摘要
软体机器人具有柔顺性、高环境适应性和交互安全性等特点，成为机器人领域的研究热点。软体手是软体机器人应用的一个典型代表，但采用纯软体材料制造的软体手负载能力弱和抓取稳定性差，限制了其使用。由此，本文设计了一种弹簧增强的刚柔耦合气动软体手（下文简称耦合软体手），提高了手负载能力和抓取稳定性。论文从耦合软体手结构设计与制造、单根手指的数学建模与有限元仿真分析、系统设计和实验研究六个方面进行研究，主要研究内容如下： 通过将弹簧与气动软体手指进行耦合，设计了一种刚柔耦合的软体手指，该手指借助弹簧的被动拮抗机制提升了自身的刚度，从而负载能力和稳定性得到强化。完成了一种三指抓取直径可调的耦合软体手的模块化设计，可实现手指的快速安装与拆卸，以及通过更换不同刚度的弹簧来满足软体手的应用需求。 基于Yeoh本构模型和手指的结构特点对耦合软体手指变形进行研究，分析了各组件间的能量变化与传递，最后根据能量守恒定律建立耦合软体手指工作状态下的力学模型，从而探明手指弯曲角度与气压的数学关系。 使用ABAQUS软件对单根耦合软体手指进行了弯曲变形和力学特性的有限元仿真分析，并研究了主要结构参数对手指弯曲特性的影响。分析对比耦合软体手指与软体手指在不同气压下的弯曲特性，并具体研究了容易出现应力集中部位的应力分布情况，从而确定最大应力易发生的部位。通过控制变量法，初步揭示了耦合软体手指的三个结构参数（侧壁壁厚a、气室间距δ、弹簧线径d）对其弯曲特性的影响。 搭建了软体手气动控制平台。分别对两种手指进行了弯曲性能、指尖负载及手指刚度的测试，并进行对比分析，结果表明，随着弹簧刚度的增加，负载能力的增强效果越明显。分别测试了两种软体手在不同气压下的最大抓取力，结果表明，弹簧线径0.8mm的耦合软体手的抓取力大约是同参数纯软体手的1.5倍。 最后，对生活中常见的物品进行了抓取实验，验证了该机器手软具有很强的抓取适应性，可以实现对不同质量、形状、尺寸和材质物体的稳定抓取。
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