面向快速安全人机交接的弹性缆绳驱动变刚度抓取器设计与验证

《IEEE Access》：Variable Stiffness Gripper for Fast and Safe Human–Robot Object Handover

本研究针对协作机器人高速物体交接中的安全挑战，提出了一种基于弹性缆绳张力调控的快速变刚度抓取器（RVSG）。通过调节初始缆绳张力T0和手指间距w1，可在1秒内实现12.25–75.33 N/m的刚度连续调节（相对效率615%）。碰撞测试表明，其接触力（0.17–1.01 N）较传统刚性抓取器降低92.5–98.7%，显著提升了人机交互安全性，为装配、物流及手术辅助等场景提供了轻量化、低复杂度的解决方案。

　　

在工业自动化向人机协作转型的浪潮中，如何让机器人既快又安全地将物体递交给人类伙伴，成为制约协作机器人（Cobot）广泛应用的瓶颈问题。传统刚性抓取器虽能精准抓取，但在高速移动中一旦与人发生碰撞，可能产生危险冲击力；而完全柔性的抓取器又因刚度不足，难以稳定持握较重物体或保证交接位姿精度。这一矛盾在装配线工具传递、物流分拣包裹移交、乃至手术机器人递送器械等需要快速、精准、安全交互的场景中尤为突出。

针对此挑战，韩国大学与韩国科学技术研究院（KIST）的联合研究团队在《IEEE Access》上发表了题为“Variable Stiffness Gripper for Fast and Safe Human-Robot Object Handover”的研究论文，提出了一种创新性的快速变刚度抓取器（RVSG）。该设计摒弃了复杂的液压或智能材料方案，转而采用一种简洁而巧妙的机械原理：利用包裹物体的弹性缆绳的张力变化来主动调节抓取系统的整体刚度。

为验证这一概念，研究人员首先建立了抓取器的几何与力学模型。该模型核心描述了弹性缆绳在包裹物体时的伸长量l(d)与由此产生的张力T(d)和抓取力F(d)之间的关系。其中，关键参数包括物体半径r、缆绳初始长度l₀、初始张力T₀，以及决定缆绳包裹角度的水平偏移d和垂直距离h。通过对非线性抓取力F(d)进行线性最小二乘拟合得到F*(d)，为后续的三指抓取系统静力学分析奠定了基础。在扩展至三指构型时，研究团队进一步分析了在外部负载F_ext作用下，物体的平衡位移d_ext，从而定义了抓取刚度k_ext= F_ext/d_ext这一关键性能指标。

关键技术方法主要包括：1）基于线性回归筛选出高线性度（R2=0.9612）的4芯编织弹性缆绳作为核心致动元件；2）通过包含上部平行模块（独立驱动手指闭合）和侧向平行模块（对称调节指间距）的3自由度原型机实现参数w₁和T₀的机械调节；3）采用数值模拟量化非线性抓取力并验证线性模型的准确性（平均R2=0.9713）；4）通过机器人臂端推送实验测量力-位移曲线以计算实际抓取刚度；5）依据ISO/TS 15066标准进行准静态与瞬态碰撞安全评估。

II. METHOD

A. DESIGN CONCEPT

研究核心在于利用弹性缆绳包裹物体时产生的张力变化来形成可调的抓取力。当手指带动缆绳环绕物体时，缆绳长度发生变化，从而改变张力（T₁, T₂），并最终转化为抓取力（F₁, F₂）。通过预设初始张力T₀，即可为整个抓取系统注入初始刚度。

B. ELASTIC CABLE SELECTION

通过对6芯、4芯、1芯三种编织结构的弹性缆绳进行单轴拉伸测试，最终选定4芯圆形编织缆绳。其在应变ε≤1.0范围内表现出优异的线性（R2=0.9612）和循环重复性，且编织护套有助于抵抗环境老化，确保长期使用的弹性稳定性。

C. SIMULATION

数值模拟结果表明，抓取力F(d)随物体位移d单调递增，且初始张力T₀越大，曲线斜率越大，线性度越好。线性近似模型F*(d)与精确模型F(d)的误差很小（平均绝对误差MAE为0.0348 N），证实了线性模型的可靠性。进一步的三指系统模拟显示，抓取刚度k_ext随T₀和w₁的增加而近似线性增加。

III. EXPERIMENTS

A. PROTOTYPE FABRICATION

研制了三指RVSG原型机，其具备三个主要模块：上部平行模块（控制抓取间隙GG）、侧向平行模块（调节指间距w₁）和手指模块（通过子齿轮同步调节两根弹性缆绳的初始张力T₀）。被动指尖关节的设计有助于补偿视觉或操纵误差，提升抓取可靠性。

B. VARIABLE STIFFNESS EXPERIMENT

实验测量了不同T₀和w₁组合下的力-位移曲线。结果表明，抓取刚度k_ext可在12.25 N/m (T₀=0.0 N, w₁=30 mm) 至75.33 N/m (T₀=1.5 N, w₁=50 mm) 之间连续调节，相对刚度变化效率达615%。实验与模拟数据的平均误差为7.81 N/m，验证了模型的预测能力。针对非圆形截面物体的测试表明，圆形和方形截面刚度相近且较高，三角形和星形截面刚度较低，这与有效接触长度有关。

C. GRIPPER SAFETY COLLISION EXPERIMENT

碰撞安全测试显示，RVSG在TCP速度1.0 m/s、10 mm叠覆量条件下，瞬态峰值力F_TR在0.17 N至1.01 N之间，较商用刚性抓取器（13.44 N）降低了92.5%至98.7%。计算得出的瞬态能量E_TR（最大为6.80×10^-4J）远低于ISO/TS 15066标准为手掌规定的限值（0.49 J），证明了其卓越的碰撞安全性。

D. SLIP-RESISTANCE EXPERIMENT

滑移测试表明，增加T₀（从0.0 N至1.5 N）可使滑移阈值平均提升257%，增加GG（从10 mm至20 mm）可额外提升134%。这证实了通过调节T₀和GG可在安全性与防滑性能之间进行权衡。

E. GRIPPING OBJECTS OF VARYING GEOMETRY

通过对16种不同形状、尺寸、质量和软硬度的日常物体进行抓取测试，证明仅通过根据物体体积调整w₁和根据质量调整T₀的直观策略，RVSG即可实现稳定抓取，展现了良好的适应性。

IV. DISCUSSION

本研究成功验证了通过调节初始缆绳张力T₀和手指间距w₁这两个简单机械参数，即可实现抓取刚度的快速、宽范围、连续调节。RVSG在保证抓取稳定性的同时，显著降低了人机碰撞风险。研究也指出了当前线性模型在较高T₀时与实验数据的偏差，以及物体形状、表面摩擦对实际抓取刚度的影响。未来工作将致力于改进模型以纳入非线性和滞后效应，开发形状敏感度模型，并探索三轴刚度控制等扩展功能。

V. CONCLUSION

该研究提出并验证了一种基于弹性缆绳张力控制的快速变刚度抓取器（RVSG）。通过简洁的硬件机制，实现了高达615%的刚度调节范围，并显著提升了人机交接过程中的安全性。其低复杂度、轻量化和低成本的特点，使其易于集成到现有协作机器人系统中，在工业制造、物流和医疗辅助等领域具有广阔的应用前景。未来的研究方向包括提高模型精度、扩展对非圆形物体的适应性以及实现多轴刚度控制。