高性能气动硅胶软体机械手
课题来源：
北京软体机器人科技有限公司横向合作课题
1.波浪线连续气室仿生机械手
硅胶软体手（SPA）常被用于制造抓取机械爪已实现对形状复杂的物体的抓取。为了满足抓取要求，软体手指应该能够非常快地弯曲，同时足够的刚度来进行可靠的抓取。除了气压大小和材料的性能外，SPA的弯曲速度和刚度取决于执行器的设计。然而，当前各类SPA执行器的连续腔室需要相对大体积的气体来驱动，弯曲速度不理想。课题组受自然界启发，提出了一种具有高输出力的新型快速SPA，并通过实验验证了所提出的SPA的性能。
受锦蛇捕猎时波浪形身体形状启发，设计了含波浪形连续腔室的蛇形SPA，称之为SSPA，SSPA的波浪形腔可以在加压空气的作用下迅速打开。首先通过有限元方法对腔室单元进行了几何优化；另外针对新型波浪状结构带来的制备工艺挑战，开发出一种新的制备方法。在浇铸成形时加入了树脂内模具，成型后将其取出。
对不同输入压力下该手指的弯曲角、驱动速度、输出力和载荷能力进行了测试。结果显示，与报道的其他SPA类似实验结果相比，设计的SSPA具有更高的响应速度、同等压力条件下更大的输出力和更大的有效载荷能力。相对于现有的分离气室结构，将硅胶气动软体手指弯曲速度和力输出能力提高100%以上，采用200Kpa压缩空气，手指完全弯曲仅需65ms，输出力达12N。
SSPA软体手指的设计、制造和实验验证
2.内骨骼式软体机械手
基于硅胶的气动执行器是自适应手指中使用最广泛的软执行器之一。但是，由于硅胶的柔软特性，这些手指的性能会受到较低的扭转刚度的很大影响，这可能会导致抓握和操作失败。为了解决该问题，课题组提出了通过将刚性骨架嵌入软体气动指中的紧凑设计。有限元分析和性能测试结果表明骨骼将手指的扭转刚度提高了300％。抓握实验表明，具有骨骼的混合手指适应性强同时可以成功抓握和操纵重物。本项目提出了一种潜在的在保持适应性的同时提高硅胶软体气动手指的扭转刚度的方法。
具有骨骼的混合手指结构设计及制造流程如图1所示。在软SSPA手指基础上，在其内部嵌入骨架结构，骨架链结部分使用PLA材料3D打印，并且在脱模后将该骨架留在手指内部。骨架两端打印出多孔的结构，使得骨架两端能够和硅胶部分紧密结合。在组装模具前，使用一个固定夹把骨架定位在正确的位置。硅胶的浇注分为两步，第一步先浇注一半，当这部分硅胶部分凝固（能够固定骨架时）后，移开固定夹并注入剩余部分的硅胶。
内嵌骨架的高刚度软体机械手设计和制造
为探究骨架对手指性能的影响，进行了不同的实验并与不含内骨骼的软体手指进行了对比。实验表明，压力-弯曲角度测试表明混合手指的压力和体积以及弯曲角度和压力之间几乎可以认为是成线性关系。凭借该线性关系，可以仅通过测量压力就预测和控制混合手指的行为。扭转刚度测试显示混合手指的扭转刚度大大提高，达到了柔软手指的四倍，表明骨骼有效地提高了扭转刚度输出力测试结果显示，软手指在大约55 kPa处开始扭曲，并完全偏离弯曲平面。然而，即使在高压（最高90 kPa）下，混合手指也只能在弯曲平面上变形，而不会向侧面偏移。手指在弯曲平面上的不对称性（可能的制造误差的结果）或外部干扰会导致软手指的异常扭曲。混合手指的高扭转刚度可防止扭曲，并将手指保持在弯曲平面中。
通过实验对内骨骼是混合手指进行各项性能测试
基于设计制造 的内骨骼是软体机械手指，设计了两指式抓取器，以说明基于扭转刚度改善提升了抓握和操纵性能。分别制造了不含内骨骼的软手指和含内骨骼的混合手指，如下图所示，软手指可以成功地抓住不同形状的轻质量的物体，但是在抓握较重的物体，如图上所示的大芒果和可乐瓶时，手指产生弯曲现象。混合手指可抓握大小，材质，形状和重量不同的各种物体。图4中的结果表明，混合手具有高度的顺应性，因为它可以成功地抓住各种物体。
