摘要：手爪是作业型机器人系统中重要组成部分,其作业形式和性能决定着机器人的整体能力。通过对手爪的创新设计可有效降低机器人对材料加工、零部件装配、运动感知和控制算法开发等依赖,显著提升机器人对复杂作业环境和对象的自适应能力。当前机器人手爪的种类主要分为刚性手爪和柔性手爪两大类。相比刚性手爪,柔性手爪在未知环境下作业、夹持几何非规则物体、夹持表面易碎物品和安全人机交互等方面具有良好的优势。与此同时,柔性手爪在实现柔顺性变形同时也存在因结构刚度不足而导致输出力小、操作精度差等问题,目前尚未被很好地解决,因此如何在保证柔性手爪柔顺变形的同时保持手爪的载荷输出能力是当前亟需解决的问题。针对柔性手爪的机构设计和变刚度技术共性话题,结合提升柔性手爪的形状自适应性和作业载荷能力的背景需求,从柔性手爪的构型设计和变刚度技术两个方面详细分析了柔性手爪在发展中所取得的显著进展和不足,系统总结了柔性手爪的研制技术和所面临的主要挑战,为柔性手爪的多功能化和智能化提供新思路,拓展柔性手爪的应用领域,提升机器人的整体作业能力。

摘要：结合差动轮系和杠杆原理设计了一种调刚范围从0~+∞的变刚度执行器,并完成了其结构优化设计和调刚能耗优化设计。该变刚度执行器具有变刚度范围大,调刚能耗需求低,占用空间小,易控制,响应速度快,可靠性强,技术实现可行性高等优点,具有一定的实际应用意义。在此基础上设计了一款欠驱动变刚度柔性手爪,将变刚度执行器作为手爪关节的驱动单元,通过调节变刚度执行器的刚度来改变手爪的刚度。最后,搭建了变刚度柔性手爪的硬件平台,对变刚度执行器进行了刚度测量,验证了所设计的变刚度执行器在进行刚度调节上的可行性。进行了变刚度柔性手爪的力控制实验,成功实现了对柔软物体的抓取。对变刚度柔性手爪的单指进行了性能分析,并验证了手指刚度与变刚度执行器刚度呈正相关关系,完成了变刚度柔性手爪性能实验验证。

摘要：针对娇嫩褐菇自动化无损采摘易损的问题,首先分析了褐菇的生物学特性和力学特性,分别给出拔断和扭断采摘方式抓持力的约束方程,并优选出扭断式采摘方法;通过ANSYS对柔性手指夹持褐菇进行静力学分析,给出柔性手指指节数、褐菇直径及气压与抓持力之间的函数关系,建立评价函数,通过遗传算法优选出3指4指节的柔性手爪结构,以及18.65 kPa的最优抓持控制气压;基于此设计3指4指节的柔性手爪,并进行褐菇采摘试验,结果表明,与刚性手爪相比,柔性手爪抓持力减小,为(2.4±0.3)N;刚性手爪采摘褐菇的抓握处切面5 mm深度内均有损伤,且表面抓痕明显,而柔性手爪抓握处表面和内部均完好无损。说明所设计的3指4指节柔性手爪适于褐菇的自动化无损采摘。

摘要：针对球形果实采摘问题,采用气动多向弯曲柔性驱动器设计了2种规格带有回转腕部功能的多自由度3指采摘柔性手爪。该采摘柔性手爪采用中心对称结构,其柔性手指与驱动器复合一体,在气压下可产生贴合球果表面的弧状变形,3指协同配合运动抓取球果,并通过腕部旋扭分离方式完成采摘。研究了“刚柔耦合”驱动器的材料和制造工艺,建立了柔性驱动器形变模型,获得了其气压下的形变特性,并进行了相关实验验证。试制了采摘柔性手爪物理样机,研究分析了柔性手爪的工作空间、抓取模式和采摘时的力学性能,并在实验室搭建的采摘平台上进行了多种球果模拟采摘实验。结果表明,该采摘柔性手爪具有3种抓取模式,物形适应性好,抓取柔顺可靠、动作灵活,采摘主动安全、损伤小,适于多种球果的采摘。该柔性手爪采摘球果的尺寸范围为30~130 mm,三指交错强力握取球果的最大质量为1.28 kg。

