该研究报告了一种新型软体机器人夹持器，并详细展示了其设计、制造、实验验证及性能。这是一项原创性的研究，因此按照类型a的要求生成学术报告。
基于双模态包裹与刚度可调的新型高负载软体机器人夹持器研究报告
本报告介绍一项由Tete Hu, Xinjiang Lu*, Du Xu共同完成的研究，其通讯作者单位为中南大学机电工程学院与高性能复杂制造国家重点实验室（中国，长沙）。该研究成果以题为《A dual-mode and enclosing soft robotic gripper with stiffness-tunable and high-load capacity》的学术论文形式，发表于《Sensors & Actuators: A. Physical》期刊第354卷（2023年，论文编号114294），并于2023年3月7日在线发表。
一、 研究背景与目标
本研究属于软体机器人（Soft Robotics）领域，具体聚焦于软体夹持器（Soft Robotic Gripper）的研发。软体机器人因其大变形、优良的柔软性、对不规则形状的良好顺应性、对复杂环境的高适应性以及与人类协作的高安全性等优点，成为机器人领域的研究热点。其中，受生物启发的软体夹持器是实现与环境交互、完成抓取任务的最常用和最重要的工具之一。
一个性能优良的软体夹持器通常期望具备多种抓取模式、可变刚度（Variable Stiffness）和高负载能力，以适应各类目标物体。然而，现有的大多数软体夹持器通常只有一种抓取模式，且难以同时具备可变刚度和高负载能力。例如，传统指状软体夹持器因接触点产生的反向力而难以实现稳定顺应抓取和高负载；而现有的包裹式软体夹持器虽然增大了接触面积，但往往仅具备单一抓取模式，且负载能力有限或缺乏刚度调节功能。因此，开发一种集双抓取模式、刚度可调和高负载能力于一体的包裹式软体夹持器，对于拓展其应用场景至关重要。
本研究旨在设计、制造并验证一种新型的无指（fingerless）软体机器人夹持器。其核心目标是集成两种抓取模式（基于收缩的抓取和基于吸附的抓取），并实现刚度可调和极高的负载能力，从而能够自适应、稳定地抓取形状、大小、刚度和重量差异巨大的各类物体。
二、 详细研究方法与流程
本研究是一个完整的“设计-制造-表征-验证”流程，包含以下主要环节：
1. 夹持器的结构设计与工作原理 研究者设计了一种独特的“双闭环环形结构”。夹持器原型由两个集成的封闭环形结构组成：外侧是一个气动软体收缩驱动器（Pneumatic Soft Contraction Actuator），内侧是一个基于颗粒阻塞（Particle Jamming）的刚度可调包。具体而言： * 收缩驱动器：位于外侧，被分为四个独立的驱动腔室。每个腔室通过空气压缩机充气，产生径向膨胀运动，从而提供抓取力。为了限制驱动器外壁的周向过度膨胀，设计了带有中空结构的柔性PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）约束层；同时，采用更硬的硅橡胶作为不可延伸层，限制夹持器顶部和底面的变形，以增强其膨胀能力。 * 刚度可调包：位于内侧紧贴抓取物体的一侧，同样分为四个阻塞腔室，松散地填充有颗粒（实验中使用了直径2、3、4毫米的球形颗粒）。该包通过真空泵抽气，当颗粒在负压（阻塞压力）下被紧密压在一起时，其刚度显著增加，实现夹持器的刚度增强和高负载抓取。 * 抓取原理：抓取过程分为两个阶段。第一阶段，仅向驱动器施加驱动压力，使其膨胀并轻柔地包裹物体，此时刚度包处于柔软状态，使夹持器能高度顺应物体形状。第二阶段，在保持驱动压力的同时，向刚度包施加负压（阻塞压力），使颗粒阻塞，大幅提升夹持器整体刚度，从而牢固抓取并提升重物。 * 吸附抓取模式扩展：为实现对平面物体的吸附抓取，研究者在夹持器底部开口处增加了一层唇边（Lip）。当夹持器内部空间被抽真空时，唇边在压力差作用下向下弯曲与平面接触形成密封，从而产生吸附力。
