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软气动网络（Pneu-Net）执行器（SPA）由于其简单的驱动形式和较大的弯曲变形而被广泛应用于制造软夹具。然而，常规SPA在复杂软夹持应用环境中的能力单独不足。因此，本研究提出了一种结合常规和人字形执行器功能的模块化软夹具。通过有限元（FE）模拟和实验验证了两种执行器在气动压力下的弯曲变形特性。通过一系列方法，包括阻挡力测试、提升测试、抓取强度测试和吸力测试，对两种执行器的功能特性进行了实验研究。实验结果表明，常规执行器具有更大的纵向弯曲变形和更高的阻挡力优势；而人字形执行器由于在纵向和横向方向上具有适应性变形，因此具有更好的提升稳定性和抓取强度。此外，真空实验证明，该执行器可以通过真空吸附举起重型板状物体。基于两种执行器的功能特性，设计了模块化夹具，并对夹具进行了测试以钩住、抓取或举起不同形状、大小和重量物体。从本质上讲, 该设计使得它成为相对复杂与先进抓握应用领域一个很有前景候选者。

近年来，由于材料科学的进步，柔性夹具在软机器人领域引起了广泛关注。与刚性机械夹具相比，柔性夹具由柔软、顺应性材料制成，使其能更灵活、更安全地与物体进行交互。这些材料包括弹性体、形状记忆合金、电磁聚合物、颗粒材料和低熔点合金等。基于流体弹性体执行器（FEAs）的柔性夹具通常由弹性体制成，并由加压流体（气体或液体）驱动；而流体流动路径和腔室结构可以设计成实现不同的弯曲特性。然而，在需要相对较高的抓握力或稳定性的应用中，简单的流动路径和腔室结构可能不足以满足要求。一般来说，这些问题可以通过将多个FEAs集成到其他部件中来解决，以提供足够的抓握-物品交互作用。然而，这会增加材料使用量并增加整个系统复杂度。

过去的研究中报道了各种FEAs结构，包括纤维增强结构、人工肌肉、气动网络（Pneu-Net）等。在这些结构中，Pneu-Net以其简单的结构、快速的响应和大变形特性脱颖而出。软Pneu-Net执行器（SPAs）由一系列弹性体腔室组成，可以具有不同类型的性能，如伸展/收缩、弯曲、扭转/螺旋运动、双向/全方位运动等。根据特定的运动方式，SPAs已经在康复、食品处理、仿生学和软抓握技术等领域找到了应用。然而，许多基于SPAs的夹持器未能充分发挥执行器的抓取潜力，例如需要对特定物体施加过高压力才能抓住它们, 或者需要使用多个执行器来提高夹持稳定性. 此外，由于物体通常具有不同形状和重量，在某些夹持场景下只有一个执行器设计的软夹持器可能效率不高（例如当夹取比夹持器更大的物体时）。因此，在这样情况下将多种功能组合成模块化软夹手是至关重要。

在这项工作中，我们提出了一种由两种类型的软Pneu-Net执行器（即常规执行器和人字形执行器）组成的模块化软夹具。在气压作用下，常规执行器只能沿纵向弯曲；而人字形执行器则可以沿纵向和横向弯曲，这是我们在先前的工作中报告过的。在该研究中，我们深入研究了人字形执行器的腔室倾斜角度对弯曲性能、阻挡力和抓握力的影响。为了利用常规执行器和人字形执行器各自的优势，我们在本报告的抓取系统中结合了这两种设计，以抓取具有复杂形状的物体。该系统还包括真空吸盘，通过真空吸力辅助物体提升。我们进行了有限元（FE）模拟来表征软执行器的弯曲性能，并进行了一系列实验来研究抓取系统的变形和力行为。最后，开发了一个自动化平台，以演示软抓手抓取和提升应用的可行性。

模块化软抓手由两个常规执行器和两个人字形执行器组成，它们安装在夹具上，并且底部各有四个吸盘（如图1a所示）。为实现抓取功能，两组相同的执行器以相反的垂直位置组装（如图1b所示）。当抓手用于吸力功能时，垂直执行器需手动旋转至水平位置（如图1c所示）。常规和人字形执行器的示意图分别见于图1d和e。这两种执行器都包括一个活动顶层（由一系列弹性腔室通过空气通道连接）和一个被动底层（限制活动部分伸展）。可在B-B截面和D-D截面中详细查看顶层结构。在常规执行器中（如图1d所示），四个平行矩形腔室连接了两条“纵向通道”，而在人字形执行器中（如图1e所示），八个平行四边形腔室分别通过“横向通道”和“纵向通道”连接。此外，充气口与Pneu-Net腔室垂直连接，真空口则安装在吸盘上。为了公平比较，这两种执行器均设计具有相同轮廓尺寸，因此其总体积几乎相等。基于我们之前的研究[16]，我们将人字形执行器的腔室倾斜角度设计为30°。

