PDMS_PTFE限制层材料软体机械手设计与性能试验.pdf

2023年10 月第54卷第10 期农报学机械业doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2023.10.045PDMS/PTFE限制层材料软体机械手设计与性能试验朱银龙杨梓康赵虎王旭刘英（南京林业大学机械电子工程学院，南京2 10 0 37）摘要：为抑制软体驱动器弯曲过程中的不必要变形，提高软体机械手抓取能力，提出一种限制层材料为PDMS和PTFE混合制备的软体机械手。通过调整PDMS和PTFE之间的质量比来改变限制层刚度，进而改变软体机械手的弯曲角度。考虑到软体机械手工作时，应变层变形远大于限制层，采用Yeoh和Neo-Hookean形式的应变能方程表述应变层和限制层材料力学行为。基于模型和力矩平衡原理建立软体驱动器弯曲角度数学模型，进而研究限制层材料和结构参数对软体机械手弯曲性能的影响。利用单轴拉伸试验获取不同质量比的PDMS和PTFE混合制备的限制层样品应力应变曲线，并拟合获取Yeoh模型材料参数，进而进行有限元仿真分析，确定限制层材料的最佳比例。对不同限制层材料制成的驱动器进行弯曲角度测试，试验结果与理论分析偏差在5%以内，验证了数学模型的准确性。同时，驱动器的末端力测试结果表明，限制层PDMS/PTFE质量比为8：1的驱动器明显优于纯硅胶软体驱动器，最大末端力可达2.45N。使用软体机械手对多种物品进行抓取试验，其最大抓取质量达42 0.g。关键词：软体机械手；驱动器；有限元仿真；弯曲特性；限制层材料；PDMS/PTFE中图分类号：TP241文献标识码：A文章编号：10 0 0-12 9 8（2 0 2 3）10-0 441-0 9OSID：告Influence Analysis of PDMS/PTFE Limiting Layer Material onGrasping Performance of Soft ManipulatorsZHU YinlonggYANG ZikangZHAO HuWANG XuLIUYing(College of Mechanical and Electronic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)Abstract:To suppress unnecessary deformation during the soft actuators bending and improve the softmanipulators gripping ability,a soft manipulator with limiting layer materials of PDMS and PTFE wasproposed.The stiffness of the limiting layer can be changed by adjusting the mass ratio of PDMS andPTFE,which directly affected the bending angle of the soft manipulator.Considering that the deformationof the strain layer was much larger than that of the constraint layer when the soft manipulator worked,Yeoh and Neo-Hookean form of strain energy function were used to describe the mechanical behavior ofthe strain layer and the constraint layer respectively.Based on the above models and the principle oftorque balance,a mathematical model of the bending angle of the soft actuator was established,and thenthe influence of the material of the limiting layer and actuator structural parameters on its bendingperformance