在機器人操作領域，通用抓取作為核心功能，對推動工業自動化、提升物流效率、實現農業精準作業以及促進消費品創新等方面意義重大。然而，要讓機器人像人類一樣靈活抓取從羽毛到啞鈴、從酥脆薯片到堅硬金屬等各類物品，一直是該領域的重大難題。

通用性抓取能力的核心在于設計出足夠靈活、自適應的機器人抓手，無需為不同物體反復調整，就能應對未知物體和復雜環境。但現實生活中的物體在重量、易碎程度、尺寸和形狀上的千差萬別，這使得實現真正的通用抓取成為一項艱巨挑戰。

此前相關研究主要采用兩種策略來提升抓取多樣性：一是組合多種抓取機制，如捏合與吸附，以彌補單一機制的不足；二是融合剛性結構與柔性結構，效仿人類手指“剛骨柔膚”的設計。

但這兩條路線都面臨共同困境：要么是不同機制互相干擾無法發揮優勢，要么是難以在保持抓手緊湊和高性能的前提下有效集成，亟需簡單高效的解決方案。

▍研制混合多模式抓手HMG，離人手更近一步

針對上述挑戰，中山大學張錦繡教授、吳嘉寧副教授與華中科技大學吳志剛教授團隊攜手合作進行深入研究，并成功研制出混合多模式抓手（HMG）。該抓手創造性地融合了捏-吸混合抓取與剛-柔耦合結構，在技術上實現了重要突破。

圖 | HMG的抓通用性抓取能力

HMG將四種操作模式集成于緊湊結構中，并通過集成指尖和吸盤的柔性壓力傳感器，具備了感知交互力的能力，從而實現了更智能的閉環抓取。同時，通過引入兩種簡潔而高效的協同機制，研究團隊也成功協調了夾捏與吸附操作之間的配合，以及軟硬組件之間的協同工作。

圖 | 集成柔性壓力傳感器的閉環抓取

實驗測試中，HMG展現出突破性多目標抓取能力，實現了在重量（0.2g-10kg）、材質（果凍-鋁材）、尺寸（0.46mm-0.55m）三個維度的全覆蓋，此外，HMG也突破了傳統夾取方式對異形物體的處理局限，展現出出色的場景適應性，無論是復雜工業環境還是極端水下工況，均能保持穩定可靠的作業性能。

這一研究首次通過巧妙結合多種抓取機制與剛柔結構，證明了拓展抓取多樣性的巨大潛力，提供了一套簡單高效的多模式協同解決方案。其創新設計理念和精巧機構，為開發下一代高性能智能機器人抓手樹立了重要參考標桿。日前其相關研究成果已以“Enhancing Grasping Diversity with a Pinch-Suction and Soft-Rigid Hybrid Multimodal Gripper”為題，在機器人領域頂刊IEEE Transactions on Robotics發表。博士生趙郁文和朱嘉淇為共同第一作者，中山大學張錦繡教授、吳嘉寧副教授以及華中科技大學吳志剛教授為共同通訊作者。

▍HMG機械設計與工作機制解析

HMG集成了四種操作模式，并通過引入“選擇性激活機制（SAM）”與“順應性自適應機制”兩種高效協同機制，成功實現夾捏與吸附操作的精準協調，以及軟硬組件的協同作業。其整體結構設計緊湊高效，通過多模態操作設計，將剛性驅動系統（RAS）與柔性驅動系統（SAS）通過法蘭聯軸器和平滑軸固定于裝配平臺。剛性手指采用高性能尼龍材料，通過選擇性激光燒結（SLS）3D打印技術成型，確保高強度與耐久性；柔性腔室與吸盤選用硅橡膠材料，兼具優良彈性與密封性。通過精確控制柔性腔室負壓與剛性電機旋轉角度，HMG可實現四種操作模式的精準切換與穩定執行。具體來說：

• 多操作解耦模式設計

圖 | 多操作模式示意圖

HMG的設計核心在于其獨特的四重操作模式：得益于剛性驅動系統（RAS）與柔性驅動系統（SAS）的緊密集成，該抓手可通過剛性、柔性兩套驅動系統的獨立或協同工作，能靈活切換為“強力捏合”模式（輕松抓起啞鈴）、“輕柔捏合”模式（溫柔對待脆弱物體）、“純吸附”模式（搬運籃球等大件）以及“混合操作”模式（提升復雜抓取的穩定性）。

