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品

一种具有高负载能力和大抓取范围的新型气动组合式软机器人夹爪

王丹 1 1 ^(1){ }^{1}， 吴小军 1 , ∗ 1 , ∗ ^(1,**){ }^{1, *}， 张金华 2 2 ^(2){ }^{2}和杜阳阳
Dan Wang ， Xiaojun Wu ， Jinhua Zhang 和 Yangyang Du 1 1 ^(1){ }^{1}1 习安建筑科技大学机电工程学院，习安710055;danwang@xauat.edu.cn （DW）;dyy236scu@xauat.edu.cn （Y.D.）
1 习安建筑科技大学机电工程学院，习安 710055;danwang@xauat.edu.cn （DW）;dyy236scu@xauat.edu.cn （Y.D.）2 中国习习安交通大学现代设计与转子轴承系统教育部重点实验室，中国安710049;jjshua@mail.xjtu.edu.cn
2 中国习习安交通大学现代设计与转子轴承系统教育部重点实验室，中国安 710049;jjshua@mail.xjtu.edu.cn* 对应方式：wuxiaojun@xauat.edu.cn

引自：Wang， D.;吴 X.;张 J.;杜 Y.一种气动新型组合式软机器人夹爪，具有高负载能力和大抓取范围。执行器 2022， 11， 3.https://
引自：Wang， D.;吴 X.;张 J.;杜 Y.一种气动新型组合式软机器人夹爪，具有高负载能力和大抓取范围。执行器 2022， 11， 3.https：//doi.org/10.3390/act11010003
引自：Wang， D.;吴 X.;张 J.;杜 Y.一种气动新型组合式软机器人夹爪，具有高负载能力和大抓取范围。执行器 2022， 11， 3.https:// doi.org/10.3390/act11010003
学术编辑：Giorgio Olmi
收稿日期： 2021-11-15
录用日期：2021-12-23 出版日期：2021-12-27
出版商注：MDPI 对已发布地图和机构隶属关系中的管辖权主张保持中立。
版权所有：© 2021 年归作者所有。被许可人 MDPI，瑞士巴塞尔。本文是根据知识共享署名 （CC BY） 许可 （https:// 的条款和条件分发的开放获取文章creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
版权所有：© 2021 年归作者所有。被许可人 MDPI，瑞士巴塞尔。本文是根据知识共享署名 （CC BY） 许可证 （https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/） 的条款和条件分发的开放获取文章。

抽象  抽象

气动软抓手已被广泛研究。然而，现有气动软抓手的结构和材料特性限制了它们的负载能力和操纵范围。在本文中，受海七鳃鳗的启发，我们提出了一种气动新颖的组合软夹持器，以实现高负载能力和大抓取范围。该软抓手由一个圆柱形软致动器和一个可拆卸的吸盘组成。圆柱形软致动器的三个内部气室已充气，使它们能够容纳物体。在真空压力下，圆柱形软致动器和可拆卸吸盘都可以吸附物体。构建了一个有限元模型，模拟了三个充气室，用于预测圆柱形软致动器的抓取范围。通过实验确定了有限元模型的有效性。分析了保持力和吸附力的机理。进行了几组实验来确定吸附范围、保持力和吸附力。此外，实际应用进一步表明，新型组合式软夹持器具有较高的负载能力 ( 10.85 kg ) ( 10.85 kg ) (10.85kg)(10.85 \mathrm{~kg})在低压下 ( 16 kPa ) ( 16 kPa ) (16kPa)(16 \mathrm{kPa})和较大的抓取范围（物体的最小直径： d = 6 mm d = 6 mm d=6mm\mathrm{d}=6 \mathrm{~mm}），能够提升具有不同重量、材料属性和形状的各种物体。
气动软抓手已被广泛研究。然而，现有气动软抓手的结构和材料特性限制了它们的负载能力和操纵范围。在本文中，受海七鳃鳗的启发，我们提出了一种气动新颖的组合软夹持器，以实现高负载能力和大抓取范围。该软抓手由一个圆柱形软致动器和一个可拆卸的吸盘组成。圆柱形软致动器的三个内部气室已充气，使它们能够容纳物体。在真空压力下，圆柱形软致动器和可拆卸吸盘都可以吸附物体。构建了一个有限元模型，模拟了三个充气室，用于预测圆柱形软致动器的抓取范围。通过实验确定了有限元模型的有效性。分析了保持力和吸附力的机理。进行了几组实验来确定吸附范围、保持力和吸附力。此外，实际应用进一步表明，新型组合式软夹持器在低压 ( 16 kPa ) ( 16 kPa ) (16kPa)(16 \mathrm{kPa}) 下具有较高的负载能力和 ( 10.85 kg ) ( 10.85 kg ) (10.85kg)(10.85 \mathrm{~kg}) 较大的抓取范围（物体的最小直径： d = 6 mm d = 6 mm d=6mm\mathrm{d}=6 \mathrm{~mm} ），能够提升各种不同重量、材料特性和形状的物体。