图1. 模块化软夹爪和执行器的示意图。(a) 软夹爪的爆炸视图。(b) 夹爪的垂直组装和(c) 水平组装。(d) 常规执行器。(e) 人字形执行器。

制造过程遵循传统的铸造方法。使用三个3D打印模具，其中两个用于上层，一个用于下层。将混合和脱气后的聚合物龙鳞30（A和B部分）倒入模具中。在室温下聚合15小时后，使用聚合物溶液将上下两层粘合在一起，然后在80°C下烘烤30分钟。最后，使用冲压机打开充气和真空口，然后将吸盘粘接到执行器上。图2a-d显示了执行器原型；图2e,f分别显示了垂直和水平组装的模块化夹具上的执行器。

图2。原型执行器和模块化软夹具。（a）棘轮执行器的顶部和（b）底部视图。（c）正弦执行器的顶部和（d）底部视图。（e）将执行器垂直（e）和水平（f）组装到模块化夹具上。

为了描述两种执行器的弯曲性能，我们测量了原型执行器在不同充气压力下的纵向和横向弯曲角度。在弯曲测试实验平台上，执行器变形所需的正压力由连接到空气压缩泵的压力控制器（OB1 Mk3压力控制套件，ELVEFLOW，巴黎，法国）提供。执行器安装在夹具上，并通过其充气口直接连接到压力控制器，如图4所示。在实验中，分别向常规和人字形执行器施加了60千帕和120千帕的最大充气压力，而弯曲变形则由有效像素为1200万像素（iPhone 13，苹果公司，加利福尼亚州，美国）的智能手机摄像头捕捉。

图4. (a) 常规执行器的弯曲行为(i)，以及弯曲角度比较(ii)。(b) 人字形执行器的纵向弯曲行为(i)，以及纵向弯曲角度比较(ii)。(c) 人字形执行器的横向弯曲行为(i)，以及横向弯曲角度比较(ii)。

图4显示了常规和人字形执行器的弯曲角度如何随着充气压力的增加而增加。在相同的压力下，常规执行器的纵向弯曲角度明显大于人字形执行器，正如模拟所示。例如，如图4a所示，在40 kPa压力下，人字形执行器的弯曲角度为13.52°，而常规执行器的弯曲角度为40.17°。同样，当输入压力分别设置为60 kPa和120 kPa时，两种执行器产生的纵向弯曲角度大致相同（人字形：51.85°；常规：53.36°）。图4c显示了人字形执行器的横向弯曲，表明常规执行器的变形集中在纵向轴上，其横向弯曲角度始终为0°；而人字形执行器的横向弯曲角度最初迅速增加（从0到80 kPa，平均每步增加5.24°），然后随着压力超过80 kPa而减慢。我们对测试和模拟结果的比较显示，对于人字形横向角度，最大偏差为7.04%；对于规则和人字形纵向角度，分别最大偏差为12.64%和14.57%。

阻塞力测试旨在研究执行器的力容量。它通过测量执行器被阻塞时的位移来估算其最大尖端力。与胡等人[12]类似，我们使用多轴力传感器（HZC-HI，ATI自动化，中国；分辨率：±0.1%，稳定性：0.05%，测量范围：高达100 N）测量执行器加压时在尖端产生的法向应力。如图5a所示，将执行器的一端固定在夹具上，而尖端则自由放置在多轴力传感器上。

图5. 阻挡力测试。(a) 阻挡力测量的实验装置。(b) 不同输入压力下执行器的阻挡力。每个测试重复五次，误差条表示测量的标准偏差。

提升力用于确定软夹爪稳定抓取多个物体的能力。我们在实验装置中评估了两种执行器的提升力，以研究它们的抓取能力。在该装置中，将两个尺寸相同的执行器组装在固定装置上，并连接到数字力计（HP-50；分辨率：0.01 N，误差：±0.5%）。执行器通过压缩空气充气，弯曲并形成软夹爪。一旦夹爪成功地拾取了物体，力计就会测量提升力。我们制造了两种类型的软夹爪（即常规和鱼骨形执行器基夹爪）。由于夹爪的抓取能力在很大程度上取决于执行器的阻挡力，因此我们分别在60 kPa和103 kPa的压力下测量了常规和鱼骨形夹爪的提升力，并比较它们之间的差异（如图6所示）。因此，在完全抓住物体时，两种夹爪都可以产生相同大小的阻挡力。

图6. 软夹持器的举升力测试。软夹持器可以举起（a）圆柱形零件、（b）球形零件和（c）平面物体。图（i）显示了举升实验的快照，图（ii）显示了不同物体的测量举升力。

抓取器的夹持能力可以通过夹持力来衡量，该力用于抵消物体在水平移动时产生的横向推力或惯性力。为了分析和对比两种夹持器的夹持强度，我们测量了执行器在不同弯曲角度下的夹持力（见图7）。为了进行公平比较，我们选择了五组输入压力——基于弯曲角度实验结果（见图4a、b）——以确保常规和人字形夹持器产生相同程度的弯曲。