摘要：针对目前水果自动化分级中手爪普遍缺少抓取力和水果尺寸信息而感知能力不足的问题,设计一种具有抓取力和水果尺寸原位动态检测功能的柔性手爪。首先,设计一种基于单气道多腔体结构的智能柔性三指手爪,其中一根手指通过悬臂梁力传感器竖直安装于手掌上用于检测力触觉,一根手指内嵌柔性弯曲度传感器用于检测手指的弯曲度,另一根手指直接固装于手掌上;设计力觉传感器和弯曲度传感器调理电路,并分别进行标定。其次,提出基于力觉传感器和弯曲度传感器融合的水果尺寸原位测量方法,推导基于手指弯曲度的水果尺寸测量公式,并通过有限元分析和试验进行验证。有限元仿真结果表明,基于手指弯曲度的水果直径测量误差小于5%;通过分别对不同直径(15 mm、25 mm、35 mm、45 mm)的3D打印圆柱和水果(杏子、冬枣、红提和龙眼等)进行抓取试验,表明力觉信号第一次突变时刻(手指刚接触到圆柱时)的手指弯曲度可用于被抓物直径的精确测量,误差小于5%。基于柔性手爪的力觉传感器和弯曲度传感器信息融合进行水果尺寸的在线快速测量是可行的。

摘要：针对当前机械手爪研究多面向工业生产,而在对抓取对象复杂的生活场景方面研究较少的问题,提出一种面向生活场景的通用型负压阻塞复合式柔性手爪,该手爪不仅具有良好的通用性,而且在同体积柔性手爪中具有较大的抓取力.基于多种柔性夹持器的抓取性能分析,将阻塞型夹持器与负压吸附相结合,设计复合式柔性手爪样机并研究其抓取力,并搭建了实验平台对生活场景中常见的典型物体进行抓取实验研究.试验结果表明:手爪对尺寸在10~60 mm且拥有平整接触表面的物体能够实现100%的抓取成功率,对符合其中一项的物体也同样拥有良好的抓取成功率.

摘要：为了实现果蔬的机械化稳定采摘,设计5种非对称柔性手爪结构方案,并对其进行优选;并针对不同负载下柔性手爪侧立抓握时的三维变形特点,提出包括最小工作压力、手指末端垂直位移、手指变形角在内的3个评价指标。通过单指变形特性试验和多指手爪侧立抓握变形特性试验,分析不同状态下的手爪变形规律。研究表明,手指间呈一定角度布置的手爪方案在负载较大时最小工作压力、各项形变指标变化幅度均较小。总体上,手指末端垂直位移对负载的变化更加敏感;工作压力增加有利于手指末端位姿的稳定。采用仿人手4指的手爪方案5综合性能最优,为柔性手爪结构优化以及其形态的精确控制提供了参考依据。

摘要：针对工业机器人柔性手爪的设计进行了深入研究,提出了一种基于柔性材料的结构设计方案。通过模块化设计,结合碳纤维复合材料与精密减速电机,实现了手爪的轻量化与高性能。在控制系统方面,采用上位机与下位机协同控制结构,实现了精确的力控与柔顺抓取。样机制作与功能验证试验表明,该手爪在多种物体抓取任务中表现出良好的适应性和抓取成功率,为柔性手爪在工业自动化领域的应用提供了理论支持与实践指导,展示了柔性机器人技术在抓取性能上的潜力。

摘要：针对传统柔性气动手爪分层制作导致的易损及无闭环反馈等问题,通过低温石蜡与3D打印技术,设计并制作了重量仅为15 g的一体式、低成本柔性手爪,提高了柔性手爪的耐压性能及使用寿命。通过采用光感知反馈算法,实现了柔性手爪的闭环反馈控制,并对不同物品进行了抓取试验。结果表明:建立的光强-弯曲数学模型,不仅具有较高的位置控制精度,同时可对目标物进行准确的尺寸识别,不同尺寸下识别误差率为2%~6.7%,为柔性手爪的低成本闭环反馈控制方式提供了新思路。

摘要：为克服传统手爪机构传动链多,耗能大,结构复杂等缺点,设计并制作了一种应用电致动智能材料(IPMC)的柔顺手爪。运用Pro/E软件设计IPMC手爪的主体结构,并分析其运动过程,最终装配完成IPMC手爪;运用激光位移传感器,精密电子秤和Canon相机测试了研制的4片IPMC驱动薄膜的末端位移,端部力和平均运动速度,并通过Labview测试系统对其进行采样和分析。实验结果表明:IPMC手爪驱动元件的角位移在3V电压激励下超过了180°(-3V电压下负向位移与+3V电压下正向位移之和);其末端位移大小为其自身(除固定部分外)总长;手爪驱动薄膜每片重量约为0.5mg,可抓握质量为1.6g左右的物体。该手爪结构简单、位移大、耗能低;同时,由于IPMC的柔顺特性,在抓取物体时它会贴附在其表面,而不破坏其表面精度。因此,这种手爪适用于抓取表面粗糙度要求高的物体。