关键词：软抓手;气动执行机构;负载能力;操作范围;有限元模型
关键词：软抓手;气动执行机构;负载能力;操作范围;有限元模型

1. 引言  1. 引言

与传统的刚性机器人相比，软体机器人具有明显的灵活性、高环境适应性、减震性、高自由度等明显的潜力和优势，因此，软体机器人的应用领域涉及人机交互、运动和探索、操作、医疗和外科应用、康复和可穿戴机器人 [1-4]。软体机器人夹持器是软体机器人领域的研究领域之一。学者们创造了各种具有不同驱动模式的软机器人抓手 [5-7]，包括气动驱动 [8-11]、电缆驱动 [12]、形状记忆合金驱动 [13-15] 和电活性聚合物驱动 [16-18]。气动驱动因其驱动力大、响应速度快、气源采集方便安全等优点而得到广泛研究。
与传统的刚性机器人相比，软体机器人具有明显的灵活性、高环境适应性、减震性、高自由度等明显的潜力和优势，因此，软体机器人的应用领域涉及人机交互、运动和探索、操作、医疗和外科应用、康复和可穿戴机器人 [1-4]。软体机器人夹持器是软体机器人领域的研究领域之一。学者们创造了各种具有不同驱动模式的软机器人抓手 [5-7]，包括气动驱动 [8-11]、电缆驱动 [12]、形状记忆合金驱动 [13-15] 和电活性聚合物驱动 [16-18]。气动驱动因其驱动力大、响应速度快、气源采集方便安全等优点而得到广泛研究。
负载能力和抓取范围是用于评估软体机器人抓手性能的两个关键指标。气动多指软夹持器可以根据物体的形状调整其形状，以抓取不同大小和形状的物体[19-28]。纤维增强致动器 [29\u201230]、颗粒干扰致动器 [31-33] 和波纹管式致动器 [34] 用于提高多指软夹持器的负载力。多指软夹持器能够举起重达 5 kg 的物体 [35]。然而，由于开放式结构和低刚度，多指软夹持器只能表现出较低的负载能力。封闭结构的软夹持器利用颗粒干扰来抓取物体。基于颗粒材料干扰的通用软体机器人抓手的负载能力达到 8 kg [36-38]。然而，颗粒的流动性和排列的不确定性
负载能力和抓取范围是用于评估软体机器人抓手性能的两个关键指标。气动多指软夹持器可以根据物体的形状调整其形状，以抓取不同大小和形状的物体[19-28]。纤维增强致动器 [29\u201230]、颗粒干扰致动器 [31-33] 和波纹管式致动器 [34] 用于提高多指软夹持器的负载力。多指软夹持器能够举起重达 5 kg 的物体 [35]。然而，由于开放式结构和低刚度，多指软夹持器只能表现出较低的负载能力。封闭结构的软夹持器利用颗粒干扰来抓取物体。基于颗粒材料干扰的通用软体机器人抓手的负载能力达到 8 kg [36-38]。然而，颗粒的流动性和排列不确定性
导致封闭结构软夹爪刚度不稳定，限制了封闭结构软夹爪负载力的增加。
导致封闭结构软夹爪刚度不稳定，限制了封闭结构软夹爪负载力的增加，环形软机器人夹爪允许通过径向收缩变形抓取物体[39,40].仿生缠绕软机器人夹爪的负载力达到 10.5 kg [41]，实现了高负载能力。
但环形软夹钳的抓取范围有限，无法抓取尺寸超过环形软夹钳内径的物体．
但是，环形软夹持器的抓取范围有限，无法抓取尺寸超过环形软夹持器内径的物体。
但是，环形软夹持器的抓取范围有限，无法抓取尺寸超过环形软夹持器内径的物体。
本工作以七鳃鳗为灵感，提出了一种由圆柱形软致动器和可拆卸吸盘组成的气动新型组合式软夹持器，圆柱形软致动器具有抓取功能和吸附功能，可分离吸盘具有吸附功能。这种新颖的组合式软夹爪填补了现有软夹爪的缺陷，为未来软夹爪的结构设计提供了新的思路。
本工作以七鳃鳗为灵感，提出了一种由圆柱形软致动器和可拆卸吸盘组成的气动新型组合式软夹持器，圆柱形软致动器具有抓取功能和吸附功能，可分离吸盘具有吸附功能。这种新颖的组合式软夹爪填补了现有软夹爪的缺陷，为未来软夹爪的结构设计提供了新的思路。
本文组织如下：首先，阐述了新型组合式软夹爪的设计理念和结构，然后说明了新型组合式软夹爪的制造过程，进而建立了有限元模型和一系列实验和应用，验证了新型组合式软夹爪具有较高的负载能力和较大的抓取范围。

