政大大學報

抽氣式機械手指增抓力 穩固握取不規則物體

2020/10/28 23:11:01

【記者陳卓希綜合報導】機器人不只有冰冷的金屬材質,近年興起的軟性機器人,讓機械手臂擁有人類皮膚的觸感,動作也更加細膩。國立臺灣大學機械工程學系團隊,以抽氣方式驅動機械手指,增加軟性手指的抓握力,研發出「抽氣式薄壁挫屈軟性材料手指」,可望用於醫療和食品包裝等領域。此作品在「萬潤2020創新創意競賽」獲「最佳應用獎」。

團隊成員、臺大機械系學生于紹尹表示,一般軟性手指多由充氣方式驅動,原理類似氣球充氣,氣體會使手指膨脹具抓握力,但因空氣具壓縮性,如同氣球充氣後表面仍具彈性,會導致握力變小而不易取物,抓力比值落在2到68。有鑑於此,團隊改用「抽氣式」驅動手指,「可想像成真空包裝的綠豆,抽掉空氣後袋子會變硬。」他形容,抽氣後的關節能更穩固,也讓軟性手指的勁度(註1)大增,抓握力較充氣式手指高,比值接近80。

註1:勁度是彈性材質抵抗變形的一種強度標準。
軟性手指總重為50公克,可抓取超過4公斤的物品,且因為材質柔軟,可大幅降低被抓取物損害的可能性。 圖/歐陽智文提供

抽氣式關節能提供更好的抓握性能,但在抽氣時,手指會因過度擠壓而無法自然彎曲。團隊成員、臺大機械系學生歐陽智文解釋,團隊在手指關節旁開了似三角形的洞,才使手指能快速自然地變形。他補充,手指關節是由可大幅度彎曲的薄膜構成,薄膜能適應真空狀態,快速變形做出指令。而此作品運動時間約需0.5秒,「相較充氣式為0.1至6秒,作品表現還算不錯。」他肯定作品效能。

左為手指彎曲型態概念圖,中間為仿生手指結構,右則為本作品設計的手指關節。 圖/歐陽智文提供

「薄膜由軟性材料製成,可由3D列印印出一體成形的手指。」于紹尹說,作品的成本相較硬式手指低,製作程序也比其他的軟式手指簡便。一般軟性手指是用矽膠灌模,需要經製模、灌膠、脫模等繁複步驟,而團隊利用3D列印即可印出多關節手指,後續更能簡便組裝成抓取器和仿生(註2)手掌。

註2:透過模仿生物系統的功能和行為,研發技術系統。

大部分硬式機器人多透過金屬製成和馬達發動,有足夠抓力抓取重物,被廣泛應用於工業領域,但缺點為無法抓取會變形的物體。指導教授莊嘉揚認為,團隊的作品打破限制,具高度適應性,可抓握較薄和不規則的物品,如信用卡和絨毛娃娃等。他說明,像食品包裝和醫療領域,機器「柔軟」的特性能更接近人體的感知能力,以適應不規則形狀的商品。

團隊製作的仿真手指,可抓握不同形體物品,像圖中裝水的冰袋,展現高度適應能力。 圖/歐陽智文提供

軟性機器目前都在研究階段,「(手指)能抓起信用卡,在技術有很大發展性。」工業技術研究院機械與機電系統研究所、智慧機器人組副組長張彥中對作品表示看法。然在商業運用上,還需進一步實測與改良,于紹尹談到,當前目標是將作品套用在仿生機器人,增加外型真實度和性能多樣性,證明此設計的效用。

團隊將關節依人類手指樣態進行排列,使其外觀與手掌相似,可抓取體積小、厚度薄的物件。 圖/歐陽智文提供