1.前言

       刚性机器人抓手快速、准确、坚固且功能强大。然而，如果没有精确的控制，刚性抓手很容易损坏物体。相反，软机器人由于结构和软材料的柔顺性和适应性能实现软交互。因此，软抓手适用于处理不确定的任务，例如在非结构化环境中抓取未知物体。例如，软机器人可以执行拾放操作，而无需精确定位和确定对象的精确几何模型。基于不同的驱动技术，已经开发了几种不同类型的软夹具，例如气动软驱动器、介电弹性体驱动器（DEAs）、形状记忆合金等。

       在这项研究中，我们主要关注气动软执行器 (PSA)。PSAs夹持器由于具有无限的自由度和高柔软性，可以夹持各种不同形状和大小的物体。虽然PSA夹持器已经得到很好的发展和广泛的应用，但是在某些应用中必须解决气动软夹持器控制等问题。目前用于软体机器人的控制方法可分为两类：开环控制和闭环控制。大多数 PSA 夹持器通过非常简单的开环阀顺序执行任务，以控制身体部分的驱动，抓取形状不可预测的物体或操纵易碎物体，但精度欠缺，闭环控制仍然是软机器人的主要挑战。与传统机器人相比，大多数控制方法尚未成熟。软体机器人在理论上具有无限的 DOF（自由度），但任何实际软体机器人中的传感器和执行器的数量都是有限的。因此，软体机器人的许多自由度不能直接观察、控制。准确描述软体机器人大偏转动力学的模型通常在计算上过于昂贵，无法用于实时控制。此外 PSA 的高度非线性特性和时变参数，导致难以对其行为进行建模和设计用于精确定位系统的控制器。可控的软抓手可以让软机器人用于更高级的任务，例如认知和与环境的交互。因此在软机器人设计中要适当进行的模型降阶，这将有利于控制。

       在这项研究中，我们提出了一种基于 PCP（预充电-气动）概念开发的带有两个对称软手指（致动器）的软抓手。应变限制层中设计了力传感器和接近传感器用于抓取操作中的闭环控制。3D 模型及其原型如图 1 所示。

                                      图 1. 软抓手的 3D 模型和原型

       这项研究的主要贡献在三个方面：首先，开发了所提出的软执行器的运动学模型；其次，进行了 PCP 执行器的实验动态研究（振动测试）；最后，将力传感器和接近传感器添加到软夹具中，以展示闭环控制的能力。

       本文结构如下：第二部分介绍了软驱动器的基本设计原理和几何分析。第三部分介绍了机械手的机械设计、基本参数定义、抓取演示和实验动力学研究。第四部分演示了物体抓取测试中的闭环控制。最后一部分总结了所提出的软夹持器的优点和缺点，并描述了潜在的未来发展。

2.软执行器的机械设计与分析

2.1 PCP 软执行器

       在之前的研究中，提出了一种新型的软执行器：预充电-气动 (PCP) 软执行器。图2显示了普通气动软执行器（PSA）和PCP软执行器工作原理的比较。图 2(a) 是普通气动软执行器的剖视图。

       在初始状态下，PSA 保持笔直，空气管将其连接到气泵。当打开加压气体时，PSA 将向下弯曲。弯曲角度随着气压的增加而增加。图 2（b1）显示了 PCP 软执行器的基本设计原理。在指尖处，加了一个坚硬的尖头，以承受筋腱拉力，这将减少材料弹性滞后的影响。 PCP致动器的主体设计与普通PSA相同，致动器主体由硅橡胶制成，致动器底部附有不可延伸层。与普通PSA驱动器相比，PCP软驱动器的主要区别在于： (1)在驱动器的上侧模制了多个钢筋导向装置，用于钢筋布线。 (2)抽气密封采用单向止回阀。图 2(b2) 和图 2(b3)说明 PCP 软执行器的工作原理。当加压气体注入腔室内时，执行器将向下弯曲，与普通 PSA 相同。单向止回阀将密封执行器内部的压力气体，将此状态定义为 PCP 软执行器的预充电状态，如图 2（b2）所示。在图 2（b3）中，执行器被肌腱拉直。现在，可以通过肌腱控制 PCP 软致动器的弯曲。通过控制牵拉速度V和牵拉距离D，我们可以控制PCP软驱动器的弯曲角度和弯曲速度。

