基于平面手指的扫掠式拾取策略：一种无需抓握的物体拾取方法

《Machines》：Grasping Without Grasping: A Sweeping-Based Pickup Strategy Using Planar Fingers

　　

传统的物体拾取策略利用夹持器的多点接触或多指手的包络抓取，这两种方式都需要尽可能高的自由度（DOFs），并且需要精确控制以在操作物体时维持手指与物体之间的力平衡。本文描述了一种用于可折叠机械手的新型物体拾取策略。该机械手由研究人员先前提出，其设计基于人手操作物体的特性，即在对物体进行操作时在点或面上施力。这种独特的构型使得物体拾取方式从根本上不同于传统的多点接触或包络抓取策略。本文详细描述了该机器人的硬件和控制系统。通过理论分析推导了使用所提方法处理圆柱物体时手指的合适姿态。实验使用多种圆柱物体、一个球体和平面薄板进行，以验证该方法的有效性。结果表明，所提出的基于扫掠的策略能够在低自由度（low-DOF）手的情况下实现物体拾取，无需复杂的力传感，并且对摩擦力的依赖程度低于传统的基于摩擦的抓取方式。

扫掠式拾取策略：基于平面手指的低自由度机器人物体操作新范式

一、研究背景与问题提出

在人类辅助机器人的研究领域中，机械手作为与操作对象直接交互的末端执行器，其设计理念与操控策略一直是机器人学的核心议题。长期以来，多指机械手因其模拟人手的高度灵活性而被广泛研究，从仿人五指手到用于假肢的机械手均体现了这一趋势。然而，增加手指数量和关节自由度不可避免地导致机构复杂度上升与控制难度加大，这构成了传统机械手发展的根本矛盾。

针对这一矛盾，研究者们探索了多种折衷方案。两指两轴、两指五轴及四指等简化构型被相继提出，欠驱动机械手通过减少执行器数量来简化机构，腱驱动机制则解决了手指内部空间狭窄的问题，软体手指为处理易损物体提供了新思路，而颗粒阻塞和针阵列夹持等非传统方案也展现了多样化的技术路径。尽管这些方法各有优势，但传统物体拾取策略仍主要分为两类：多点接触捏取和包络抓取。多点接触捏取依赖在多个离散点施加力以维持物体力平衡，虽然低自由度夹持器也能实现，但需要精确调整接触位置和力，且高度依赖手指与物体间的摩擦力，操作稳定性受物体形状和重心位置影响显著。包络抓取通过多接触点包裹物体，降低了对摩擦力的依赖并提高了稳定性，但要求手指具备足够的关节轴数，且在对低摩擦系数硬质物体施加大力时存在机构损坏风险。

在此背景下，研究人员提出了一种根本性的策略转变——不通过"抓握"来拾取物体，而是采用"扫掠"的方式。该策略基于研究人员先前开发的六自由度（DOFs）可折叠机械手JINZU，利用其独特的平面手指构型，将一根手指作为"扫帚"推动物体，使其滑上另一根作为"簸箕"的手指表面，进而实现物体的稳定拾取。这一方法旨在以低自由度机构实现稳定操作，同时规避传统策略中对精确力控制和摩擦依赖的固有缺陷。

二、研究内容与核心结论

本研究系统性地提出并验证了基于扫掠的物体拾取策略。研究首先描述了JINZU机械手的硬件配置与控制系统架构，随后通过理论分析推导了处理圆柱物体时手指的合适姿态条件，最后通过系列实验验证了方法的有效性。核心结论表明，该扫掠式策略能够在低自由度条件下实现物体拾取，无需复杂力传感，且对摩擦力的依赖程度低于传统摩擦式抓取。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：准静态理论分析——建立平面手指扫掠圆柱物体的力学模型，推导物体脱离桌面瞬间的力矩平衡条件，确定手指角度与所需指尖力的解析关系；数值模拟——利用gnuplot对理论方程进行30×30采样点网格化计算，结合执行器扭矩估算的可用指尖力（约2.08 N），划定可行手指角度组合区域；实验验证——使用JINZU机械手平台（轮式移动机构搭载四轴机械臂及平面手指手部），对多种物体进行各20次重复拾取实验，并将实验结果与模拟预测进行对照。

四、研究结果

4.1 理论分析结果

通过建立平面手指拾取圆柱物体的准静态力学模型，研究人员推导出物体在临界脱离桌面状态下具有正向转动趋势的条件不等式。该条件表明，F1-Link（作为"簸箕"的手指）与桌面的角度、F2-Link（作为"扫帚"的手指）的角度以及物体参数之间存在明确的可行域关系。当F1-Link角度小于某临界值时，其指尖先接触物体，此时需要采用扫掠方式将物体推上手指表面；当角度大于该临界值时，物体直接接触F1-Link表面，可采用传统抓取方式。

4.2 数值模拟结果

数值模拟针对不同尺寸和重量的PET瓶进行了可行性分析。模拟结果表明，对于空PET瓶（PET瓶A，直径68 mm，重量25 g）和装满水的同规格PET瓶（总重500 g），存在满足拾取条件的角度组合区域。对于较大规格的装满水PET瓶（PET瓶B，总重500 g），同样存在可行区域。然而，对于铝制空心圆柱体（重量625 g），模拟结果显示无法被拾取，原因是F2-Link可产生的指尖力不足以将物体推上F1-Link。

4.3 实验结果

实验采用多种物体验证了扫掠式拾取策略的有效性。对于PET瓶A（空瓶和装满水）及PET瓶B（装满水），各20次实验均成功通过扫掠方式拾取，与数值模拟预测一致。塑料球体（聚氨酯材质）也被成功拾取。然而，铝制空心圆柱体无法被拾取，物体在指尖捏取提升过程中滑落，与模拟结果一致。聚丙烯（PP）材质的平面薄板（A-D）均无法被扫掠上F1-Link，因为物体无法滑过F1-Link的指尖边缘，但后续可通过左右F-Link的指尖捏取并提起。

五、讨论与结论

研究讨论部分指出，扫掠式拾取策略的有效性取决于作为"扫帚"的手指能否产生足够的力使物体滑过作为"簸箕"的手指边缘。当扫掠失败时，物体可被指尖捏取，但在实验条件下，铝制圆柱体在提升过程中从指尖滑落，表明可用指尖力不足。轻质平面物体可通过指尖捏取的输出扭矩提起，但若要实现扫掠式拾取，需改进指尖形状以利于物体滑上手指表面。该方法对非圆形截面的适用性目前有限，平面薄板的扫掠失败表明方法受物体几何形状影响。

研究结论部分总结如下：本研究提出并实验验证了一种基于扫掠的物体拾取策略，利用先前开发的机械手JINZU实现。一根手指推动目标物体，将其放置于另一根手指上，然后提起物体。与传统多点接触捏取或包络抓取方法不同，所提方法基于将物体扫起、放置于手指上再提起的过程。因此，无需增加轴数或手指数量即可实现稳定操作。此外，拾取过程可通过低自由度机构实现，无需精确力传感。该机械手具有低自由度和平面手指的特点，通过将平面手指用作"扫帚"和"簸箕"，实现了人手无法完成的操作。未来研究计划包括：使用不同摩擦系数和形状的物体进行操作实验、系统性地变化手指角度以对比实验与预测可行区域、与传统的单指或双指夹持器进行定量比较、改进指尖机构以处理微小物体，以及通过改进传感系统实现超高精度操作。