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引用论文
Yang, J., Ren, C., Yang, C. et al. Design of a Flexible Capture Mechanism Inspired by Sea Anemone for Non-cooperative Targets. Chin. J. Mech. Eng. 34, 77 (2021). https://doi.org/10.1186/s10033-021-00594-z
研究背景及目的
人类正在将探索的目光拓宽到太空、水下等未知的环境。抓持机构的应用领域已不再局限于结构化环境下的抓握、搬运等操作，对于太空、水下等环境的非合作目标的捕获越来越具有重要意义。非合作目标的结构特征不规则、机动行为不配合、信息层面不沟通，传统刚性机构要实现对其捕获的难度非常大。
柔性捕获装置通常采用半柔软或全柔软的材料制成，具有高度冗余的被动多自由度，可以连续大幅度地改变自身形状和尺寸，特别适合需要适应不规则形状以及要求能量缓冲机制的场景下应用。但是，现有的柔性捕获装置面对动态目标时依然需要精确位姿控制，且反应速度慢，成功率低。
针对此问题，本论文提出一种仿海葵连续型臂群捕获机构，采用多触须协同捕获的策略，以降低捕获控制系统复杂度，提高捕获机构负载能力和任务可靠性，可实现多种形态运动目标的抓取。
试验方法
从自然界中海葵捕获食物的过程中得到灵感：海葵是无脊椎动物，有大量的圆柱形触须。虽然单根触须的运动和承载能力并不突出，但可以利用多条触须协同动作，缠绕、包络、捕获来自任何方向的食物，灵活性高。
因此，我们提出利用多个连续型触须组成臂群来拦截和捕获非合作目标。该机器人样机由九个欠驱动连续型触须和一个驱动箱组成。连续型触须由硅胶套筒、中心骨架central skeleton和两根分别用于弯曲包络和刚度调节的驱动丝1和驱动丝2组成。其中，中心骨架central skeleton由多个关节(样机采用14个关节)组成，并通过球面铰链串联起来，用以提供高度冗余的被动多自由度。由于侧导孔存在偏移距离，对驱动丝1施加拉力可以产生弯曲力矩，使触须向基座弯曲。对驱动丝2施加拉力可提高相邻关节之间的压紧力，从而增大关节之间球面铰链的摩擦力，使触须锁紧目标的刚度增大。
根据不同的目标体速度和大小，九根柔性触须可以通过驱动箱盖上的滑槽来调整安装位置从而实现不同的分布方式。为了进一步研究柔性触须的分布方式与目标体速度和大小最佳匹配关系，在ABAQUS/CAE集成环境中建立有限元模型，进行不同条件下的捕获仿真试验。最后，制作样机进行静态和动态目标的捕获试验。
结果
(1) 通过静态抓捕能力实验，仿海葵捕获样机可以成功抓取胶带、钥匙等多种形状的物体，具有良好的适应性。
(2) 在动态捕获实验中，选择高尔夫球、等边四面体和圆柱体三种不同形状的目标体进行动态捕获实验。使用直径42 mm的高尔夫球做目标体，重复50次试验，其中成功捕获45次，捕获成功率为90%。目标体为边长40 mm的等边四面体，在将捕获机构倒置的情况下，50次捕获实验中成功了41次，捕获成功率为82%。目标体为直径35 mm，高度50 mm的圆柱体，将弹射装置的发射角度由水平方向改变为向上倾斜45°，50次测试中有39次成功捕获，捕获成功率为78%。
(3) 在变刚度实验中：未拉动驱动丝2时（初始刚度），使用测力计测量臂群弯曲包络后的平均锁紧力为7.32N；激活直线电机2，控制驱动丝2的拉紧距离为10 mm时（增大刚度），测量平均锁紧力为15.85N。通过驱动丝2改变刚度，使平均锁紧力增大了1倍。
结论
(1) 受海葵启发，提出了一种利用臂群包络和锁紧非合作目标体的柔性捕获机构。每个连续型触须由多个关节通过球面铰链串联而成，可以提供足够的自由度来适应目标体的形状和大小。两根驱动丝(镍钛合金丝)嵌入在中心骨架central skeleton中，分别用于实现弯曲包络和刚度调节。
(2) 通过有限元仿真，研究了臂群分布、目标体尺寸和速度等参数的影响。结果表明，使臂群间距C接近目标体的直径可以提高捕获成功率，随着目标体速度的增加，臂群分布密度也相应增加。
(3) 所搭建的样机可以抓取不同形状的静态目标体。另外，对于不同尺寸、形状和入射角度的动态目标体具有较强的适应性，不需要精确定位和姿态控制，动态捕获的平均成功率为83.3%。刚度调节功能可以进一步增加臂群的锁紧力。
前景与应用
所提仿海葵非合作目标捕获装置采用多触须协同捕获的策略，不用精确调整位姿就可以有效抓取任意形状的动态目标，对于太空、水下等未知环境下的垃圾清理问题提供了新的可行方案。
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团队带头人介绍
康荣杰，1981年生，天津大学机械工程学院现代机构学与机器人学中心执行主任，英才副教授，主要研究方向为柔软体机构与机器人。以第一或通信作者身份在IJRR，TMech，ASME、MMT等权威期刊和国际会议发表学术论文40余篇。承担国家重点研发计划课题，国家自然科学基金委面上、国际（地区）合作项目，天津市科技支撑重点项目等10 余项；以第一发明人身份申请/授权专利12项。获机构学与机器人学权威期刊ASME JMR 2020年度最佳论文奖，多次获得国际国内会议论文奖、海报奖。入选天津市青年人才计划。担任高等教育出版社“机器人科学与技术”丛书编委，IROS副主编等。
团队研究方向
天津大学现代机构学与机器人学中心康荣杰副教授团队面向国际机器人机构学与机器人学前沿，围绕“柔软体机器人运动机理、建模与控制方法”展开研究。建立了柔性连续体网络单元模型及其递归求解算法，揭示了几何约束下多重弯曲机理。突破了可调刚柔度的连续体驱动器关键技术，实现柔顺性、载荷与定位精度的综合性能提升。提出了连续体机器人冗余自由度协调控制方法，解决了系统不确定性和多重逆解问题。通过与科研院所和企业合作，推动柔软体机器人在非合作目标捕获和人机协作方面的应用。
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编辑：恽海艳 校对：向映姣
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