变刚度软体机械手设计与实验

摘 要

　　软体抓手作为软体机器人中的一个重要分支，通常由超弹性材料组成，由于其材料的特殊性使其在抓取一些形状不规则的易碎物体时能表现出良好的安全性与人机交互安全性。然而也因为软体材料的刚度较低，导致软体抓手的负载能力较低，难以抓取一些质量较大的物体，限制了软体抓手的应用。本文设计出一款基于层干扰结构的变刚度软体抓手，从结构设计、制作工艺、弯曲性能、刚度调节等方面进行了详细的研究，主要结论如下：

　　对软体抓手的驱动部分与变刚度部分进行结构设计，详细的描述了软体抓手的构成材料与制作过程。通过单轴压缩试验与理论分析得出所用硅胶材料的材料参数；通过仿真分析得出软体手指驱动部分的弯曲情况，验证了驱动部分结构设计的合理性；通过实验得出软体手指的弯曲角度与内部正压大小之间的关系；通过力矩平衡关系推导出弯曲角度与内部正压大小之间的函数关系，建立数学模型，并与实验数据对比，从而验证了数学模型的正确性。

　　搭建实验平台测定软体抓手在不同负压下的最大负载能力，通过分析实验数据得出软体抓手在不同负压下的刚度变化情况。建立软体抓手刚度在不同负压的数学模型，并将其与实验数据进行对比从而验证其正确性，结果表明在较大负压的情况下软体抓手的最大负载能力提升了约 10 倍，软体抓手的刚度提升了约 11倍。

　　本文设计的变刚度软体抓手能很好的提升软体抓手的最大负载能力与刚度，极大的提高了软体抓手的使用范围。

　　关键词： 软体抓手，变刚度，层干扰，仿真分析

Abstract

　　As an important branch of soft robot, soft gripper is usually composed of Hyperelastic Materials. Due to the particularity of its materials, it can show good security and human-computer interaction security when grasping some fragile objects with irregular shapes. However, due to the low stiffness of software materials, the load capacity of software gripper is low, and it is difficult to grasp some objects with large mass, which limits the application of software gripper. In this paper, a variable stiffness software gripper based on layer interference structure is designed. It is studied in detail from the aspects of structural design, manufacturing technology, bending performance and stiffness adjustment. The main conclusions are as follows:

　　The driving part and variable stiffness part of the software gripper are designed, and the constituent materials and manufacturing process of the software gripper are described in detail. Through uniaxial compression test and theoretical analysis, the material parameters of silica gel material are obtained; The bending of the driving part of the soft finger is obtained through simulation analysis, and the rationality of the structural design of the driving part is verified; The relationship between the bending angle of soft finger and the internal positive pressure is obtained through experiments; The functional relationship between bending angle and internal positive pressure is deduced through the torque balance relationship, and the mathematical model is established. Compared with the experimental data, the correctness of the mathematical model is verified.

　　An experimental platform was built to measure the maximum load capacity of the software gripper under different negative pressure. The stiffness changes of the software gripper under different negative pressure were obtained by analyzing the experimental data. The results show that under the condition of large negative pressure, the maximum load capacity of the soft grip is increased by about 10 times, and the stiffness of the soft grip is increased by about 11 times.

　　The variable stiffness software gripper designed in this paper can improve the maximum load capacity and stiffness of the software gripper, and greatly improve the application range of the software gripper.

　　Key words: soft gripper, variable stiffness, layer interference, simulation analysis

目 录

　　第一章 绪论

　　01.1 研究背景及意义

　　随着科技的发展，机器人技术也逐渐成为众多行业的关键技术之一，例如制造业、医学行业、科学探索等一些重要领域[1-3].同时由于人类日益增长的需求，机器人技术也在不断地迭代更新，一些新兴的机器人也逐渐进入大众的视野，软体机器人就是其中之一。传统的刚性机器人骨架通常由刚性的杆件与一些铰链组成，刚性的杆件能保证刚性机器人的一些高性能，例如较快的速度、比较大的有效载荷和准确性，同时刚性机器人也存在一系列的缺点，例如适应性不强、灵活性差、安全性低等[4,5].软体机器人是近些年来人们通过对自然界中的一些软体动物的观察研究而来，软体机器人的材料通常为超弹性材料，能很好的实现拉伸、弯曲、扭转，所以与传统的刚性机器人相比软体机器人具有更好的适应性、灵活性、耐用性和安全性[6].