2.材料和方法

2.1.Design 新型组合式软夹持器的概念和结构

海七鳃鳗的吸盘口由环形软骨加固[42,43]。海七鳃鳗可以用吸盘口抓住石头（图1a），也可以通过吸盘口附着在受害者的身体上，其锋利的牙齿在身体上划出一个洞来吸血（图1b）.海七鳃鳗的嘴如图1c所示。海七鳃鳗的吸附和卡住行为激发了我们制造一种新颖的组合式软夹持器具有抓取和吸附功能。
图 1.海七鳃鳗。（a）海七鳃鳗用吸盘嘴抓住石头。（b）海七鳃鳗通过吸盘嘴附着在鱼的身体上。（c）海七鳃鳗的嘴。
如图 2 所示，这种新型组合式软抓手由圆柱形软致动器和可拆卸吸盘（图 2a）组成，圆柱形软致动器由主功能模块和密封模块组成（图 2 b , c 2 b , c 2b,c2 b, c）.充气管将圆柱形软致动器与空气压缩机连接，吸管将新颖的组合式软抓手与真空泵连接。当圆柱形软致动器的气室充气时，圆柱形软致动器的内外壁呈径向膨胀，虽然外壁的膨胀会影响圆柱形软致动器的抓取力，这是不希望的，因此，我们使用增强纤维来防止在输入气压下圆柱形软致动器的外壁。
图 2.新型组合式软夹持器的结构。（a） 新型组合式软夹持器由圆柱形软致动器和可拆卸吸盘组成。（b） 主功能模块的结构。© 密封模块的结构。
如图 3 所示。在空气压缩机的作用下，圆柱形软致动器的气室膨胀以抓住物体（图 3a、b）。在真空泵的作用下，圆柱形软致动器充当吸盘来吸收物体（图 3c，d）。
以物体的重心为坐标原点，物体放置在水平面上时的坐标系为 G 0 = { O , x 0 , y 0 , z 0 } G 0 = O , x 0 , y 0 , z 0 G_(0)={O,x_(0),y_(0),z_(0)}G_{0}=\left\{\mathrm{O}, \mathrm{x}_{0}, \mathrm{y}_{0}, \mathrm{z}_{0}\right\}，坐标旋转公式 （1） 得到的新坐标系为 G 1 = { O , x 1 , y 1 , z 1 } G 1 = O , x 1 , y 1 , z 1 G_(1)={O,x_(1),y_(1),z_(1)}\mathrm{G}_{1}=\left\{\mathrm{O}, \mathrm{x}_{1}, \mathrm{y}_{1}, \mathrm{z}_{1}\right\}.
R = [ cos ⁡ α 1 cos ⁡ α 2 cos ⁡ α 3 cos ⁡ β 1 cos ⁡ β 2 cos ⁡ β 3 cos ⁡ γ 1 cos ⁡ γ 2 cos ⁡ γ 3 ] R = cos ⁡ α 1 cos ⁡ α 2 cos ⁡ α 3 cos ⁡ β 1 cos ⁡ β 2 cos ⁡ β 3 cos ⁡ γ 1 cos ⁡ γ 2 cos ⁡ γ 3 R=[[cos alpha_(1),cos alpha_(2),cos alpha_(3)],[cos beta_(1),cos beta_(2),cos beta_(3)],[cos gamma_(1),cos gamma_(2),cos gamma_(3)]]R=\left[\begin{array}{ccc} \cos \alpha_{1} & \cos \alpha_{2} & \cos \alpha_{3} \\ \cos \beta_{1} & \cos \beta_{2} & \cos \beta_{3} \\ \cos \gamma_{1} & \cos \gamma_{2} & \cos \gamma_{3} \end{array}\right]