was investigated.The stress-strain curve of the limiting layer sample made of PDMS andPTEE with different mass ratios was obtained by uniaxial tensile test,and the material parameters of theYeoh model were fitted,and then finite element simulation analysis was carried out to determine theoptimal proportion of the restricted layer material.Finally,the bending angle of the actuators made ofdifferent limiting layers was tested,and the deviation between experimental results and theoreticalanalysis was within 5%,verifying the mathematical models accuracy.The end force test results showedthat the actuator with the PDMS/PTFE ratio of 8:1 was better than that of pure silicone soft actuator,andthe maximum end force can reach 2.45 N.Using a soft manipulator for grasping experiments on variousitems,the maximum grasping mass was 420 g.Key words:soft manipulator;actuator;finite element simulation;bending characteristics;materials forlimiting layer;PDMS/PTFE收稿日期：2 0 2 3-0 5-18 修回日期：2 0 2 3-0 7-17基金项目：国家自然科学基金项目（5130 52 0 9）、江苏省高等学校自然科学研究项目（18 KJA4600050、2 1K JB46 0 0 10）、江苏省“六大人才高峰 高层次人才项目（CDZB-024）和机器人学国家重点实验室开放项目（2 0 18-0 16）作者简介：朱银龙（19 8 1一），男，副教授，博士，主要从事机器人与智能农业装备研究，E-mail：y l z h u n j f u.e d u.c n通信作者：刘英（19 6 5一），女，教授，博士生导师，主要从事人工智能、机器人应用与农产品检测研究，E-mail：l y i n g _ n e w 16 3.c o m2023年农机报学业442械0引言软体机器人是一个新兴的研究领域1-2】，主要采用柔性材料制作，具有良好的环境适应性，可以替代传统的刚性机器人完成某些特定工作，在医疗康复、救援勘探、果蔬采摘等领域有着广阔应用前景3-4。软体机械手是软体机器人的一个重要分支，相比于传统的刚性机械手，具有更好的人机交互性5-7 。应用于农业生产领域的夹持和搬运作业时，可有效提升农业生产力。常见的软体机械手采用气压驱动，一般由两个及以上软体驱动器构成18-9 。气动软体驱动器主要有气动网格型和纤维增强型两种1o-2。气动网格型驱动器，具备响应速度快、负载能力高、环境适用性强等特点点13-17 。但气压较高时，驱动器在径向方向上会产生膨胀，影响驱动器弯曲性能。近年来，学者采用各种方法如通过纤维缠绕驱动器或加人纸张等材质制造变刚度层以提高软体机械手变形能力18-2 3。李健等2 4 设计的草莓单指采摘软体抓手，对单指抓手的上下端面进行锯齿状处理，优化了弯曲过程中产生的褶皱现象，在维持一定支撑力的同时，提升了软体机械手的弯曲能力。武兆平等2 5 提出了一种嵌人铰链连接刚性单元作为内骨骼的柔性抓手，极好地兼顾了刚性和柔顺性，增强了抓手的形状适应性和抓取能力。郭钟华等2 6 受草本植物茎与花冠结构启发，设计了一种螺旋状抓手的夹持器，通过逐个腔室嵌人筋板的方式提高了抓手的末端输出力。