　　抓手是机器人行业的一个重要分支，用于对目标物体的抓取与操作，传统的刚性抓手在面对一些形状规则与结构稳定的物体时都具有良好的性能，如图 1-1所示，但是在面对一些形状不规则、易碎的物体时刚性抓手可能无法工作甚至使被抓取物体损坏[7-13].目前也存在一些基于多指设计的刚性抓手，其配有许多可控的关节与传感器从而保证抓手的灵活性和安全性，在抓取的过程中需要计算每个手指的压力大小与位置，其对硬件和软件的要求十分高，操作过程也较为复杂。

　　而软体抓手就是解决这一问题实现抓取任务的替代方法，软体抓手具有质量轻、适应性强、成本低、无需复杂的控制方法等优点，同时软体抓手由于其材料的特殊性其本质上对人类安全[14-17],如图 1-2 所示。

　　虽然与刚性抓手相比软体抓手具有适应性强等一系列的优点，但是由于软体抓手的主体材料主要为硅胶材料等其他超弹性材料，这些材料自身的刚度较低易变性，从而导致软体抓手在抓取一些质量较大的物体时不能很好的保持固定的形状，无法精准控制，负载能力较低，因此提高软体抓手的负载能力与刚度是十分重要的[18].我们希望软体抓手既能保持软体较好的延展性又能具有刚性抓手负载能力大、形状稳定等优点，实现软体抓手的变刚度能力。在抓取的初始阶段，软体抓手的刚度较低，与被抓取物体进行较好的贴合，在进行提取时通过外界操作改变软体抓手的刚度，使其负载能力有较大的提升，从而能对一些质量较大的物体进行抓取操作。这种可以调节软体抓手自身负载能力与刚度的能力被称为软体抓手的变刚度能力[19-23].

　　软体抓手作为一种重要的夹持机构，对于扩展机器人的智能化与应用范围有着十分重要的作用。面对实际操作中刚柔兼济抓手的欠缺，本文结合实际需求、机器人学、新材料技术设计出一款基于层干扰技术的多腔体式气动可变刚度软体抓手，详细介绍变刚度抓手的结构设计、仿真分析、实验分析与理论分析，实现了设计、制造、仿真、实验、分析一系列的产品开发过程。此抓手具有十分良好的变刚度效果与适应性，为软体抓手的设计、理论分析等问题奠定了一定的基础，推动了软体抓手在实际中的应用，因此选题具有十分重要的意义与价值。

　　1.2 软体驱动器的研究现状

　　传统的刚性抓手在实际应用中通常由电机、刚性杆件、铰链等构件配合协同进行运作，其中电机是刚性抓手的主要驱动器。电机作为刚性抓手的驱动器，其存在有效载荷大、精度高等特点，不过其人机交互性较差，若要提高其人机交互性需要添加一系列高精传感器与复杂控制系统，成本较高。软体抓手主要材料为硅胶等超弹性材料，与刚性杆件不同，其理论上存在无限的自由度，存在十分良好的人机交互性，因此软体抓手的驱动器与刚性抓手的驱动器存在一定的差异。

