基于折纸的仿章鱼软体抓手

罗海波

Luo Haibo

重庆大学 机械设计制造及其自动化

1.设计目的

传统的刚性机械抓手在工业领域得到了广泛的应用，很大程度上减轻了劳动者的负担。但传统的刚性机械抓手所固有的刚性大、柔性度低、环境适应能力差等特点，在非结构化的环境下受到了使用限制。硅胶、记忆形状材料和电活性聚合物等的软体材料具有柔顺性高等优点，适合应用于抓取易受损伤的物体。为了弥补传统机械抓手刚性大、适应性低而难以实现对软硬脆的物体的抓取，本课题设计了一种基于折纸的仿章鱼气动驱动的软体抓手。试验证明，本课题所提出的抓手具有良好的变刚度能力和负载能力。通过抓取不同形状和大小的物体，验证了本课题设计的软体抓手具有良好的抓取适应性。

2.基本原理及方法

相比于拉线驱动、记忆形状材料驱动、电活性聚合物驱动这 3 种驱动方式，气体驱动有着结构简单、响应快、环保等优点，因此本课题计划使用气体作为软体抓手的驱动方式。由于软体材料有着杨氏模量低的固有特点，使得其受到较大的力时会产生过量的形变导致稳定性下降，因此在软体抓手的设计中会引入变刚度结构用于弥补自身刚度低而导致的不足。目前研究中常用的结构变刚度法主要是基于阻塞原理变刚度，分为颗粒阻塞变刚度和层阻塞变刚度两种。由于颗粒阻塞变刚度似乎需要较大的体积，本课题便采用层阻塞变刚度法。另外，该软体抓手有着类似章鱼的结构，能够做到像章鱼一样收缩和伸展，并且可以通过折纸结构提高收缩和伸展的速度，从而弥补软体抓手响应速度慢等问题。

软体抓手的制作方法主要有 3 种，分别是浇注成型、形状沉积制造、3D打印。本课题采用的是浇注成型。浇注成型主要有 6 个基本步骤：（1）制造模具；（2）按特定比例混合A胶和B胶；（3）真空去泡；（4）将硅胶倒入模具；（5）静置；（6）固化后取出。

本课题设计的气动软体变刚度抓手采用的是分步浇注方式。这种方法可以有效保障装置的气密性和浇注的几何形状。模具使用的是未来工厂打印机和未来R4600 树脂耗材进行 3D打印，浇注用的硅胶是硬度为 20D的人体硅胶。

3.主要设计过程或试验过程

1）软体结构方案设计

软体结构的设计是否合理在很大程度上决定了软体抓手的性能好坏。本课题鉴于气动驱动的结构简单、响应迅速等优点选择了气体驱动作为软体抓手的驱动方式。由此，该软体抓手的主体部分便有了大致轮廓。该软体结构底部是一个边长为 145 mm的正方形，4 个斜面与底面有特定的夹角，4 个侧面内各包含一个侧腔室，中间有一个主腔室，各个腔室间互不影响，保持独立状态。各腔室的上部均开有一个圆孔以便插入气管，与外界控制的气泵联通。各个腔室前后左右的侧面壁厚均相同，上面壁厚略大。

2）折纸和变刚度结构的设计

由于折纸结构有着在二维和三维之间的快速转换能力，因此在设计时采用折纸结构可以提高结构变化时的响应速度。对于单个侧腔室，当处于初始状态时，侧腔室处于完全展开的平面状态；当主腔室接入负压时，整个结构受到大气压作用向内收缩，由于中部的折痕，其收缩速度提高。

在变刚度方面，本课题采用上文提到的层阻塞原理实现软体结构的变刚度。将多张砂纸裁剪成与侧腔形状相似的大小，然后该砂纸经过多次折叠并放入 4 个侧腔中，最后用粘贴剂将侧腔的底部封口粘牢。当侧腔内部经由真空泵抽气时，多层砂纸紧密贴合在一起，整体结构的刚度得到提升。

3）负压吸附结构的设计

负压吸附的主要原理在于抓手与被抓取物体之间形成密闭的腔室，使得该密闭腔室内的气压小于外部环境中的气压，利用两者的气压差来实现吸附功能。软体抓手的负压吸附多采用真空泵联通气管抽气的直接负压吸附方式，该方式结构简单，重复性高，但也需要较高的气密性。本课题设计的结构是由上部的硅胶层和下方的吸盘组成，两者之间挖了多个小孔以便于吸气和排气。

4.结论

（1）分析总结了现在的软体抓手的驱动技术和变刚度技术，提出了一种气动、层干扰变刚度、能折纸变形并具有吸附抓取功能的软体抓手的新设计方法。

（2）通过SolidWorks设计浇注软体抓手所需的模具，使用 3D打印机打印模具，通过硅胶浇注制作软体驱动器，并设计固定夹具等其他零件，最后组装成一个完整的软体抓手。

（3）介绍了一些常见的非线性问题，列举了用于描述硅胶这种非线性材料的物理模型，详细叙述了有限元仿真的基本步骤，通过ANSYS workbench仿真了在主腔室抽气情况下，软体抓手整体的变形情况。

（4）通过搭建试验平台对软体抓手的变刚度能力、负载能力和适应性方面进行测试。试验证明，本课题所提出的抓手具有良好的变刚度能力和负载能力，通过抓取不同形状和大小的物体，验证了本课题设计的软体抓手具有良好的抓取适应性。

5.创新点

（1）结构多样，本课题设计软体抓手结合了仿生章鱼、折纸、层干扰变刚度、负压驱动和负压吸附，多种结构融为一体。

（2）与常见的指形驱动器不同，抓取的负载和适应性能力强。

（3）整体结构可作为末端执行器的一种直接安装在机械臂上，应用性强。

6.设计图或作品实物图

软体抓手的三维模型图如图1 所示，实物装配图如图 2 所示，抓取适应性测试试验图如图3 所示。

高校指导教师：江 沛、李孝斌；企业指导教师：杨鑫凯 FPcedtENu/+B1dEZeDKUoTHGDTnvu6KrjiOZYepsydI/WmleEAroKGI7COKFnFnL