图7：软夹爪的抓握力测试。使用（a）球形物体、（b）圆柱形物体和（c）平面物体进行抓握测试。图（i）显示了抓握实验的快照，图（ii）显示了不同物体在不同纵向弯曲角度下的抓握力测量值。

我们研究了使用内置吸盘产生吸力抓取力时软执行器的性能。实验包括单个执行器和带有13毫米和16毫米直径吸盘的四指（执行器）夹具。如图8a所示，吸力测试实验装置示意图中，将执行器水平夹在数字力计下。负压通过集成了压力传感器（PSAN-C01CV）和旁路泄压阀（HLVP8-B24）的膜泵（Karmor Corporation）向执行器提供。为了测量吸力，在打开膜泵之前首先将执行器下移与平台上的玻璃接触（如图8a所示），然后将泄压阀设置到所需的负压。随后，在抬起杠杆缓慢地将执行器从玻璃上抬起时，通过力计测量并记录相应的力。

图 8. 吸力测试。（a）实验装置示意图。使用（b）一个吸盘和（c）四个吸盘时的不同负压输入下的吸力。

正如前面所描述的，常规执行器在相同的驱动压力下具有更大的纵向弯曲变形和更高的阻挡力；而人字形执行器在相同的纵向弯曲角度下具有更好的抓取和提升性能。为了展示这两种执行器的综合优势，我们将这两种执行器集成到一个模块化夹具中。此外，我们开发了能够装载模块化夹具的自动设备（如图9a所示），并研究了模块化夹具抓取不同物体的能力。设备的气动和电气系统的示意图如图10所示。该设备主要包括控制器、膜片泵、压力传感器、五个电磁阀（SV）、三套带有步进电机的滑轨组件、机械组件和其他必要的电气和气动系统组件。

图9：自动装配模块化软夹具设备的照片（a）以及在（b）剪刀、（c）面包、（d）鼠标、（e）罐子、（f）手机和（g）笔记本电脑上进行各种物体提升应用的快照。

图10。自动设备的气动系统（a）和电气系统（b）示意图。

本研究提出了一种模块化软抓手，由两种基于SPA的执行器组成——常规执行器和人字形执行器。首先通过有限元模拟研究了这两种执行器的弯曲特性，然后通过阻挡力测试、提升测试、抓取力测试和吸力测试等实验进行验证。实验结果表明，常规执行器具有快速弯曲响应和较大的阻挡力优势；而人字形执行器由于其独特的适应性变形特性，在提升稳定性和抓取力方面具有更好的性能。基于两种执行器的优势，开发了一种具有五个操作模式的模块化软抓手：钩模式、软抓取模式、不规则抓取模式、重物抓取模式和真空吸力模式。为了验证该软抓手在实际应用中的可行性，我们还开发了自动化设备来加载并运行该软抓手，并编写相应程序代码进行控制。实验结果表明，该软抓手能够操作各种类型（从轻到重、从小到大）物体。总之，我们展示了所提出的多功能特点以及与传统单一功能SPA基础软夹具相比增加设备灵活性和效率方面所带来改进。此外, 我们认为这项工作将为更健壮设计柔韧夹爪提供启示, 特别是那些具有改进过得 模块化特征 和 多功能属性 的柔韧夹爪, 以满足更广泛范围内需求。

参考文献：

A Modular Soft Gripper with Combined Pneu-Net Actuators. Actuators 2023, 12, 172. https://doi.org/10.3390/act12040172

Xinjie Zhang 1,2,*, Shouyi Yu 1, Jianlong Dai 1, Ayobami Elisha Oseyemi 3, Linlin Liu 1, Ningyu Du 1 and Fangrui Lv 1

1 河海大学机电工程学院，常州213022，中国
2 东南大学机械工程学院，南京211189，中国
3 Department of Mechanical Engineering, York University, Toronto, ON M3J 1P3, Canada

相关应用介绍

Matia Y, Elimelech T, Gat AD. Leveraging Internal Viscous Flow to Extend the Capabilities of Beam-Shaped Soft Robotic Actuators. Soft Robot. 2017 Jun;4(2):126-134. DOI: 10.1089/soro.2016.0048.

Salem L, Gat AD, Or Y. Fluid-Driven Traveling Waves in Soft Robots. Soft Robot. 2022 Dec;9(6):1134-1143. DOI: 10.1089/soro.2021.0116.

Salem L , Gamus B , Or Y ,et al. Leveraging viscous peeling in soft actuators and reconfigurable microchannel networks.  2019. DOI:10.48550/arXiv.1907.03286.

Gamus B , Salem L , Gat A D ,et al. Understanding Inchworm Crawling for Soft-Robotics. IEEE Robotics and Automation Letters, 2020, 5(2):1-1. DOI:10.1109/LRA.2020.2966407.

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（典型医院手术应用的机器人装置，哈尔滨工业大学）

补充视频（source：ELVEFLOW）

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