　　软体抓手的驱动器设计是研究软体机械手的重要部分，软体抓手的驱动器一般包括两个部分：动力源、驱动结构，在设计软体抓手的驱动器时首先需要确定动力源，再根据动力源设计合理的驱动机构，驱动机构一般为柔性介质。在软体抓手的工作过程中，通常是由动力源传递动力至驱动机构，再由驱动机构将动力传递至被抓取物体。目前软体抓手的驱动器种类较多，现阶段关于应用广泛的软体抓手驱动器分类主要有流体驱动（FEA）、绳线驱动（TDA）、电活性聚合物驱动（EAP）、形状记忆合金驱动（SMA）这四类[24,25]. 1.2.1 流体驱动软体驱动器流体驱动：流体驱动（FEA）是指软体抓手的动力源为流体，自然界中最常见的流体为液体与气体，而在软体抓手的设计中主要采用气体作为动力源，因为与液体相比气体具有更好的流通性、安全性更高、安全性更好。同时气体驱动存在响应迅速、驱动介质易获取、安全性更高、操作简单等优点逐渐成为软体抓手的主流驱动动力源。气体驱动的原理是改变驱动机构内部的气压大小，由于驱动机构的超弹性，内部气压发生变化时驱动机构也发生形变，从而实现弯曲与延伸。

　　大部分的气体驱动采用的是正压驱动，也存在负压驱动，与负压驱动相比正压驱动更为容易控制。

　　在气体作为软体抓手动力源时，抓手的驱动机构通常也分为两个种类，（1）：

　　其中之一为多腔体结构，多腔体结构为一系列的超弹性材料制成的空腔结构连接而成，这些空腔结构内部连通，从而实现多个空腔结构内部的气压一致。通过改变空腔结构的材料、单个空间结构的薄壁厚度、空腔大小、空腔结构之间的间隙等参数来改变软体抓手的变形情况。如图 1-3 所示，2016 年中国科学技术大学研制出一款基于蜂巢结构的软体抓手，其抓手是由一系列的类似于蜂巢的六边形空腔结构构成，每个空腔结构中存在单独的驱动气源，通过控制这些气源来实现软体抓手的抓取工作[26,27].（2）：另一种为纤维限制结构，纤维限制结构通常为单个空腔结构，空腔结构外部嵌入有纤维细线，在向内部充入气体时，空腔结构将会膨胀与延伸，而纤维细线的存在限制了空腔结构的径向膨胀从而只会发生延伸。

　　同时可以改变纤维细线的缠绕方式、缠线角度来改变空腔结构的运动方式，实现弯曲、延伸与扭转。如图 1-6 所示，哈佛大学研制出一款基于纤维限制结构的软体驱动器，此驱动器由多段空腔结构组成，每一段的缠线方式也存在不同从而运动形式也不相同，通过多段之间的配合运动实现驱动器的蠕动前进[28].

　　1.2.2 线驱软体驱动器

　　绳线驱动：绳线驱动（TDA）通常指软体抓手是在绳线牵引的作用下产生运动（弯曲或扭转）的驱动方式。一般绳线在长度方向上的拉伸强度很大，而在径向方向上容易弯曲柔软性较高，十分符合软体机器人的特性，故将绳线嵌入或者贴合在软体机器人内部不会影响软体本身结构的性能。一般软体机器人内部存在特制轨道或引导槽用于绳线的放置与运动，在特制轨道与引导槽的内部一般存在几个固定的点，用于绳线的固定，以防绳线在运动的过程中偏离既定的轨道。在外部电机或者其他动力源的作用下，绳线收缩，通过特制轨道与引导槽拉动软体机器人的软基体，从而使软体机器人实现弯曲或者扭转，进而抓取物体。如图 1-4 所示，2012 年圣安娜高等学校通过观察章鱼的内部结构与运动形式，研制出一款仿生章鱼机械臂，其机械臂的内部均匀存在四根绳线，用于机械臂的运动控制，能很好的实现类似于章鱼臂的运动形式，并且通过欧 拉-伯努利梁方程建立了此软体章鱼臂的静力学与动力学方式[29].2020 年俄亥俄州立大学研制出一款绳线驱动的变刚度软体抓手，此抓手由三个手指组成，手指的内部骨架为 PLA 打印而成，骨架内部两侧有一系列的小孔用于绳线的引导，在外部电机的驱动下实现软体抓手的弯曲，并且通过伪刚体模型建立了此软体手指的弯曲理论模型[16].