图 2. 普通气动软执行器 (PSA) 和预充气动 (PCP) 软执行器的比较 (a) PSA的设计和工作原理 (b) PCP 软执行器的设计和工作原理

2.2执行器原型 

      PCP 执行器的 3D 模型如图 3（a）所示。我们设计了五个肌腱导向装置，均匀分布在执行器的背面，设计参数如图 3（a）所示。软执行器的腔室厚度为 4 毫米。图 3（b）显示了 PCP 软执行器的原型。硅橡胶硬度为SHORE A 20D，止回阀是AKH04-00，尼龙钓鱼线作为筋，因为它具有高抗拉强度（0.6毫米直径，22公斤拉力）。 3D 打印的 PLA 芯片被模制在指尖内，用于承受来自肌腱的拉力。 PCP 软执行器的制造过程与传统的 PSA 软执行器非常相似，唯一的区别是软驱动器背面的钢筋引导模制。

                     图 3. PCP 软执行器示例 (a) 执行器的设计参数 (b) PCP 软执行器的原型

              图 4. 样本 PCP 软执行器的主要参数 (a) 致动器向 CD 侧弯曲 (b) 致动器向 AB 侧弯曲

2.3 PCP 软执行器的运动学分析 

      PCP 软执行器的弯曲是通过拉动或释放肌腱来控制的。弯曲角度和弯曲速度与牵筋距离和牵筋速度有关。在之前的研究中推导出了肌腱的牵引距离/速度与弯曲角度/速度之间的关系，并将分析结果与实验结果进行了比较。该驱动器的一些设计与之前的版本有所不同，具体来说，驱动器背面的钢筋导向器的尺寸比之前的版本更小，分布更密集。修改后的设计使软致动器的弯曲更加连续。与之前的版本不同，钢筋导向器的高度和宽度足够小，几乎不会影响执行器的扩展。因此，我们简化了软致动器的几何弯曲模型，如图 4 所示。致动器被简化为单体，其中 AB 代表肌腱，CD 代表不可延伸层。

      通常 PCP 致动器沿着 CD 侧弯曲，如图 4（a）所示。为了扩大 PCP 致动器的运动范围，可以进一步拉动肌腱以使致动器沿 AB 侧弯曲，如图 4（b）所示。本文中，每边的弯曲角度设置在 0° ∼ 90° 的范围内。

       当致动器被拉直时，长度CD 等于 AB (110 mm)。松开或进一步牵拉筋时，筋长度的变化为x，对应的弯曲角度为θ。其他参数见图 4。在初始状态（执行器是直的），弯曲角度 θ 和 x 等于零。在弯曲过程中，x会随着弯曲角度的增大而增大。基于这些假设，我们可以推导出弯曲角度与肌腱长度变化之间的关系。

3.软夹具设计和动态研究

       通过拉动/释放肌腱，可以控制 PCP 软执行器的弯曲过程，也就是说，PCP 执行器不依赖气压进行控制。因此，一旦预充，就不再需要空气供应。这为软机器人的自由应用打开了空间。在这里，我们提出了一个双指无绳软夹持器和所提出的 PCP 软执行器，每个 PCP 软执行器由一个伺服电机控制。

3.1软抓手的设计 

       图 5 显示了软抓手的 3D 模型。夹具由两部分组成，软机器人手指和夹具底座。这基本设计参数见图 5（a）。我们使用两个 PCP 软执行器作为手指。伺服电机、控制器、电池安装在 3D 打印的夹持器底座上。软致动器的一部分（27 毫米长）插入夹持器底座内。

夹指的有效长度约为 103 mm，两指之间的夹角为 20°。夹持器的开口侧宽度为 75mm。夹持器的总体积约为218mm（L）×130mm（W）×76mm（H），总重量约为1.2kg。

       图 5（b）显示了肌腱的机械传动系统。伺服电机安装在软执行器的正上方。两个伺服轮用于缠绕肌腱。伺服轮的直径为 15 mm。用于控制执行器的肌腱缠绕在伺服轮上，穿过底座上的肌腱导向装置。有效绕线长度为 70 mm（伺服轮周长的 3/4）。软执行器的止回阀（用于充气）固定在夹持器底座前部的槽中。

            图 5软夹持器的设计 (a) 所提出的软夹持器的设计参数 (b) 夹持器内部结构的机械设计

       柔软的手指充有0.08MPa的气压，软指在此压力下的弯曲角度约为 50°，足以闭合两指之间的间隙。假设肌腱在力传递过程中没有伸长。将 S 定义为夹爪手指的张开宽度。在初始状态下，软手指设置为笔直，S = 75mm，如图 6（a）所示。在抓取操作中，可以通过拉动或松开肌腱来改变 S。通过释放肌腱，手指可以接触，即 S = 0mm。通过拉动筋，原型夹持器的最大张开宽度 S 可以达到 150mm，是初始张开宽度的两倍（图 6（a））。需要说明的是，夹持器打开宽度S是可控的。在原型夹持器中，夹持器的张开宽度可以控制在 0mm 到 150mm 之间的任意值。对于大多数基于普通气动软致动器的夹持器来说，这是不可能的或困难的。但此功能使所提出的夹具对具有不同形状和大小的物体具有很高的适应性。