2. 性能表征实验流程 为全面评估夹持器性能，研究团队进行了一系列系统的实验，每种实验都明确了研究对象、测试条件和数据采集方法。
2.1 收缩抓取模式下的性能表征 此部分研究旨在量化夹持器在收缩抓取模式下的核心性能参数，包括抓取范围、抓取力、刚度调节能力，并探究物体尺寸与形状的影响。 * 研究对象：主要使用定制的T形圆柱体作为标准测试物体，同时也测试了圆柱体、不规则多面棱柱、长方体、半圆柱体和三棱柱等多种3D打印的树脂物体。对于抓取范围和基本抓取力测试，制造了三个仅颗粒直径不同（2, 3, 4 mm）的夹持器原型。 * 抓取范围表征：测量夹持器中央空腔内接圆直径随驱动压力（0-30 kPa）的变化。实验方法是在不施加阻塞压力的情况下，仅改变驱动压力，通过图像分析测量内接圆直径。此实验量化了夹持器的开合能力。 * 抓取力表征：测量夹持器抓取物体时，将物体拉出所需的峰值拉力。实验方法是将夹持器安装在工业机械臂上，抓取T形物体，然后通过力传感器沿轴向拉动物体，记录拉力-位移曲线，峰值即为抓取力。测试在不同驱动压力（10, 20, 30 kPa）和不同阻塞压力（0 至 -80 kPa）组合下进行，并比较了不同颗粒直径的影响。 * 刚度调节性能测试：量化夹持器刚度随阻塞压力的变化。实验方法与抓取力测试类似，但在固定驱动压力下，测量在不同阻塞压力水平下，将物体拉出一定位移所需施加的力。通过力-位移曲线的斜率来表征刚度。 * 物体尺寸与形状影响研究：针对尺寸，使用一系列一端直径固定（50 mm）、另一端直径不同（20-50 mm，间隔5 mm）的T形圆柱体进行抓取力测试。针对形状，对前述五种不同形状但最大尺寸均为50 mm的物体进行抓取力测试，比较其峰值拉力。
2.2 吸附抓取模式下的性能表征 此部分研究旨在量化夹持器在吸附模式下的性能。 * 研究对象：具有平坦表面的物体。 * 实验方法：在夹持器底部增加唇边结构后，将其吸附在平坦表面上。通过改变施加在内部封闭腔室的真空压力（0 至 -40 kPa），测量将物体垂直拉下所需的峰值吸附力。
2.3 多功能抓取实验验证 此部分为应用演示实验，旨在直观展示夹持器在真实场景中的多功能性和强大性能。 * 研究对象：日常生活中常见的大量物体，涵盖了脆弱（鸡蛋、荔枝）、轻质（一次性塑料杯，2克）、不规则（西红柿、剪刀）、刚性（铝合金零件、气动阀）、锋利（削皮刀）以及重型（水瓶、铁支架、成捆配重块等）等多种属性。 * 实验流程：进行完整的“抓取-提起-移动-放下”操作。实验内容包括：收缩模式抓取各种物体；人机协作交互（从操作员手中接取和递送物体）；以不同姿态抓取物体；抓取并提起重物（如洗衣液瓶、水桶）；以及展示其高负载能力——抓取T形连接器提起18公斤水桶、23公斤铝锭、31公斤和36.5公斤的配重块。同时，也展示了吸附模式抓取各种材料（塑料、玻璃、木材）和重量（最高16公斤塑料储物箱）的平面物体。
3. 数据分析流程 研究中的数据多为直接的物理量测量值（直径、力、位移、压力）。数据分析主要基于图表进行： * 关系曲线绘制：例如，内接圆直径 vs. 驱动压力；峰值抓取力 vs. 阻塞压力/驱动压力；力 vs. 位移曲线。 * 参数提取与比较：从曲线中提取关键参数，如峰值拉力、力-位移曲线的斜率（刚度），并在不同实验条件下（不同压力、不同颗粒直径、不同物体尺寸/形状）进行比较。 * 机理解释：结合物理原理（如颗粒阻塞效应、密封原理、接触面积影响）对观察到的数据趋势进行解释。
三、 主要研究结果