　　1.2.3 EAP 软体驱动器

　　电活性聚合物驱动：电活性聚合物驱动（EAP）的主体通常是一种在电力作用下能发生形变的新型材料，此种材料在高电压的作用下其内部正负压电子快速运动从而发生形变。由于材料材料性能的限制，一般此种软体机器人的驱动部分被制成薄片形状，嵌入到软体抓手手指的内部。如图 1-5 所示，巴黎综合理工大学研发出一款基于电活性聚合物驱动的软体抓手，此款抓手由两个手指组成，在 3KV 的工作电压下能抓取一些质量较小的物体，抓取效果较好[30].

　　2016 年哈佛大学研制出一款基于 EAP 的软体机械臂，此款机械臂由六段电活性聚合物组成，每段可独立控制，从而增加软体机械臂的灵活性，同时通过机器学习实现了路径规划[31].

　　1.2.4 SMA 软体驱动器

　　形状记忆合金驱动（SMA）：形状记忆合金是一类特殊材料，其内部的结构在两种形态之间进行切换，在常温下一般为易变性的马氏体，而在高温的情况下转换为较为坚硬的奥氏体，在正常情况下形状记忆合金易发生形变，类似于软体机器人的软基体，然而在一定温度的作用下形状记忆合金能恢复到初始状态并且在恢复到初始状态的过程中输出力矩。一般形状记忆合金制成的软体抓手的结构较为简单，其形变过程不受温度以外的其他因素影响，性能稳定。如图 1-6 所示，Yu She 等人在俄亥俄州立大学研发出一种基于形状记忆合金的软体抓手，并建立了相应的理论模型来分析此软体抓手的抓取负载能力，并通过实验进行的验证分析[14].

　　上述的四种软体机器人主要的驱动方式：流体驱动、绳线驱动、电活性聚合物驱动、形状记忆合金驱动，其都存在优点与一些缺点。（1）流体驱动：流体驱动通常采用的是气体，液体驱动时液体介质成本较高，同时也会导致软体机器人的质量大幅增加，影响软体机器人的变形性能，而且采用液体驱动时对于软体机器人的密封性有很高的要求。采用气体作为驱动介质时主要优点如下：液体介质易获取、成本低、安全无污染， 能实现软体机器人的大变形、控制简单、响应迅速[34].其主要的缺点在于：输出力矩一般，同时采用气体驱动时，软体机器人的理论建模较为复杂，同时需要外部气源为驱动提供动力，一般外部气源体积较为庞大，从而导致软体机器人的体积很难实现微型化。（2）绳线驱动：绳线驱动通常需要在软体机器人内部嵌入绳线的通道与固定点，通过外部动力源的运行从而实现软体机器人的变形[35].

　　其主要优点：结构较为简单、控制简单、安全无污染，由于可以通过测量绳线的位移大小与软体机器人内部的固定绳线的节点位置可以较为容易的建立软体机器人的理论模型。主要缺点：由于绳线自身的特性导致绳线驱动很难实现软体机器人的大变形，与流体驱动相同，外部的动力源体积较大，故很难实现软体机器人的体积微型化。（3）电活性聚合物驱动：电活性聚合物驱动的主体材料为特制薄膜，需要外接高压设备，故主要优点：结构紧凑，质量小，整体结构可以做到很小，在一些较小的工作环境中应用广泛，能实现大变形[36].主要缺点：电活性聚合物材料需要在较高的电压下才能工作，较高的电压对于人机交互有很大的影响，同时电压不稳定容易导致薄膜材料被击穿从而失效，安全性差。（4）形状记忆合金驱动：形状记忆合金驱动需要在指定的温度下实现，故其主要优点：抗干扰能力强，除了温度以外其他因素对其的变形影响很小，其结构较为紧凑，有利于整体大小的微型化，同时能实现软体机器人的大变形[35].主要缺点：温度过高容易导致形变失效，同时其运动时的速度较慢，形变形状较为单一，难以实现空间内的任意位姿变换。