JIANG等2 7 设计的链式干扰软体机械手，其内部嵌人链状颗粒结构，且整个硅胶弹性体外部被纤维线包裹住，限制机械手的径向变形，增强抓取能力。BERNAT等2 8 设计的一种磁流变两指软抓手，使用硅胶、铁粉等制成磁流变弹性体抓手，通过磁场作用控制抓手的开合，其优点之一是在不受外部刺激时可以保持闭合状态。GAO等2 9 设计了一种由变刚度柔性驱动器组成的抓手，可以对驱动器施加负压，提高了层状结构间的摩擦力，阻碍层与层之间的相对运动，从而增加刚度和承载能力。然而这些方法都存在一些问题，比如：纤维和纸张都是非超弹性材料，无法和驱动器本身完全贴合，在整体充气变形过程中，材料之间容易发生错动，同时容易导致结构复杂。本文提出一种限制层材料为PDMS、PT FE的软体驱动器。通过调节两种材料的质量比，改变软体驱动器的刚度，进而改变软体机械手的抓取能力。基于Yeoh、Ne o-H o o k e a n 模型和力矩平衡原理建立软体驱动器弯曲角度与气压之间的数学模型。根据该模型，分析驱动器限制层材料和结构参数对弯曲角的影响。利用有限元仿真分析得到限制层材料的最佳质量比。对不同限制层材料的驱动器进行弯曲性能测试，以验证理论模型的准确性。1软体机械手结构设计、制作及建模1.1软体机械手结构设计气动软体机械手由安装底座和3个软体驱动器组成，每个驱动器根部连接着气管，通过夹具圆周固定在安装底座上，整体结构如图1所示。该软体驱动器拥有良好的灵活性和刚度，组装成的软体机械手更容易抓取物体，且不易损坏物体的表面。气管基座夹具5软体驱动器图1软体机械手整体结构图Fig.1Overall structure of soft hand manipulator气动软体驱动器作为主要承力部分，结构由应变层和限制层构成，灰蓝色部分为应变层，深蓝色为限制层。上部应变层是半圆形多腔室状结构，间隙部分为矩形腔道，下部限制层为厚度均一的平板状结构。内部腔室互相独立均匀排列，并由限制层将应变层封闭连接一体，整体通过驱动器根部的气管进行充放气。其半圆形腔室截面如图2 所示，R、h、r、t 分别为截面半径、截面高度、截面壁厚以及驱动器限制层厚度Ra图2腔室截面图Fig.2Section ofchamber1.2软体驱动器制作流程为了对软体驱动器进行试验验证，根据以上分析得到的结构和材料参数，对软体驱动器进行实物制作，本文均采用软材料固化成型法进行制作，制作流程如图3所示1.3软体驱动器弯曲变形数学建模为了描述软体驱动器弯曲角度和充气压力之间的关系，需要对其运动特性进一步分析，并建立驱动长度式中其中443朱银龙等：PDMS/PTFE限制层材料软体机械手设计与性能试验第10 期(a）打印模具(b）制作硅胶和(c）倒人模具(d）真空干燥(e）脱模取出(f）软体驱动器PDMS混合液图3软体驱动器制作流程图Fig.3Flowchartof soft actuatorproduction器变形的理论模型。当对软体驱动器输人气压P，腔室的应变层发生膨胀变形，而底部限制层轴向应变较小使得驱动器向下均匀弯曲运动，基于此变形特点，采用分段常曲率模型来求解。即假设每对腔室的弯曲曲率恒定，各个独立腔室弯曲后的圆弧段连接组成整个驱动器的弯曲圆弧段。每对腔室对应一个弯曲角，驱动器弯曲角为0/2，建立的弯曲模型如图4所示，包括几何关系L=Lo+ALLo(1)aLAL=OAH式中L。驱动器未变形状态初始长度L驱动器充气变形后的轴向长度，该长度与距限制层底面高度有关AL驱动器变形前后的长度变化量AH驱动器水平方向截面相对于底面的偏移距离驱动器变形状态下的弯曲圆心角a一对腔室对应的长度MLAH图4变形前后软体驱动器示意图Fig.4Schematic of soft actuator before and after deformation软体驱动器变形时，应变层变形远大于限制层。另外，软硅胶是一种大变形不可压缩材料，采用Yeoh形式的应变能密度函数描述应变层力学特性，其简化的典型二项参数形式为其中式中中W一应变能密度函数W=Co(I,-3)+C2o(I,-3)2(2)1,=入+入2+入3入1入2/入3轴向、径向和厚度方向主拉伸比CioC20硅橡胶材料的Yeoh模型材料参数，由拉伸试验数据拟合确定主应力可由应变能函数对主伸长比求偏导数得到，为W大=2 入.Clo+2C(1,-3)-六入证入证(i=1,2,3)(3)式中应变层各方向上的拉伸比P静水压力，可通过不可压缩条件确定在驱动器弯曲变形过程中，假设应变层在径向方向上没有变形，所以存在径向拉伸比入2 为1，对应其径向应力2u为0。