仿章鱼软体机械手设计与研究

仿章鱼软体机械手设计与研究邮编:114051
摘要：
随着我国现代科技大发展，各式各样的机器人被应用于各个领域。

目前越来
越多的机器人被应用于物流行业，在物流仓库中，由于大量的物品需要进行分拣，所以机械手的使用愈加普遍。

机械手作为与物品直接接触的执行装置，这就要求
机械手具有一定的避障能力，必要时可以考虑冗余机械手，但自由度难以控制。

能否在不破坏物品的情况下，安全的抓取物品是至关重要的。

然而传统的机械手
的灵活性较差，大部分不能适应较为复杂的环境，而且传统机械手的人机交互性
较差，对于越来越复杂多样的生产需求，传统机械手所起到的作用逐渐降低。

由
此本文设计了一种新型的气动软体机械手，此机械手类似于章鱼的触角，具有较
大的柔软度，能够进行多种变形操作。

在物流仓库中，难免会在狭窄闭塞的环境
里抓取物品，这款软体机器人便可以实现在此种环境中实现稳定而有效的抓取物品。

而且本文所设计的模仿章鱼触角吸盘的结构以及拉线结构使得对物品的抓取
更加稳定和精确。

关键词：机械手；气动；物品抓取
引言：
机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，以按固定程序抓取、搬运物
件或操作工具的自动操作装置。

特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构
造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。

机械手是最早出现的工业机器人，
也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产
线中，机械人的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的
有机结合。

机械手行业的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造
和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业
的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着机械手行业广阔
的发展前景。

本文所设计的这款气动软体机械手适应性强，应用范围广，能有效
承担起不同类型的物品抓取任务，下面将从机械手的工作原理及机械构造方面进
行阐述。

一、机械手工作原理
机械手作为机器人的关键部件,承担着与目标物体直接接触并作业的作用。

然而，传统的刚性机械手虽然具备控制精确和载荷大等优势，但是其运动形式，容易损坏被抓持物体表面、适应性差。

软体机械手的出现弥补了刚性机械手的部
分不足其大多使用能够承受较大应力应变的柔软的硅橡胶等材料制成具有良好的
灵活性和交互性。

该软体机械手由位于中央的真空吸附系统和沿周向均匀分布的
拉线软体手指构成。

软体手指部分以拉线网络构型为基础，将内部腔室设计为线性，可以使软体手指实现双向弯曲。

总体结构采用创新型的结构，由几个带有拉
线的驱动节和１个起到定位作用的实心节构成。

本文所设计的机械手为气动驱动，气动网络执行器在加压时，刚度最低部分
优先膨胀。

在均质弹性体中，壁厚最薄区域为刚度最低部位。

慢速气动网络（SPN）的两个腔室之间由一个内壁相连且内壁厚于外壁，当向腔室内加压时，
刚度最低的外壁优先膨胀并且拉伸内壁，导致整个致动器的弯曲。

相比于慢速气
动网络（SPN），快速气动网络可扩展层的每个腔室内壁之间增加了间隙，并且
其内壁比外壁更薄。

当向内部充入气体时，内壁由于刚度低，优先膨胀，减小了
外壁上的压力。

所以本文设计选择使用快速气动网络。

二、机械手的机械构造
（一）材料与技术
1.柔性材料
软体机械手顾名思义，通常是由硅橡胶、凝胶、软聚合物等易变形、高弹性
的材料构成。

柔性材料的柔顺性使软体机械手在执行抓取任务时，不会损坏物体
或留下痕迹，为易碎品的抓取，与人的安全交互提供了很大便利。

虽然，软材料
存在这些优点，但是其非线性响应、疲劳强度和制造方式等方面仍存在很大挑战。

本文所设计的机械手采用的是硅橡胶材料制成，本身具有良好的柔顺性，自身发
生形变以实现弯曲运动，配合机械手上少量力传感器不会损伤被抓持物体的表面。

2.制造技术
利用柔性材料的柔顺性和灵活性，可以制造出控制简单、高度自适应，并且
能与人类和环境安全交互的软体机械手。

同时，为了达到商业化，软体机械手的
制造必须是廉价的并且能够大量的生产。

与传统机械手使用螺栓螺母等刚性部件
连接不同，本文所设计的软体机械手材料之间的结合更多的是通过铸造、层压或
使用粘合剂等方式。

这就使得我们必须开发新的材料和新的制造技术。

（二）机械构造
现设计的软体机械手可减少此类元件的使用基于软材料的软体机械手通过真
空吸附组件和软体手指组件的配合，对气压进行简单的控制，便可以实现针对不
同的物体进行可靠、快速地连续抓取。

并且其材质为硅橡胶材料制成，本身具有
良好的柔顺性，自身发生形变以实现弯曲运动，配合机械手上少量力传感器不会
损伤被抓持物体的表面。

整体运动使用气动与拉线配合，使其与传统机械手相比
更加的的轻便，布局也更加合理。

该软体机械手未来可配合协作机器人用于狭窄、密集空间内的抓取，它操作
细小或易碎物体的能力更强、更灵活。

在应对重量轻、体积小的物体，夹爪外形
尺寸小，可在小空间抓取，抓取适应性强、精准度高、稳定性高。

有吸力的吸盘，以使触手紧抓物体或以不同的方式握住。

可用于农场采摘果蔬，物流仓库的自动
分拣，易碎物品的抓取与转移等等。

三、结语
随着现代科技的发展，单一的传统机械手作业或人工作业已经不能满足发展
的需求，人机协同作业的发展成为必然趋势，而由柔性材料制作的软体机械手，
凭借其灵活性和安全性，为人机协作的发展提供了有效助力。

同时，软体机械手
是一个包含材料、机械、传感器等多学科的新兴领域，对它还需要进一步的探索。

并且，气动驱动方式凭借其便宜、清洁、易获取等特点，成为了绝大多数软体机
械手的驱动方式。

目前，以气动驱动方式驱动的软体机械手都是采用外部气动元
件进行供气，所需空间大，有更多的限制。

在今后的研究中，内置气源进行驱动
将是研究的重点。

参考文献；
[1]朱银龙,赵虎,苏海军等.四指软体机械手机械特性分析与抓取试验[J].农
业机械学报,2022,53(09):434-442.
[2]朱晓光.气动软体机械手抓持力规划研究及结构优化设计[D].湖南大
学,2020.
[3]李雪.软体机械手的设计与实验研究[D].北京交通大学,2019.
[4]冯乃诗. 纤维增强式仿人软体机械手的设计及控制[D].东北大学,2018.
[5]王可.摩擦增强型软体机械手设计与研究[D].中国石油大学(华东),2019.
[6]孙敏洁,陈松雨,李军锋等.基于液-气转化机制软体机械手的设计与位置
控制[J].机械工程学报,2022,58(18):205-217.
项目作者: 孙雨辛严远斌胡乐乐余继鹏庄昊霖
基金项目:辽宁科技大学大学生创新创业计划专项经费资助项目(项目编号:S202210146053
）。

作者简介:孙雨辛(2002- )，性别：男，籍贯：辽宁省营口市，本科。

研究方向:创新实训项目，机器人。