IROS2025具有多种抓取模式与磁触觉感知能力的仿生机械手

在生物学上人类手指的构型对抓取大小适中的物体具有天然的优越性，刚性的骨架外侧包裹着柔软的肌肉组织，为柔性物体的抓取提供良好的缓冲减震功效，嵌入肌肉组织的各个感受器负责提供手指在抓取物体时的触觉反馈。基于此类感受机理，本文提出了一种新型的多模式仿生机械手，其仿生手指将磁性硅胶皮肤与刚性骨架相结合，并在指尖集成真空吸盘，通过钢绳配合丝杠螺母机构实现手指关节的耦合连接，基于此类设计使得机械手拥有包裹式、平行式和吸附式三种抓取模式。

手指内部集成的霍尔传感单元可以检测手指外侧磁性硅胶薄膜的形变情况，通过检测硅胶的三轴磁场可以实时的检测机械手的抓取信息。此外，柔软的磁性硅胶层在抓取过程中可以提供一定的柔顺适应性。

混合了磁粉后的硅胶其内部会充斥着杂乱无章的无磁性磁粉颗粒，而在对硅胶薄膜进行单向充磁后，其内部的无磁性颗粒便会转化成磁性颗粒并在硅胶外侧形成规律的磁场，硅胶薄膜在与外部物体接触形变时，其内部磁性颗粒的朝向便会发生微小的变化，从而改变整个硅胶外部的磁场。

通过霍尔传感器对磁性硅胶薄膜的实时检测可将抓取物体分成四个阶段，包括靠近物体、夹紧物体、抓起物体以及放开物体。在前两个阶段数据的上升趋势有所不同，从图中可以看出阶段a的一阶导数远小于阶段b，阶段a表示向物体靠拢、阶段b表示手指对物体的挤压，可见如若磁硅胶薄膜发生挤压形变，其周围磁场便会产生一定的跳变，而这可以作为手指按压的触觉力感知。而阶段a体现在磁膜与磁膜靠近时磁场之间的相互叠加作用，这可以间接体现手指在抓取过程中对被抓物体的尺寸的探测。

我们通过上位机控制四连杆机构使得手指之间相互缓慢靠近，磁数据收集器每隔0.25s采集一次磁场信息并在此刻实时的记录手指之间的距离信息D,以此便可以获得磁场数据的变化量∆B与抓取直径D的关系曲线，在后期抓取物体时可以提供相应的物体尺寸信息。

为了进一步检测整个机械爪的抓取能力和现实外卖打包场景的抓取适应性，搭建了如下搭配有RM65机械臂、D455深度相机的自主抓取实验平台，通过外部的深度相机来识别需要抓取的物体，并返回被抓物的三维坐标信息，配合机械臂实现全自主的抓取实验操作。

论文作者：王仕贤, 杨少博, 王俊沣, 李博澳, 孙富春, 闫俊霞，方斌

来源：CAAI认知系统与信息处理专委会

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