　　1.3 变刚度技术的研究现状

　　与传统的刚性机器人相比，软体机器人具有更高的灵活性与适应性，而这些灵活性与适应性的主要是由软体机器人的本身材料性能决定的。组成传统的刚性机器人的主要构件为刚性构件，能提供较大的力矩与精确的控制，构成软体机器人的主要材料为硅胶材料，而硅胶材料本身刚度较低，能以承受较大的负载力与输出较大的力矩，很容易受到外力的作用而发生形变。因此提高软体机器人的刚度，保证其能保持稳定的形态与输出较大的力矩也是软体机器人的重要研究方向之一。

　　目前对于软体机器人变刚度方式主要可以分为三类：层干扰、阻塞原理、液态金属[36-40],这三种变刚度的方式从原理角度上可以分为两种，（1）增大摩擦力：

　　此种方式主要是通过一些外界条件增大一些用于变刚度的物体之间的摩擦力，例如层干扰、阻塞原理，这两种变刚度方式就是基于增大内部结构的摩擦力而实现的。（2）材料相变性：这种变刚度的原理就是基于构成软体机器人的材料性能而实现的，液态金属就是其中典型的材料相变性案例之一，通过在特定条件下材料的固液形态转化来改变软体机器人的刚度。

　　1.3.1 增大摩擦变刚度

　　层干扰技术：层干扰技术是一种变刚度效果好、易实现的变刚度方式，一般是由多层片状结构与密闭空间构成。在负压的作用下，密闭空间中多层片状结构相互挤压，产生很大的静摩擦力，相当于形成一个较厚且具有一定长度的整体，从而增大软体机器人的刚度，其结构原理如图 1-7 所示[21].为了使软体机器人刚度有较大程度的提升，可以在片状结构上进行特殊处理，例如使用激光机在片状结构上刻画花纹，或者如图 1-8 所示，通过改变片状结构的排布方式、堆叠方式来实现不同的刚度变化[41].

　　阻塞原理：采用阻塞原理实现变刚度的原理与层干扰技术类似，也是通过改变摩擦力的大小来实现，其主要组成为刚性颗粒、密闭空间。刚性颗粒主要为规则或不规则的类圆形颗粒，例如塑料圆球颗粒、咖啡豆等。在初始状态中，密闭空间中存在刚性颗粒与空气，具有良好的易变形性与流动性，在施加负压后，内部空气被抽离，刚性颗粒失去流动性相互挤压而表现出稳定的结构，从而实现刚度的提升，其原理如图 1-9 所示[42].如图 1-12 所示，Loeve 研制出一款可变刚度的连接内窥镜的机械臂[43],其主要由两部分组成，一部分为弹性薄膜，另一部分为内部的细小颗粒，在外部真空泵的作用下，抽取细小颗粒之间缝隙中的空气，从而颗粒之间相互挤压，摩擦力增大从而限制颗粒的相对运动，机械臂的刚度大幅提升。

　　1.3.2 材料相变性变刚度

　　液态金属：液态金属变刚度方式一般是利用低熔点金属的自身性能来实现变刚度效果[44,45].将低熔点合金嵌入软体机器人内部，首先通过外部加热手段使低熔点合金转化为液态，再软体机器人的形变达到指定形状时对低熔点合金进行冷却，此时低熔点合金转化为固态，从而使软体机器人表现出金属的高刚度特性[46-48].

