随着学会的队伍不断发展壮大，分支机构的发展愈发完善，丰富多彩的分支活动与学术分享也频频呈现。疫情期间，CAAI认知系统与信息处理专委会积极倡导学会“疫情防控不放松，学习充电不间断”的理念，邀请年轻学者结合本专委会自身领域研究精选相关文献进行研究与再解读，与大家分享《柔软的灵巧手》。
柔软的人手，手指关节弯曲范围更大，柔韧性更好也更加灵活。众所周知钢琴家的手就较为柔软。近几年由于软体材料的发展，灵巧手也开始柔软起来。例如柏林工业大学研制的软体、欠驱动、柔性多指灵巧手、康奈尔大学研制的软体多指灵巧手、北京航空航天大学研制的软体多指灵巧手，以及清华大学孙富春教授团队最新研制的变刚度柔性灵巧手等等。下面我们就从设计、制备及驱动几个方面来一起了解柔软的灵巧手。
1. 制备的新方法
近年来随着软体机器人研究的进步和新的制造方法的发展，人与机器人的交互方式也越来越安全，并为该技术开辟了新的应用空间。
现在已经可以直接打印出具有气密复杂结构和硬部件的软体机器人。[1] 选择了使用接触起电传感器，这种类型的组件具有高拉伸性和灵敏度，可以让机器人手指主动感知和实时感知其变形或反应。在此过程中使用3D打印也使团队能够使用多种材料，这样大大缩短了打印过程所需的时间。通过接触起电曲率传感器和可拉伸电极的组合，研究人员开发的S-TECS传感器成功地避免了与以往项目相同的集成复杂性。
该装置由嵌入式单电极接触起电曲率传感器提供动力，可在超低工作频率下感应弯曲曲率，不需要外部电源，就能实现加法数字的弯曲曲率。该装置的制作是作为一个概念证明，多材料3D打印不仅可以用来制造软执行器，还可以制造功能性传感器。
近期来自日本东京大学的研究团队基于他们之前对人形机器人的研究，研发了一款用于驾驶汽车的人形机器人司机名叫Musashi[2]。Musashi的手指采用弹簧柔性结构设计。当两边线都收紧时，手指处于大刚度状态；当两边线都放松时，手指处于最小刚度状态。这款机械手在冲击下不会被损坏，另外在指尖部位和手掌部分都装有用来检测接触力的压力传感器。
2. 仿生学和3D打印技术相结合
3D打印，也就是增材制造技术，可谓是当今最流行的智能制造技术之一，发展迅猛的同时又极具潜力，它正在越来越广泛地被应用到各个领域，给制造业带来了革命性的变化。仿生学设计可以在结构上借鉴来自大自然的灵感，在设计上寻求最优化的解决方案。3D打印技术摆脱了传统加工工艺的限制，使得过去无法实现的复杂设计方案成为现实，这也赋予了仿生学设计广阔的施展空间。
最近，费斯托的仿生机械手又升级了。气动机械手比其他仿生手看起来更像人手，但却有着和人类手掌完全不一样的结构，因为它没有骨骼，完全依靠手指上的气动波纹管结构来控制动作。当气室充满空气时，手指弯曲；气室排空时，手指呈伸展状态。拇指和食指中还装有旋转模型，使这两个手指可横向移动。通过这一设计，仿生机械手总共可实现12个自由度[3]。拇指和食指中还装有旋转模型，使这两个手指可横向移动。通过这一设计，仿生机械手总共可实现12个自由度。
除此之外，这款机械手还搭载了强化学习模块，这意味着这款机械手可以通过自我学习，来不断的优化自己的行动能力，最终成功完成布置给它的任务。当机械手拿到一件物体时，它会首先利用3D相机和深度传感器建立物体的虚拟模型，并通过AI进行模拟学习，在一次次的虚拟试错练习中掌握不会把物体弄掉的正确抓握方法。这样能更快地学会操作各种物体。
3. 关节设计的柔软性
传统上，大多数的手部装置都采用刚性关节，但新型的解决方案，如柔性或软性关节正变得越来越流行。正如Shintake[4]等人和Hughes[5]等人所描述的那样，软关节的实现范围从使用弹性元件而产生柔性的铰接结构，到可连续变形为无数可能形状的完全顺应系统。柔性通常是通过使用不同的材料制造技术来创造的，从铸造和成型到3D打印。
柔软的机械手利用关节的灵活性，在抓取时使数字的形状适应对象(或环境)，大大简化了控制策略。柔软的机器人手特别适合于在非结构化环境中使用，在这种环境中，传统的刚性手需要复杂的控制算法，仅仅是为了接近物体，并避免与环境的碰撞。与物体的相互作用和环境的心理约束被用于功能上改变手的形状。关节的顺应性大大增加了机器人手的鲁棒性，它可以支持与环境的强烈冲击或重度脱节。这些特性保证了人与机器人的安全交互，将软体机械手的使用扩展到了包括医疗应用在内的各个领域。
随着人们对软体机器人研究兴趣的不断增加和技术的进步，未来几年软体机器人在服务机器人、工业环境和医疗领域的应用将大幅增加。这样的趋势已经很明显，下图显示了三个应用领域和不同类型关节之间的相关性。例如，人机交互应用往往避免使用刚性关节，这可能是因为刚性关节技术的不自然和不安全。人机交互应用的设计倾向于使用可脱位的关节，工业应用的设计倾向于使用柔性和柔软的连续关节，而假肢和康复应用的设计则倾向于使用柔性和可脱位的关节。
4. 驱动原理的柔软性
多年来，刚性驱动一直是手指运动最常用的方法，近年的应用如人与机器人的交互，已经引入了新颖而具有挑战性的设计目标，在这些目标中，使用顺应性驱动器可以提供比传统驱动更显著的优势。执行机构中的顺应性可以通过刚度或阻抗调制或通过使用软性和柔性材料来引入。后者特别适用于柔软的连续机械手，如形状记忆合金驱动器和气动驱动器，通过控制压缩空气的压力来调制刚度，下图显示了三个应用领域和两类执行器之间的相关性。特别是近十年来，机械手设计中采用的软执行器数量明显增加，在工业和人机交互应用中使用率最高。
参考文献（略）
本文由CAAI认知系统与信息处理专委会供稿
来源：oschina
链接：https://my.oschina.net/u/4272811/blog/4366198