1. 收缩抓取模式下的性能结果 * 抓取范围：内接圆直径与驱动压力呈负相关。在0 kPa时，内径为66 mm；在30 kPa时，可闭合至约15.5-18.1 mm（具体数值因颗粒直径略有差异）。实验证明颗粒直径对抓取范围影响有限。 * 抓取力与颗粒直径：在相同的驱动和阻塞压力下，颗粒直径越小，产生的峰值抓取力越大。这是因为更小的颗粒能更充分地填充阻塞腔室，更高的填充密度对抓取能力有积极影响。因此，后续实验均采用2毫米颗粒。 * 抓取力与压力：驱动压力和阻塞压力的增加都能显著增强夹持器的抓取能力。峰值拉力随二者压力增加而上升。 * 刚度调节性能：力-位移曲线显示，在所有测试的驱动压力下，刚度（曲线斜率）均随阻塞压力（负压绝对值）的增加而增加。定量分析表明，在驱动压力为10 kPa时，阻塞压力从0增加到-80 kPa，刚度从3.116 N/mm提升至6.356 N/mm，变化率超过2倍。这表明夹持器具有优秀的可变刚度能力，通过提高驱动压力和阻塞压力可以显著提升负载能力。 * 物体尺寸与形状的影响：对于T形物体，在固定一端直径的情况下，另一端直径越小，抓取力越大。这是因为形成了更大的径向接触台阶面积，需要更大的力才能将物体拉出。对于不同形状的物体，夹持器产生的抓取力差异显著。圆柱体由于与夹持器空腔形状最匹配、接触面积最大，抓取力最强；而具有更多侧面的棱柱体与空腔接触更充分，形成更多挤压区域，也表现出较强的抓取能力。这证明了夹持器对不同形状物体的高顺应性和适应性。
2. 吸附抓取模式下的性能结果 * 即使不施加真空压力，仅靠唇边接触形成密封时排出的部分空气，也能产生约28 N的吸附力。 * 吸附力与内部真空压力呈正相关。当内部压力降至-40 kPa时，可产生约177 N的峰值吸附力。
3. 多功能抓取演示结果 实验成功演示了夹持器能够： * 安全、自适应地抓取从2克塑料杯到36.5公斤配重块的庞杂物体。 * 实现稳定的人机交互协作。 * 以多种姿态操控物体。 * 通过收缩模式抓取桶边缘提起18公斤水。 * 通过吸附模式抓取不同材料的平面物体，并提起重达16公斤的负载。
这些结果连贯地验证了从结构设计（双环形结构、颗粒阻塞、唇边密封）到预期功能（双模式、可变刚度、高负载）的逻辑链条。抓取范围和基础抓取力测试确立了夹持器的工作边界和基本能力；刚度测试直接证明了其核心的可变刚度机制；物体尺寸形状影响分析深化了对性能的理解；而最终的多功能演示实验则是所有性能在复杂真实场景下的综合体现，强有力地支撑了研究的结论。
四、 研究结论与价值
本研究成功开发并验证了一种新颖的无指软体机器人夹持器。其主要结论是：该夹持器能高效产生双抓取模式（收缩包裹与真空吸附），成功实现了自适应抓取和鲁棒持握的能力。
其科学价值与应用意义在于： 1. 集成创新：巧妙地将气动收缩驱动器、颗粒阻塞可变刚度机制和唇边密封吸附结构集成于一个紧凑的环形设计中，为解决软体夹持器“高负载”与“高顺应性/可变刚度”难以兼得的矛盾提供了一种有效的解决方案。 2. 性能突破：实现了远超多数已报道软体夹持器的负载能力（收缩模式最高36.5公斤，吸附模式16公斤），同时保持了宽泛的物体适应性（任意形状、刚性）和显著的刚度调节范围（刚度变化率>2倍）。 3. 应用潜力：由于其安全性、高负载、多模式和高适应性，该夹持器在人机协作、工业生产线上分拣与操作、食品加工、深海探索（文中提及得到富钴结壳采矿项目支持）等需要处理不规则、易损或重型物体的领域具有广阔的应用前景。
五、 研究亮点
六、 其他有价值的内容
研究还提供了详细的制造流程（硅橡胶浇铸、PET激光切割、3D打印），并在补充材料中展示了具体步骤，具有良好的可重复性。此外，论文在引言部分对软体夹持器的不同驱动方式（气动、电活性聚合物、形状记忆材料等）、性能提升技术（新材料、可变刚度机制）以及现有包裹式夹持器的发展进行了较为全面的综述，为读者理解该研究的定位和贡献提供了清晰的学术背景。论文末尾附有作者简介和详细的参考文献列表，体现了研究的规范性和学术性。