　　上述三种主要的变刚度方式也都有着自身的特点与一些不足之处。（1）层干扰技术的主要优点：变刚度效果较好，操作简单，负压条件易实现，刚度大小可调。主要缺点：对于片状结构的放置位置、空间大小有一定的要求，否则变刚度效果将会不理想。（2）阻塞原理的主要优点：变刚度效果好、负压条件易实现、操作简单，刚度大小可调。主要缺点：对于内部颗粒的大小、整体数量、铺设厚度有一定的要求，而且在初始状态下流动性很大，容易造成颗粒的排布不均匀。（3）液态金属：采用液态金属变刚度的主要优点：刚度变化效果十分良好。主要缺点：结构复杂，高温条件的实现不易，刚度大小不可调。下述表格将从变刚度原理、结构复杂程度、变刚度效果、是否可调等方面来描述三种变刚度方式的特点[49].

　　1.4 本文主要研究内容

　　由上述研究现状可知，面对一些形状不规则、易碎的物体时，或者在一些特殊的工作环境中，软体抓手与刚性抓手相比存在很多优势，软体抓手的灵活性、柔顺性、安全性是刚性抓手所不能比拟的。与此同时，软体抓手的负载能力比刚性抓手相比要小很多，在被抓取物体质量较大时一般软体抓手并不能满足要求，故而提高软体抓手的刚度也是十分有必要的。理想中的软体抓手既要有抓取过程中的灵活性又要提升在抓取物体之后刚度，实现"刚柔并济"的性能。

　　目前对于软体机器人的研究主要集中于软体机械臂，层干扰技术、阻塞原理、液态金属等变刚度方式也主要应用于机械臂，而对于软体抓手结构设计与变刚度的研究较少。本文提出一种基于层干扰技术的多腔体式变刚度软体抓手，同时实现了软体抓手抓取过程中的"柔"与操作的"刚",并且此款软体抓手的刚度大小是可控的，通过控制内部负压的大小来调节至所需的刚度大小。

　　从结构设计、制作工艺、仿真分析、性能分析与理论建模等方面来研究此款变刚度软体抓手，本文的主要研究内容如下：

　　（1）本文设计的变刚度软体抓手由三个手指组成，每根手指主要分为驱动部分与变刚度部分，驱动部分为多腔体式结构，变刚度部分是由软基体与层干扰结构结合而成。对单根手指的主要部分结构进行了分析，同时对驱动部分与变刚度部分的制作工艺进行了详细的描述；

　　（2）驱动部分为单个手指的主要部分，而驱动部分是由硅胶材料制成，采用的硅胶材料由调配而成，通过单轴压缩实验与仿真分析得出硅胶材料本构方程的主要参数。通过仿真分析研究不同的结构参数对于软体手指弯曲情况的影响，从而得出合适的驱动部分结构参数。搭建实验平台，通过实验得出在不同的气压下软体手指的弯曲情况，与仿真分析结果进行比较，验证了仿真的可行性与变刚度部分对于驱动部分弯曲情况的影响；

　　（3）基于上述的硅胶材料本构方程，通过理论推导与实验结果得出软体抓手的弯曲理论模型，得出内部气压大小与软手指弯曲角度之间的关系，为以后软体抓手的抓取过程奠定基础；

　　（4）搭建实验平台，通过实验得出在不同的负压条件下软体抓手负载能力的变化情况，结果表明本文中的变刚度软体抓手负载能力能提升约 10 倍。同时通过理论推导与实验分析求出软体抓手在不同负压条件下的刚度变化情况，绘制相关曲线，结果表明软体抓手的刚度提升了约 11 倍，变刚度效果与负载能力的提升效果良好。

