很高的成功率，无论它们是硬的还是软的。它还能成功地采摘一团蘑菇，而不会弄碎任何碎片，前提是蘑菇团的大小适合抓取空间。
“ROSE 是首批利用屈曲变形作为抓取方法的抓取器之一，它挑战了传统的观念，即屈曲现象是一种不受欢迎的特征。此外，ROSE 在农业环境中的实际应用将彻底改变现实农场的收割。”
“ROSE 能够适应不同的纹理和形状，因此在这些任务中非常有效。这不仅提高了效率，还可以解决农业劳动力日益短缺的问题，特别是在人口老龄化地区，”何教授表示。
这项研究标志着机器人夹持器取得了重大进展。凭借柔和而又灵活的抓握位置，ROSE 或将开启自动化农业的新时代。
发表于 2024-9-27 14:12:05