因此，由式（3）可得静水压力p为p=2入2 Co+2C20(I,-3)(4)由于材料的不可压缩假设和径向应变被忽略，驱动器弯曲变形时，硅胶层的厚度将减小。如果轴向拉伸比入1为入，则对应的应变层周向拉伸比入3为1/入。同时考虑到周向应力3远小于轴向应力Qu，可计算出轴向应力为应变层唯一主应力从Yeoh模型中可以得到应变层轴向应力与轴向应变的关系为,=(-.)C+C(1-3(5)入,=L,/L。=(Lo +O h )/LoL软体驱动器应变层充气变形后的轴向h腔室应变层截面与限制层上表面之间的距离应变层截面上产生的应力Neo一Hooken模型主要适用于小应变变形，符合软体驱动器限制层的变形特性，因此针对限制层用Neo-Hooken模型。其应变能密度函数W为W=L(1,-3)(6)2式中一材料初始剪切模量，由应力应变拉伸试验确定假设限制层径向应变忽略不计，同样有径向拉伸比入2 a为1。考虑到限制层的拉伸范围较小，其径向应力2 a显著小于id。因此，la被认为是限制层唯一不消失的主应力，以后记为d。假设在驱动器J1其中农2023年444机报学业械限制层厚度方向有一个消失应力（即3u=0)30可通过式（6）推出驱动器限制层关于NeoH o o k e n模型的轴向应力与轴向应变关系为dd入d(7)a入d入入a=L,/L。=(L。+O t )/Lo式中L2一软体驱动器限制层充气变形后的轴向长度腔室限制层截面与点0 之间的距离限制层截面上产生的应力由软体驱动器充气变形可知，充气压力P对腔室末端边界存在驱动力矩Mp。驱动器自身受力如图4所示，应变层部分应力产生阻力矩M。，驱动器限制层部分应力a产生阻力矩M。假设驱动器弯曲过程中，腔体截面的应变层和限制层所受应力分别保持一致。软体驱动器平衡状态可通过M，=M。.+M.,表示。充气压力P作用的驱动力矩为M.2PR(h+t)dh+0R2P(Rsin+h+t)RddR(8)式中R腔室圆心至腔室边缘的距离应变层气压作用点与腔室直径夹角驱动器应变层部分阻力矩为M.2g,R(h+t)dh+二0R+T2g,(Rsin+h+t)RddR(9)R驱动器限制层部分阻力矩为Ma2g,(R+r)tdt(10)a.d0由式（8）（10）可得充气压力P与软体驱动器弯曲角0/2 之间的关系为P=,4+3m(h+t)J(R+r)3-R+60,(2t+h)rh+6g,(R+r)?4R3+3(h+t)R+6R(h+2ht)(11)设置气压范围为0 40 kPa，将限制层材料参数和结构参数r、t、R、h、Lo 代人式（11），利用Matlab求解得到不同参数对软体驱动器弯曲性能的影响，结果如图5所示。由图5a可见,Neo-Hooken模型中所用的材料初始剪切模量直接影响软体驱动器的弯曲角。当100r120元9090=1.3MPa110壁厚度1.5mm80限制层厚度1mm一=1.9MPa100壁厚度2.0 mm限制层厚度2 mm80=2.5MPa90壁厚度2.5mm70限制层厚度3mm708060（。）/甲鼻（。）/电甲泉（。）/电甲泉60705050605040404030303020202010101011051015202530 354005101520253035400510152025303540气压/kPa气压/kPa气压/kPa(a)(b)(c)70110120腔室直径2 7 mm100腔室高度7.5mm110初始长度6 0 mm60腔室直径2 5mm90腔室高度6.5mm100初始长度8 0 mm腔室直径2 3mm腔室高度5.5mm90初始长度10 0 mm5080（。）/甲泉（）/电甲泉80(。）/甲皇70407060603050504040203030102020101005101520 2530 35400510 1520253035400510152025303540气压/kPa气压/kPa气压/kPa(d)(e)(f)图5不同结构参数和限制层材料的软体驱动器理论弯曲角Fig.5Theoretical results of bending properties of soft actuator structure parameters and limiting layer materials较小时，说明限制层材料易拉伸、刚度较低。图5b、5c 表明，较小的腔室壁厚r和限制层厚度t，无法抑制驱动器内部气压，导致整体更容易弯曲。由图5d、5e 可见，随着腔室直径R和腔室高度h的增大，气体作用在腔室截面上的表面积相应增大，有利于驱动器弯曲。由图5f可见，驱动器长度对驱动器的弯曲影响较大。