      在抓取操作中，柔软的手指在预充气动能量的作用下弯曲。因此，软夹具与普通气动软夹具一样柔顺。只需拉动和松开肌腱，柔软的抓手就可以自然地包裹住物体。

3.2软夹持器动态特性的实验研究

       振动是气动软执行器的挑战之一，因为它们完全由软硅橡胶或弹性聚合物制成。它们的刚度非常小，因此在扰动下容易发生振动。在工业应用中，软执行器的振动会影响软夹持器的性能，导致循环时间长、抓取精度低和碰撞几率高等。通过实验证明，肌腱控制和气动驱动的拮抗组合可以将硅胶基软驱动器的刚度提高几乎 100% 。因此，可以推断 PCP 软执行器的刚度远高于普通气动软执行器。较高的结构刚度可以有效降低系统在外部激励下的振动。进行了两对实验来比较所提出的软夹持器在有和没有预充气压的情况下的振动角度。

       基于大多数工业软手的应用，设置研究了软手指在两种情况下的振动： 1. 机器人手臂快速移动引起的软手指振动； 2.在抓取过程中由驱动和解除驱动（进气/排气）引起的软手指振动。

       在实验中，使用相同的致动器。 PCP 执行器通过用连接到泵的空气管代替止回阀而转换为普通 PSA 执行器。图 7（a）是模拟快速移动机器人手臂的振动测试装置。将软夹具安装在皮带传动直线导轨上，可以以不同的速度左右移动。直线导轨固定在稳定的工作台上。夹持器可以以不同的速度左右移动来模拟机器人手臂的运动。柔软的手指会在加速和减速时振动，或者在移动方向改变时振动。每次夹具以五种不同的速度到达左端时，我们测量一个软手指的最大振动幅度 α。图 7(b) 是突然的空气致动和解除致动引起的软手指的动态效应研究。在这些测试中，抓手不会移动。当致动器从弯曲状态解除致动时，由于材料（硅橡胶）的高弹性，致动器本体在返回到平衡位置之前会振动。

       测试了三种不同气压（0.04 Mpa、0.06Mpa 和 0.08MPa）对普通 PSA 软执行器的影响。对于所提出的 PCP 软致动器，由于空气被预充到一定压力（在本次测试中为 0.08MPa），因此无需通过释放气压来解除致动。相反，测量它的振动其最快速度（在无张力下松开肌腱，最大速度约为1.2rad/s）。测量如图 7(b) 所示的最大振幅 β。对于 α 和 β 的测量，使用了高速摄像机，最大摆幅是手动测量的。

       在图 7（c）中，可以看出带有 PCP 软执行器的夹具的振幅 α（绝对值）远小于带有普通 PSA 执行器的软夹具。在测试中，PSA 执行器的振动幅度是 PCP 软执行器在整个 5 速度下的 2 到 3 倍。在普通的 PSA 执行器中，它在移动时不充气，因此非常柔软，因此很容易摆动。在我们的 PCP 执行器中，它充有 0.08 MPa 的气压。这使得 PCP 致动器更硬。此外，PCP 致动器运动也受到肌腱的约束。因此，与普通 PSA 相比，它的振幅非常小。在图 7（d）中，PSA 的振动幅度 β （绝对值）随着气压的增加而增加，而在 PCP 软执行器的驱动和解除驱动期间只能观察到非常小的振动幅度。

        测试PCP 和 PSA 夹具随时间的振动耗散情况，对于图 7（a）中的测试，我们测量振动幅度（α，正方向在图 7（a）中向右）耗散与时间的关系，当夹持器停止在直线导轨的右侧时（直线导轨速度 70mm/s)。图 7(e) 显示 PSA 夹持器的最大幅度 (4°) 可以比 PCP 夹持器 (2°) 大 2 倍，并且 PSA 夹持器 (320ms) 稳定所需的时间是 PSA 夹持器的两倍多到 PCP 夹具（150 毫秒）。对于图 7（b）中的测试，我们测量振动幅度（β，正方向在图 7（b）中向右）耗散与左手指返回其初始位置时的时间（对于 PCP致动器，手指从900弯曲角度拉直，对于PSA致动器，我们只需将其充至气压0.08MPa并释放压力）。图 7（f）显示 PSA 致动器的最大振幅（6°）在停用时远大于 PCP 致动器的最大振幅（几乎为 0°）。 PSA 执行器稳定需要 400 毫秒，而 PCP 执行器没有可见振动）。从振动测试的实验结果来看，PCP 软执行器在动态环境中的性能远优于普通 PSA 执行器。 PCP软执行器的这一特性使其在操作中能够得到更精确的控制。

