低压双模式气动软夹爪的设计及其高负载灵活抓取性能研究

《Scientific Reports》：Design, modeling, and characterization of a low-pressure dual-mode pneumatic soft actuator-gripper

　　

摘要

软气动夹爪在抓取易碎、不规则和未知物体方面极具潜力；然而，在低驱动压力下同时实现高负载能力和抓取灵活性仍然是一项关键挑战。在本文中，我们提出了一种低压双模式气动软夹爪，该夹爪通过将圆柱形包裹模块与三指软气动网络（PneuNet）弯曲模块刚性连接而构建。圆柱形模块通过径向内扩实现对重载物体的主动包裹抓取，而三指模块则通过弯曲变形灵活适应各种形状和大小的物体。为了表征圆柱形模块的驱动行为，将其变形架构建模为薄壁曲室，并将变形过程概念化为两个连续阶段：翻折和鼓胀。通过结合解析公式和有限元分析（FEA），建立了一个两阶段充气力学模型，并辅以半经验修正来考虑非理想边界约束和材料软化效应。此外，利用 FEA 预测了 PneuNet 手指的弯曲变形，结果显示与实验测量值非常吻合。实验结果表明，在仅为 20 kPa 的低驱动压力下，双模式夹爪在抓取直径为 36 毫米的球体时，可实现高达 6.5 kg 的卓越垂直负载。此外，两个抓取模块可以协同交互以操作和重新定位单个复杂目标，或者同时独立抓取两个不同的物体。最终，所提出的低压双模式软夹爪展示了在多功能、安全且高效机器人操作方面的巨大潜力。