　　第二章 结构设计与实物制作

　　2.1 结构设计

　　2.1.1 整体结构设计

　　2.1.2 驱动部分结构设计

　　2.1.3 变刚度部分的结构设计

　　2.2 制作工艺

　　2.2.1 制作材料的选择与准备

　　2.2.2 制作过程

　　2.3 本章小结

　　第三章 手指弯曲性能研究

　　3.1 硅胶材料的本构模型

　　3.1.1 基本理论

　　3.1.2 硅胶材料的单轴压缩实验与实验结果分析

　　3.1.3 硅胶材料本构关系的仿真分析

　　3.2 软体手指结构参数的确定与仿真分析

　　3.2.1 驱动器参数的确定

　　3.2.2 驱动器仿真分析

　　3.3 弯曲试验与理论模型

　　3.3.1 手指弯曲角度实验

　　3.3.2 手指弯曲角度的理论分析

　　3.4 本章小结

　　第四章 变刚度软体抓手的刚度变化

　　4.1 负载能力实验

　　4.2 抓手负载能力实验数据分析

　　4.3 变刚度理论模型

　　4.4 本章小结

第五章 总结与展望

　　5.1 总结

　　软体抓手作为近年来科研人员的研究热点之一，在面对一些表现形状不规则、易碎物体或者抓取环境较为苛刻情况下能表现出良好的实用性。本文结合目前一些软体抓手的不足之处与实际应用过程中对软体抓手的需求，以及参考一些软体机器人研究前沿的学术论文，提出了一款可变刚度的多腔体式软体抓手。本文设计的变刚度软体抓手主要表现出两个特点：（1）在多腔体式软体驱动器内部正压的控制下表现出良好的柔软性，能与被抓取进行很好的贴合。

　　（2）在变刚度模块内部负压的控制下，软体抓手的自身刚度将会发生变化，从而提升软体抓手的负载能力，可以根据被抓取物体的质量来调节自身的刚度大小。此款变刚度软体抓手既能很好地表现出软体机器人的适应性、柔软性、安全性，又能表现出传统机器人刚性的一面，使其实现刚性与柔性的兼济，极大地拓宽了软体抓手的应用空间。本文从结构设计、制作过程、硅胶材料性能参数的测定、弯曲试验与理论推导、负载试验与刚度模型等方面来对此款变刚度软体抓手进行了详细的描述。以下为本文主要研究内容与成果：

　　（1）对多腔体式软体驱动器、不可延展层进行结构设计，同时确定这部分的尺寸大小，接着对变刚度部分的软基体支撑层、层干扰进行结构设计，确定软基体支撑层的尺寸大小与层干扰的材料类型。

　　确定软体抓手软基体部分的材料种类，对 Dragon-skin30 硅胶材料制成的实验块进行单轴压缩试验，选择两种超弹性材料本构方程：M-R 型、Yeoh 型来描述压缩过程，实验证明 Yeoh 模型能更好的体现此种材料的应力-应变过程，并且求出Yeoh 模型下的材料参数。同时为了验证压缩实验测得的材料参数的准确性，通过仿真分析来模拟整个过程，将模拟结果与实际结果进行比较，验证了实验的准确性。

　　（2）根据上述测得的材料参数，对软体驱动器的弯曲过程进行仿真分析，验证了上述结构设计的合理性，在内部正压达到 40Kpa 时软体驱动器就能表现出较大的弯曲角度。将软体驱动器与变刚度部分进行结合之后再对整个软体手指的弯曲性能进行研究，建立实验平台测定在不同正压下软体手指的弯曲角度，建立理论模型并且分析推导出软体手指内部正压大小？？与手指弯曲角度？？之间的关系，并与实验结果进行比较验证，实现了软体手指弯曲角度的完全可控。

　　（3）建立实验平台，对软体抓手的负载能力进行实验，分别在不同的内部负压下测取软体抓手的最大负载，从而确定变刚度部分对软体手指的刚度提升效果。实验结果表明在内部负压达到 8Psi（55.12Kpa）的情况下，软体抓手的最大负载能力提升了 10 倍，软体抓手的刚度提升了约 11 倍，说明变刚度模块的结构设计具有很好的刚度调节效果，极大地提高了软体抓手的负载能力，达到了预期的目标。同时对软体手指的变刚度模块进行理论建模，通过理论分析推导内部负压大小与刚度提升效果之间的数学关系，实现软体抓手刚度效果的可控。