• 選擇性激活機制（SAM）

研究團隊創新設計了一種“選擇性激活機構”（SAM），該機制能夠根據任務需求靈活激活剛性或柔性組件，并實現兩者之間的完全解耦。這一機制確保了剛性組件和柔性組件在協同工作時互不干擾，從而充分發揮了各自的優勢。通過將該機制引入HMG，并為其配備由被動伸縮指節和可變形吸盤構成的柔順自適應機構，研究團隊實現了HMG剛柔系統的快速解耦，讓捏吸模式切換流暢無阻，無需復雜控制系統。

• 順應性自適應機制

為進一步提升HMG的適應性和魯棒性，研究團隊引入了順應性自適應機制。該機制通過可伸縮手指與柔性吸盤的組合設計，使得夾持器在接觸目標物體時能夠自動調整其形狀和姿態。當夾持器夾捏高物體時，可伸縮手指能夠延長并緊密貼合物體表面；而當需要吸附扁平物體時，手指則能夠自動壓縮長度，為吸盤提供足夠的接觸空間。這種順應性設計使得HMG無需復雜的傳感和控制裝置，即可實現對不同形狀和尺寸物體的穩定抓取。

得益于精細巧妙的機構設計，HMG展現出出色的抓取多樣性：重量上，可輕捏0.2克的羽毛，也能抓起10公斤的啞鈴；物體特性方面，可無損抓取易碎的薯片和果凍，也能拿住堅硬的鋁合金；尺寸上，能吸起0.46毫米的茶葉，也能抓起直徑0.55米的大瑜伽球；形狀處理上，可應對扁平卡片、倒錐形盤子、帶刺仙人球、多孔毛巾等多種“異形”物品。

在抗干擾能力方面，HMG也表現出極強的魯棒性和適應性。即使面對高達4.5m/s2的劇烈晃動（接近汽車急剎加速度），仍能穩持物體。對于姿態傾斜的玩偶、表面崎嶇的假山模型等重心偏移的不規則物品，其剛柔耦合結構可自適應調整接觸力分布，有效吸收震動能量，展現出強大的抗擾動能力和形狀適應能力。

▍HGM性能評估與實驗驗證

為全面評估HGM的變形特性、夾捏力、吸附力及抓取成功率等性能，研究團隊進行了多項測試。為進一步展示HMG的實用性和多樣性，研究團隊還展示了HMG在處理不規則形狀物體、執行現實世界操作任務、水下作業及閉環抓取中的潛力。

• 復雜操作任務應對

傳統抓手困于單一動作，HMG實現了四大操作模式流暢協同，可完成擬人化連續作業。通過順序激活HMG的多種操作模式，研究團隊成功完成了書籍整理、牛奶服務和排骨湯烹飪等復雜現實世界任務。

在模擬家務場景中，HMG先用吸附模式將平放的書本挪到指定書堆旁邊，再切換輕柔捏合模式提起書本并放置在書堆頂部。

對于精細操作，HMG利用輕柔捏合模式單手持杯完成倒牛奶動作。

在廚房作業場景中，HMG甚至能完成“煲湯”操作——多種操作模式加入各種食材、佐料和水，之后蓋上鍋蓋。

這種多模式協同作業能力，可賦予機器人處理開放式任務的實用價值。

• 流水線操作

針對運動目標的抓取難題，HMG開發出獨特的兩級抓取策略。

在水果分揀流水線上，當柑橘經過機器人抓手下方時：首先由柔性驅動系統啟動輕柔捏合模式，通過柔性結構緩沖撞擊并建立初始接觸；之后迅速切換至剛性驅動的強力捏合模式，自動鎖死果體。

• 水下作業

HMG的輕柔操作特性在水下場景大放異彩。在模擬海洋環境的水族箱中，HMG通過輕柔捏合模式完成了對六類典型目標的零損傷操作：珊瑚礁采樣、活體海膽、螃蟹、牡蠣等水產品的捕獲、可樂罐回收、以及陶瓷杯打撈。

通過以上實驗演示，研究團隊不僅驗證了HMG在抓取多樣性方面的技術優勢，更充分展現其在日常生活服務、工業生產及特種作業領域的廣泛應用潛力。

參考文章：https://ieeexplore.ieee.org/document/11025142