在同一气压情况下，L。与弯曲角成正比。根据理论分析结果确定软体驱动器结构参数，如表1所示在不改变结构参数条件下，通过改进限制层材445朱银龙等：PDMS/PTFE限制层材料软体机械手设计与性能试验第10 期表1车软体驱动器结构参数Tab.1Geometrical parameters of soft actuator参数数值软体驱动器初始长度Lo/mm80软体驱动器截面半径R/mm10.5独立的腔室数量几7软体驱动器腔室壁厚度r/mm2软体驱动器腔室高度h/mm5.5软体驱动器底层厚度t/mm2总体尺寸LWH/（m m m m m m）802522总质量G/g29料来提升软体驱动器的性能2软体驱动器有限元分析硅胶材料的本构模型采用唯象模型表述材料的应力与应变关系，通过单轴拉伸试验获取材料参数。使用DragonSkin20制作软体驱动器的应变层，根据文献 31获得DragonSkin20硅胶材料在Yeoh模型中的材料参数C1o=0.11、C2 0=0.0 2。考虑到高气压下，硅胶材料的限制层极易产生不必要的气球效应，因此需要一种变形小、刚度大的材料进行改进。选择聚二甲基硅氧烷（PDMS）制作限制层。但是，DragonSkin20的应变层与PDMS的限制层粘合性较差。借鉴以往研究 32 ,在PDMS中加入一定比例碳基材料可以获得良好的柔性敏感材料。尝试在PDMS中掺杂聚四氟乙烯（PTFE）来增强与硅胶材料的粘合性。针对不同质量比例PDMS/PTFE制作的哑铃状拉伸样品，通过多次单轴拉伸试验，找出2 种材料的最佳质量比。拉伸样品采用GB/T528一2 0 0 9 中哑铃状2 型尺寸，如图6 所示。依据GB/T5282009选取试验机拉伸速率500mm/min，试验数据显示限制层材料应力与应变呈近似线性关系。拉伸样品PDMS:PTFE=8:1PDMS:PTFE=4:1PDMS(a）拉伸试验机(b）拉伸样品图6拉伸试验机与拉伸样品Fig.6Tensile testing machine and tensile sample图7 为不同质量比样品的拉伸应力-应变曲线，当限制层采用纯PDMS时（预聚物与固化剂质量比为5：1），材料刚度相对较小，在应变超过0.58，未掺杂PTFE的样品应力出现陡降，原因是样品被拉断失去张紧力，力瞬间下降。应变相同时，PDMS/PTFE质量比8：1的样品应力大于PDMS/PTFE质量比4：1的样品。可见，在PDMS中加人PTFE可改变限制层材料刚度，采用质量比8：1的PDMS/PTFE限制层满足抑制软体驱动器限制层膨胀的要求4.0PDMSPDMS:PTFE=8:13.5APDMS:PTFE=4:13.02.52.01.51.00.500.20.40.60.8应变图7应力与应变拉伸试验结果Fig.7Results of stress and strain tensile test使用ABAQUS软件对3种质量比的样品进行评估，得到在Neo-Hooken模型下的材料属性。纯PDMS的限制层材料Ci。为0.6 6 7。质量比8:1和4：1的Cio分别为0.9 6 2、0.8 41。使用SolidWorks软件建立三维模型并导人ABAQUS，接着将得到的限制层材料参数导人到有限元模型中，得到气压0 40kPa下PDMS/PTFE质量比对软体驱动器弯曲性能的影响，结果如图8 所示。9080PDMSPDMS:PTFE=8:170PDMS:PTFE=4:1-Dragon Skin 2060（。）/博甲50403020100510152025303540气压/kPa图8软体驱动器性能对比Fig.8Performance comparison of soft actuator由图8 可知，随着气压增大，未使用PDMS/PTFE限制层材料的软体驱动器，整体弯曲趋势逐渐降低。在气压2 0 kPa下，4种限制层材料软体驱动器弯曲性能差异最大。软体驱动器限制层优化前后仿真对比如图9 所示。图9 a为气压取40 kPa时Yeoh模型的纯硅胶软体驱动器弯曲状态仿真，在内部压力下径向膨胀较大，充气前后限制层底面偏移尺寸为7.38 mm。纯硅胶软体驱动器内部无法承受较大气压，其整体径向变形严重，出现明显的气球效应。