4.带传感器的闭环控制抓取 

       对于某些抓取任务，尤其是抓取易碎物体（如鸡蛋或西红柿）时，抓取速度（手指接近速度）和抓取接触力是成功抓取的关键因素。抓取速度和抓取力控制不当会导致抓取失败、过度压缩或破坏物体。

       带有反馈的闭环控制很容易在传统的硬质机器人夹具上实现，因为它们通常由具有快速响应的电机驱动。然而，对于软手，尤其是气动软手，快速准确的闭环控制仍然难以实现。

       虽然可以通过调节气压和气流速率来控制气动软执行器的弯曲角度和弯曲速度，但是由于气体的可压缩性和软执行器本体的非线性变形，PSA很难具有即使使用力传感器和曲率传感器 ，也不能快速准确地控制。但PCP 软执行器的弯曲过程可以通过拉动/释放肌腱来线性控制。折弯角度和折弯速度分别与伺服电机旋转角度和转速呈线性相关。因此，所提出的 PCP 软执行器的控制现在是电机控制的问题。

       模压柔性薄膜力传感器（FSR力传感器，感应范围：20g-10kg，厚度：0.35mm，响应时间<10ms）和迷你接近传感器（GY -530 VL53L0X激光距离传感器，芯片尺寸：10.5mm∗ 13.3mm）在指尖处，如图 8 所示。电线模制在软手指内部，延伸至夹持器底座并与控制板连接。

       指尖是用固体硅橡胶密封的；手指弯曲只会对传感器性能产生很小的影响。设计了一个带有反馈（距离和力）的闭环抓取控制策略，如图 9 所示。当抓手手指接近物体时，只要没有达到预定义的安全距离 d1，手指就可以以更快的速度 ω1 弯曲。到达。接近传感器连续测量指尖和物体之间的距离 d 并与预定义的安全距离 d1 进行比较。如果 f d ≤ d1，手指的闭合速度将变为预先设定的安全速度 ω2，（ω2 = ω1 − λ，λ 取决于被抓取的物体），否则，手指将继续以速度 ω1 接近物体。同时，力传感器将连续测量手指和物体之间的接触力 F。我们预先定义了一个最大抓取力Fobject，一旦接触力F≥Fobject，手指就会停止，机器人就可以操纵物体了。

       使用多种对象测试抓取策略，如图 6（b）所示。鸡蛋和西红柿的抓取细节如图所示。定义安全距离 d1 = d2 ≈ 15mm，快速 ω1 = 0.6rad/s，减速 λ = 0.4rad/s，接触力 Fegg = 1N 抓鸡蛋，Ftom ato = 2N 抓番茄。

       d1为手指在弯曲速度减慢时测得的安全距离，Fobject为手指停止移动时测得的抓力，ω1为预设快速弯曲速度，λ为预设弯曲速度变化，T为闭环控制物体抓取时间（仅针对鸡蛋和番茄，其他物体抓取无闭环控制）。传感器存在一定的误差：对于接近传感器，伺服电机速度降低后的平均测量值与预设的d1 = 15mm相比有2∼3 mm的误差；对于力传感器，与预设Fegg = 1N和Ftom ato = 2N相比，误差约为0.13N和0.12N。

       误差可能是由以下几个方面引起的：

     （1）环境引起的传感器测量误差；

     （2）伺服电机未及时减速/停止；

     （3）硅胶手指在松筋时存在非线性变形；

     （4）接近传感器比力传感器有更明显的误差。

       总体而言，闭环控制抓取测试的错误是可以接受的，在每次测试中都成功抓取了西红柿和鸡蛋，没有出现挤压太多而破坏物体或太松而导致物体掉落。

5.结论与讨论 

       提出了一种基于预充电气动 (PCP) 软致动器的软夹持器，通过理论分析验证其可行性，并且实现了样品原型制造。软手指的弯曲角度和弯曲速度由肌腱控制，而肌腱又由伺服电机控制。在抓取物体时，PCP 执行器具有与普通 PSA 类似的顺应性。与基于普通 PSA 的软夹持器相比，所提出的软夹持器具有几个优点。首先，所提出的软夹具将伺服电机、控制器和电池集成在夹具底座中，可以做得非常紧凑和轻便，原型的总重量约为 1.2 千克。它可以应用于移动机器人或服务机器人，因为它不需要任何空气压缩机来运行（空气像球一样预充）。其次，所提出的软夹持器比普通 PSA 软夹持器动态更稳定。软手指的肌腱控制比普通 PSA 执行器中的气压或流量控制更快速、更准确。 PCP 软执行器的高可控性使得可以将传感器添加到软夹具中以用于闭环抓取应用。虽然大多数软抓手的设计都是为了抓取物体而无需精确控制，但闭环控制可以增加软抓手的功能并将其应用扩展到更多场景。