哪里 α i , β i α i , β i alpha_(i),beta_(i)\alpha_{i}, \beta_{i}和 γ i ( i = 1 , 2 , 3 ) γ i ( i = 1 , 2 , 3 ) gamma_(i)(i=1,2,3)\gamma_{i}(i=1,2,3)分别表示坐标系之间的角度 G 0 G 0 G_(0)G_{0}和坐标系 G 1 G 1 G_(1)G_{1}.
对象在坐标系中的重力矢量 G 0 G 0 G_(0)G_{0}是 W 0 = [ 0 0 − m g ] T W 0 = 0      0 − m g T W_(0)=[[0,0-mg]]^(T)W_{0}=\left[\begin{array}{ll}0 & 0-m g\end{array}\right]^{T}.对象在坐标系中的重力矢量 G 1 G 1 G_(1)G_{1}表示为：
W 1 = R T W 0 = [ − mg cos ⁡ γ 1 − mg cos ⁡ γ 2 − mg cos ⁡ γ 3 ] W 1 = R T W 0 = − mg cos ⁡ γ 1 − mg cos ⁡ γ 2 − mg cos ⁡ γ 3 W_(1)=R^(T)W_(0)=[[-mgcos gamma_(1)],[-mgcos gamma_(2)],[-mgcos gamma_(3)]]W_{1}=R^{T} W_{0}=\left[\begin{array}{l} -\mathrm{mg} \cos \gamma_{1} \\ -\mathrm{mg} \cos \gamma_{2} \\ -\mathrm{mg} \cos \gamma_{3} \end{array}\right]
圆柱形软致动器固定物体以保持平衡 x , y x , y x,yx, y和 z z zz轴（图 3a，b）。来自 balance 表达式 ∑ F z 1 = 0 ∑ F z 1 = 0 sumF_(z1)=0\sum F_{z 1}=0在 z z z\mathbf{z}-轴，夹持力 F h F h F_(h)F_{h}获得：
圆柱形软致动器固定物体以保持 和 z z zz 轴上的 x , y x , y x,yx, y 平衡（图 3a，b）。根据 -轴上的 z z z\mathbf{z} 平衡表达式 ∑ F z 1 = 0 ∑ F z 1 = 0 sumF_(z1)=0\sum F_{z 1}=0 ，可以得到保持力 F h F h F_(h)F_{h} ：
F h = N μ = mg cos ⁡ γ 3 F h = N μ = mg cos ⁡ γ 3 F_(h)=Nmu=mgcos gamma_(3)F_{h}=\mathrm{N} \mu=\mathrm{mg} \cos \gamma_{3}
对于圆柱形软致动器和作为刚体的物体，扭矩 T h T h T_(h)T_{h}刚体相对于圆柱形软致动器的固定端表示如下：
T h = mgH ( cos ⁡ γ 1 ) 2 + ( cos ⁡ γ 2 ) 2 T h = mgH cos ⁡ γ 1 2 + cos ⁡ γ 2 2 T_(h)=mgHsqrt((cos gamma_(1))^(2)+(cos gamma_(2))^(2))T_{h}=\mathrm{mgH} \sqrt{\left(\cos \gamma_{1}\right)^{2}+\left(\cos \gamma_{2}\right)^{2}}
其中 N 是总法向力， μ μ mu\mu是圆柱形软致动器与物体之间的静摩擦系数，H 是刚体重心与圆柱形软致动器固定端之间的距离。