单独对软体驱农2023年446报学机业械硅胶材料硅胶材料弹性材料mmmm105.10100.1096.3492.6687.5884:2328.8275.8178:8767.3958:9638.544.62mm7.38 mm16:858.423(a)纯硅胶(b）混合材料图9软体驱动器优化前后的仿真对比Fig.9Simulation comparison of soft actuator beforeand after optimization动器的限制层使用Neo-Hookean模型，材料参数Cr。设置为0.9 6 2，图9 b为气压取40 kPa时优化软体驱动器弯曲状态仿真，充气前后底面偏移尺寸为4.62mm。仿真结果表明，PDMS/PTFE质量比8：1的样品限制层有较高的初始剪切模量，可以有效约束驱动器限制层膨胀，从而提升性能。3软体机械手试验3.1试验平台搭建气动软体驱动器控制系统主要包括气路系统和电路系统，其原理如图10 所示。系统由压力泵、油雾分离器、单片机、比例阀、电磁阀等部件组成。其中，气路系统实现对驱动器腔室的充放气，电路系统则控制各个气动元件。试验中，通过空气压缩机、油雾分离器过滤干燥压缩空气，并调节减压阀气体压力至50 kPa，以免充人气压过高，破坏软体驱动器。选取计算机作为上位机，利用LabView图形化编程软件制作控制界面，通过单片机串口对下位机发送指令，控制两位三通电磁阀的通断，气体充人软体驱动器，使其弯曲，并使用电气比例阀控制气压。单片机Stm32D/A转换放大器运算三级管8放大电路2图10软体驱动器试验原理图Fig.10Principleof softactuatortest1.气源2.油雾分离器3.减压阀4.电磁阀5.电气比例阀6.软体驱动器7.继电器8.上位机根据图10 试验原理搭建平台，如图11所示。试验中，将驱动器整体固定在坐标纸上，通过单片机控制比例阀气压，从而控制软体驱动器在气压0 40kPa范围内弯曲运动图11软体驱动器试验平台Fig.11Soft actuator test platform3.2驱动器弯曲角试验通过坐标纸，每5kPa记录一次不同限制层材料驱动器的弯曲角度，气压0 40 kPa下4种不同限制层材料的软体驱动器试验结果如图12 所示。针对限制层材料为PDMS的软体驱动器进行弯曲角试验，当充入气压超过40 kPa时，驱动器应变层和限制层结合处发生破裂，无法承受较大气压。在气压30 40 kPa区间，纯硅胶软体驱动器弯曲性能逐渐减弱，其内部气体大部分消耗在驱动器的膨胀。而PDMS/PTFE限制层的软体驱动器的弯曲角度近似线性增大。将限制层PDMS/PTFE质量比为8：1的驱动器试验结果与理论结果、有限元仿真进行对比，如图13所示。其结果可见，不同气压的作用下，驱动器的理论值和试验值较为吻合。理论、仿真与试验的变化趋势大致相同，三者数据最大偏差不到5%，但在压力超过15kPa后，仿真、试验结果渐渐低于理论结果。原因为驱动器应变层硅胶材料在承受较大气压时出现径向变形现象，导致仿真、试验弯曲角较小。10090PDMS:PTFE=8:1PDMS:PTFE=4:180-PDMS70-Dragon Skin 20（。）/甲显605040302010051015202530 3540气压/kPa图12不同气压下4种软体驱动器的弯曲性能曲线Fig.12Bending performance of four kinds of softactuators under different air pressures3.3最大末端力试验软体机械手对物体的稳定抓取，需要每个软体驱动器能够保持稳定的末端力，所以对4种驱动器分别做最大输出力试验。为了准确地测量驱动器的末端力，将FGJ-5型数字测力仪(0.0 1N)与未充气447朱银龙等：PDMS/PTFE限制层材料软体机械手设计与性能试验第10 期10090试验值仿真值80一理论值70(。）电甲泉605040302010一510152025303540气压/kPa图13理论、仿真与试验的弯曲角度对比Fig.13Comparison of bending angle between theory,simulationandtest的驱动器末端垂直相连并固定在平台上，每5kPa记录一次测力计的数值，如图14所示。结果可知，限制层PDMS/PTFE质量比为8：1的驱动器末端力最大，气压40 kPa下，可达2.45N，与纯硅胶驱动器相比 33，相同气压下末端力最大可提升0.6 7 N。