　　5.2 创新点

　　本文设计出的变刚度软体抓手以及一些理论分析的主要创新点如下：

　　（1）：将多腔体式结构的软体驱动器与层干扰结构相结合，实现了软体手指的变刚度效果，刚度提升了约 11 倍，极大的提高了软体抓手的负载能力。 （2）：变刚度部分的设计包括层干扰结构与软基体结构，软基体结构既能将层干扰结构与驱动器部分隔离开一定的距离，又能实现部分变刚度效果。

　　（3）：在考虑自身重力的情况下，推导出软体手指内部正压与软体手指弯曲情况之间的关系，并引导入修正系数，并通过实验数据进行求解。

　　（4）：通过虚拟梁理论推导出软体手指内部负压大小与软体手指弹性模量之间的关系，与上述结果相结合得出软体手指运动学与动力学的模型。

　　5.3 展望

　　作为软体机器人领域的重要研究方向之一，软体抓手对于一些特殊的被抓取物体时能表现出很好的性能，能很好地弥补传统的刚性夹爪的一些不足之处。本文设计的一款变刚度软体抓手将一般软体抓手的性能与传统的刚性夹爪的优点相结合，实现了自身弯曲过程与刚度变化过程的可控，并取得了一定的成果，不过仍然存在一些不足之处值得继续研究：

　　（1）软体抓手的驱动部分为多腔体式结构，腔室之间也全部连通，从而导致软体抓手在无外力的作用下的弯曲过程比较单一，一定程度上限制了软体抓手的灵活性。所以在后续的研究中可以对此部分结构进行改进，可以将软体手指的驱动部分划分为几个部分，各个部分可以独立弯曲，从而提升软体手指的灵活性。

　　（2）软体抓手的变刚度部分组成为软基体与层干扰结构，软基体的其中一个作用为了将层干扰结构与驱动器隔开一定的距离，后续可以对软基体材料的改变、结构形状、厚度大小等参数进行研究，观察这些参数的改变对软体抓手刚度提升的效果。

　　（3）在建立软体抓手弯曲过程的数学模型时，在进行力矩平衡计算的过程中，我们假设驱动器软基体的形变是均匀的，实际在弯曲过程中软基体的形变在各个部分是存在差别的，后续可以对这一部分进行改进优化，建立更为精准的数学模型。

致谢

　　时光荏苒，三年的研究生生活很快就过去了，即将结束校园生活进入社会。

　　回忆起这三年生活的点点滴滴，时时刻刻都会收到来自学校、老师、同学的帮助与支持，在这些支持与鼓励下我也收获颇丰。首先十分感谢我的导师黄昔光教授，黄老师在三年的研究生生活中的一直都在给予我最大的支持，从选题到论文的完成都在帮助我稳步推进。在整个研究过程中黄老师为实验仪器选择、制造材料购置、实验平台搭建等方面给予了很大的心思投入，在研究过程中能及时的发现错误并提出改进方案，同时黄老师的研究成果与指导意见帮助我在迷茫时摆脱困境，黄老师严谨的学术思维、端正的学术态度也是我学习的榜样，指导我不断进步。

　　再次衷心的感谢黄昔光老师的辛苦付出与谆谆教导。

　　感谢苏海军教授在课题研究过程中的指导意见，一些关键技术的分享，在一些研究思路上给予建设性的意见，苏教授的研究成果与学术论文也帮助我解决了很多困难，使我受益匪浅。

　　在此感谢实验室的马朝阳师兄、刘聪聪师兄、杨子强师兄、邢玉奇师姐对我的帮助，李晓然、齐梦雷、吴一帆、张亮、张琪师弟师妹们以及同窗刘东裕，在这三年中对于我科研工作与论文撰写的支持，共同营造了一个和谐的实验室氛围，感谢任梦琪同学在研究生期间对我的默默支持，从而度过了难忘的三年研究生生活。

　　最后感谢我的父母，在这三年里默默地站在我的背后，给予了我极大的支持，让我能顺利完成三年学业，感谢他们的付出。

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