摘要：為了解決現(xiàn)存夾爪對不規(guī)則物品的抓取的局限性問題，文章將仿生學(xué)理念與柔性機(jī)器人相關(guān)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一款以多孔彈性材料為填充的柔性球形手爪，該夾具有較好的柔順性，可與不規(guī)則物品表面實(shí)現(xiàn)較好的適應(yīng)性包裹。利用solidworks進(jìn)行夾具的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，且基于3D打印技術(shù)，進(jìn)行夾具的制作，并進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)測試，得出柔性夾具的最大抓取能力，并證明該夾具可以穩(wěn)定無損的抓取一定質(zhì)量的不規(guī)則物品。

關(guān)鍵詞：多孔彈性材料，柔性，夾具，實(shí)驗(yàn)分析

中圖分類號：TG75文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-9545（2023）02-00042-（05）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.02.009

現(xiàn)存夾具可以完成對不規(guī)則物品的抓取，但是對其結(jié)構(gòu)提出了更復(fù)雜的要求。大部分的夾具具有唯一性，只能實(shí)現(xiàn)對特定物品的抓取，對于不規(guī)則物品的抓取具有一定的困難。郭昊生[1]和馬蓉設(shè)計(jì)的香梨采摘機(jī)械手、謝波[2]和鄧廣基設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)械手以及趙玲亞[3]等設(shè)計(jì)的圓形水果采摘機(jī)械手，都是采用了機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特定功能要求，對不規(guī)則物品的抓取具有一定的局限性。而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)也在不斷的進(jìn)步，仿生學(xué)原理的發(fā)展，模型生物結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)提出柔性夾爪的研究。柔性夾爪即自適應(yīng)夾爪，可以通過材料自身的大變形，貼合物體表面，實(shí)現(xiàn)對不同尺寸物體穩(wěn)定抓取的目的。柔性夾爪分為主動(dòng)柔性和被動(dòng)柔性。主動(dòng)柔性如靈巧手等，通過復(fù)雜的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各機(jī)械關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物品的抓取。被動(dòng)柔性如氣動(dòng)軟體手、欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手等，通過手爪的被動(dòng)包絡(luò)實(shí)現(xiàn)對物品的抓取?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外專家學(xué)者研制出了各種柔性夾爪，如多指型夾爪、真空吸附型夾爪、粘附型夾爪[4-6]等。Glick等[7]提出設(shè)計(jì)的一種夾持表面具有粘合劑的軟體氣動(dòng)夾爪、文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)的片彈簧骨架氣動(dòng)柔性手爪、文獻(xiàn)[9]介紹的三指微型柔性手爪、文獻(xiàn)[10]研制的氣吸盤式抓取注塑件機(jī)械手等都具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，可以很好的貼合抓取物的表面。對于被動(dòng)柔性夾爪的研發(fā)，美國康奈爾大學(xué)設(shè)計(jì)[11]了一款被動(dòng)式柔性夾爪，利用粉末的流動(dòng)性及真空固化的特點(diǎn)，對物體實(shí)現(xiàn)包裹抓取的目的。費(fèi)斯托[12]設(shè)計(jì)的一款通過囊皮內(nèi)部連接頂端的伸縮桿的伸縮引起囊皮形變實(shí)現(xiàn)鎖合抓取的形狀自適應(yīng)抓手。但是這兩款自適應(yīng)夾具都有一定的局限性，通過真空引起粉末顆粒的固化達(dá)到對物品的鎖合抓取的目的，粉末顆粒容易泄露到氣路或者環(huán)境中，有使氣路不能正常工作以及產(chǎn)生安全問題的風(fēng)險(xiǎn)。

針對這種局限性，依靠仿生學(xué)原理及柔性機(jī)械手相關(guān)技術(shù)的支撐，提出基于多孔彈性材料填充的柔性夾具的設(shè)計(jì)，并通過3D打印進(jìn)行夾具的制作，進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

1柔性夾具的設(shè)計(jì)要求

1.1設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)組成

基于多孔彈性材料的結(jié)構(gòu)屬性，接觸物體時(shí)多孔彈性材料可產(chǎn)生變形，將物體嵌入其中，產(chǎn)生收縮時(shí)多孔彈性材料可對物體施加包覆力與摩擦力的作用，從而抓取物品。類似蜥蜴舌頭捕食時(shí)的仿生學(xué)原理。這種抓取原理的優(yōu)點(diǎn)可自動(dòng)適應(yīng)物品形狀，且抓取時(shí)不存在碰撞，可以很好的適應(yīng)不同規(guī)則形狀及易損傷物品的抓取。