2.502.25-PDMS:PTFE=8:1-PDMS:PTFE=4:12.00-PDMS1.75-DragonSkin20N/4U?1.501.251.000.750.500.250510152025303540气压/kPa图14不同气压下软体驱动器的最大输出力Fig.14Maximum output force of soft actuatorunderdifferentairpressures3.4实物抓取试验抓取能力是评判机械手性能的重要标准，抓取方式有指尖抓取和包络抓取，如图15所示。指尖抓取只能简单地接触物体表面，其抓取能力取决于驱动器的输出力和驱动器与物体之间的接触面状态。由于接触面积小，接触面摩擦力很难与物体自身重力平衡，因此指尖抓取能力只能针对体积和质量较小的物体。包络抓取时，物体与驱动器的接触面积较大，且驱动器的末端输出力直接抵抗物体的自身重力，适用于抓取体积、质量较大的物体。(a）指尖抓取(b）包络抓取图15指尖抓取和包络抓取测试Fig.15Fingertip grasp and envelopegrasp test选择限制层PDMS/PTFE质量比为8：1软体驱动器组成软体机械手。为了验证气动软体机械手两种抓取方式的可行性，选择不同形状、大小的物体进行抓取试验。如图16 所示，将制作的3个软体驱动器通过法兰盘组合一体，并安装在DOBOTMagician机械臂上，调节比例阀气压控制机械手抓取猕猴桃、橙子、酸奶、洁面乳。(a）猕猴桃(b)橙子(c)酸奶(d）洁面乳图16软体机械手抓取试验Fig.16Soft manipulator grasping test由于被抓物体的形状、大小、表面粗糙度不同，直接影响软体机械手的抓取试验结果。图16 a、16 b为指尖抓取方式抓取，两种水果质量接近，但是猕猴桃比橙子表面粗糙，软体机械手易于指尖抓取起猕猴桃，充人气压分别为14、18 kPa。图16 c、16 d 为包络抓取方式。为了消除物体外在特征对抓取结果的影响，选择以抓码的方式确定软体机械手的最大负载能力，如图17 所示。通过控制比例阀输出气压，每10 kPa软体机械手分别以指尖抓取、包络抓取的方式抓住载物盘，载物盘中加装有不同质量的码，直至其与机械手发生滑移，最终测出在气压040kPa下软体机械手的负载能力，其抓取质量如表2 所示图17气动软体机械手负载能力试验Fig.17Load capacity test of pneumatic soft manipulator农2023年448报学机业械表2抓取质量与所需气压Tab.2Grab mass and required air pressure充气压力/kPa质量/10502015030370404204结论（1）基于Yeoh模型、Neo-Hooken模型、力矩平衡原理建立了驱动器弯曲角度与充气压强之间的理论模型，分析了限制层材料及结构参数对其弯曲性能的影响，并将理论结果与有限元仿真值、试验值对比验证，偏差在5%以内，结果说明理论模型具有较好的准确性。（2）对不同质量比的PDMS/PTFE混合材料进行研究，结果表明PDMS/PTFE质量比8:1的材料弹性模量大，不易拉断，适宜制作驱动器的限制层。利用ABAQUS对软体驱动器进行有限元分析，仿真结果表明，限制层材料为PDMS、PT FE的软体驱动器，径向膨胀现象不明显，整体刚度大，提升了高气压下的弯曲性能。（3）搭建测试软体驱动器的试验平台，得到不同气压下4种驱动器的最大输出力。结果表明，采用PDMS/PTFE限制层的软体驱动器输出力最大，相比于纯硅胶驱动器，输出力最大可提升0.6 7 N。选择该型驱动器组成三指软体机械手，完成指尖、包络方式抓取物体，并利用抓码的方式测试出机械手的最大负载能力。限制层PDMS/PTFE质量比8：1的软体驱动器极大提升了机械手的抓取性能。参考文献1杨妍，刘志杰，韩江涛，等软体机械臂的驱动方式、建模与控制研究进展 J.工程科学学报，2 0 2 2,44（12）：2 12 4-2 137.YANG Yan,LIU Zhijie,HAN Jiangtao,et al.Overview of actuators,modeling,and control methods for soft manipulators J.Chinese Journal of Engineering,2022,44(12):2124-2137.(in Chinese)2LI Y T,CHEN Y H,YANG Y,et al.Passive particle jamming and its stffening of soft robotic manipulators 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