為實(shí)現(xiàn)上述原理，結(jié)合現(xiàn)存柔性手爪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該柔性夾具結(jié)構(gòu)主體由多孔彈性材料構(gòu)成的柔性球囊以及使該球囊產(chǎn)生收縮的氣路結(jié)構(gòu)組成。抓取性能主要依靠包覆力和摩擦力保證，因此柔性球囊內(nèi)部必須保證真空狀態(tài)，基于此要求球囊要由兩部分組成即內(nèi)部填充物多孔彈性材料和囊外膜構(gòu)成。

1.2設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)球囊時(shí)，要充分考慮功能及應(yīng)用范圍的要求：

（1）球囊的直徑為90mm或者165mm是應(yīng)用范圍最廣的兩個(gè)尺寸。當(dāng)被抓物體的尺寸為球囊直徑的一半時(shí)，球囊的夾持力最大。當(dāng)被抓物體尺寸在球囊直徑的30～70%之間時(shí)，球囊都可以穩(wěn)定抓取物品。球囊的形狀為橢球形[13]。

（2）抓取物形狀的不規(guī)則性，為保證抓取的穩(wěn)定性，材料應(yīng)選擇具有較好柔順性的柔性材料。球囊的設(shè)計(jì)也要盡可能的具有彈性與柔軟。具有較好的形狀自適應(yīng)性，很好的包裹抓取對象。

（3）為適應(yīng)不同尺寸的抓取物，球形夾具需進(jìn)行吸氣充氣兩種操作要求，適應(yīng)對不同尺寸物品的包裹。

（4）球形夾具要便于更換。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定球囊的形狀為球形，多孔彈性材料選擇海綿，最大直徑為90mm。可以抓取的物品尺寸范圍為27～63mm。柔性夾具的有效工作的長度不低于65mm。

柔性夾具抓取物品的主要方式是通過包裹鎖合進(jìn)行抓取，鎖緊抓取穩(wěn)定可靠。根據(jù)其抓取的方式，確定柔性夾具的動(dòng)力源為真空泵。

2柔性夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1柔性夾具的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性夾具的性能直接影響抓取的性能及效率?；诜律鷮W(xué)理念和柔性機(jī)器人相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于多孔彈性材料填充的柔性夾具，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，夾具包括底座、內(nèi)壓圈、外壓圈以及布置在內(nèi)外壓圈之間的可包覆在物體外側(cè)的囊外膜和內(nèi)部填充物組成。且為了進(jìn)一步提高夾具的密封性，在其內(nèi)部填加密封圈，進(jìn)一步提高抓取的穩(wěn)定性及效率。

2.2夾具外膜及海綿的選擇

夾具囊外膜一方面需要與待抓取物接觸。另一方面囊外膜需對抓取物進(jìn)行包裹形狀鎖合抓取。因此對于囊外膜的選擇要求囊外膜柔軟的同時(shí)具有一定的耐磨性，最終選擇橡膠（氣球）。

聚氨酯海綿是介于橡膠海綿與塑料海綿之間的一種多孔彈性材料，具有質(zhì)量輕，成本低等優(yōu)點(diǎn)，其相比較橡膠海綿具有更廣的硬度范圍和更好的耐磨等優(yōu)點(diǎn)[14]。又因其優(yōu)良的機(jī)械性能，在抓取物體時(shí)可以根據(jù)物體的外部形狀改變夾爪的表面形狀，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性抓取，相比傳統(tǒng)剛性夾具抓取物品范圍更加廣泛。

2.3柔性夾具的底座結(jié)構(gòu)

夾具的基座主要是由內(nèi)外壓圈和底座組成?；w部分采用白色樹脂通過3D打印制作完成。內(nèi)外壓圈通過螺栓連接在一起。囊外膜通過內(nèi)壓圈底平面與外壓圈內(nèi)平面壓緊同時(shí)運(yùn)用密封圈進(jìn)一步壓緊囊外膜，提高夾具的密封性進(jìn)而保證工作的穩(wěn)定。外壓圈通過螺栓與底座固定，底座側(cè)面設(shè)有螺紋孔連接氣管接口。夾具底座可通過法蘭等配件與桁架結(jié)構(gòu)或機(jī)械臂末端連接。

2.4工作原理及過程

柔性夾具體積小質(zhì)量輕，便于攜帶的同時(shí)也易于更換，可通過配件連接在各種輔助設(shè)備上。

柔性夾具與外部運(yùn)動(dòng)設(shè)備機(jī)械臂連接，利用氣管將氣管接口與外部動(dòng)力源連接。抓取的整體過程主要分為兩步，抓取前的準(zhǔn)備，檢查各部分的連接情況，確定球囊的初始狀態(tài)內(nèi)外氣壓基本一致。抓取時(shí)首先視覺觀察抓取物的狀態(tài)及位置，將位置信號傳遞給處理器控制機(jī)械臂的移動(dòng)，帶動(dòng)柔性夾具移動(dòng)到物品正上方后，向下移動(dòng)直至物品嵌入球囊內(nèi)部，球囊收縮對物體進(jìn)行包裹抓取。球囊機(jī)構(gòu)主要是運(yùn)用多孔彈性材料及囊外膜的特殊屬性，自適應(yīng)不規(guī)則物體的表面形狀，機(jī)械臂帶動(dòng)球囊擠壓抓取物，受球囊本身的特性約束，使球囊表面緊貼抓取物表面的同時(shí)使抓取物嵌入其中?？刂葡到y(tǒng)控制吸氣使球囊的收縮，球囊內(nèi)外產(chǎn)生壓差，接觸面產(chǎn)生正壓力，因接觸面的不光滑，抓取時(shí)球囊與抓取物相對靜止，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力。摩擦力的大小對抓取的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接的影響。當(dāng)球囊內(nèi)外壓差達(dá)到一定值后，球囊抓緊物體，實(shí)現(xiàn)對不規(guī)則物體的自適應(yīng)抓取。釋放階段與此相反。

具體針對圓柱形及方形物品的抓取原理圖如圖2所示。抓取圓形或圓柱形物品時(shí)，夾具首先向下運(yùn)動(dòng)直至部分包裹物品后，開始對球囊進(jìn)行抽氣處理，通過抽氣使囊外膜收縮進(jìn)而抓緊物體。對于矩形物品的抓取的原理是相同的。而抓取力的提供方式主要受球囊與物品的接觸面的大小影響，當(dāng)抓取物品的上方截面小于或等于下方截面時(shí)，此時(shí)的抓取力主要由囊外膜與物品抓取的摩擦力決定的，而當(dāng)抓取物品的上方截面大于下方截面時(shí)，此時(shí)的抓取力主要由囊外膜與物品抓取的摩擦力和球囊對物品的支撐力共同決定的。

3實(shí)驗(yàn)分析

3.1夾具的制作

根據(jù)柔性夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行夾具的制作，夾具是非標(biāo)設(shè)計(jì)完成，且首次制作，因此實(shí)驗(yàn)樣機(jī)選擇3D打印的方式進(jìn)行。選定基座材質(zhì)為白色樹脂，基于熔融沉積成型技術(shù)的3D打印技術(shù)按照圖紙進(jìn)行1∶1樣機(jī)的打印制作。制作成品如圖3所示。

囊外膜選擇橡膠氣球，且氣球內(nèi)部填充聚氨酯海綿，進(jìn)而形成球囊組件。整體柔性夾具的組裝完成，并搭建柔性夾具的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)如圖4所示，對其抓取性能進(jìn)行測試研究。

3.2抓取能力實(shí)驗(yàn)測試

為測試柔性夾具的抓取能力，抓取同一水瓶，通過向水瓶中加入不同質(zhì)量的水，測試其抓取的能力大小。為提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)分別抓取十次，得到抓取成功率。進(jìn)而確定抓取的能力大小。抓取水瓶重分別為：90g、160g、200g、250g、270g抓取能力測試如圖5所示。

抓取成功率與抓取重量之間的關(guān)系如圖6所示。

測試發(fā)現(xiàn)柔性夾具抓取200g以下重量的物品時(shí)抓取十次的成功率都不低于90%，抓取200g時(shí)成功率只有80%，抓取250g時(shí)成功率為70%，抓取270g時(shí)的成功只有40%。影響成功率的因素主要有柔性夾具的抓取能力，抓取接觸位置的形狀及摩擦系數(shù)，抓取的狀態(tài)等。因此，在只考慮柔性夾具的抓取能力，抓取成功率不低于50%的情況下，柔性夾具的最大抓取重量約為262g。

3.3抓取不同尺寸的物品測試

基于簡單的氣動(dòng)回路對該柔性夾具的抓取情況進(jìn)行測試分析。使用該柔性球形夾爪分別抓取以下5種物品。抓取物品的相關(guān)參數(shù)如下表所示，抓取情況如圖7所示。

由實(shí)驗(yàn)可知，該柔性夾具可以穩(wěn)定抓取一定尺寸的不同形狀的物品，適合于日常生活抓取小物品的應(yīng)用，針對不同的物品可以通過調(diào)節(jié)抓取的方法，進(jìn)一步提高抓取的穩(wěn)定性。

4總結(jié)

了解現(xiàn)存柔性夾爪的抓取性能及工作時(shí)存在的不足，針對現(xiàn)存相關(guān)夾爪的不足，基于彈性多孔物質(zhì)運(yùn)用solidworks設(shè)計(jì)柔性夾具，并通過3D打印技術(shù)制作柔性夾具樣機(jī)，進(jìn)行抓取能力實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得出柔性手爪最大夾持能力262g，且可以針對不同尺寸不同形狀物品的抓取，適用于多種機(jī)械臂末端，操作簡單更換方便，具有一定的實(shí)用性。

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（責(zé)任編輯羅江龍）