本研究由Hongjie Zhang、Wenwen Liu、Ming Yu和Yanyan Hou共同完成，主要作者分别来自天津工业大学机械工程学院（Tianjin Key Laboratory of Modern Mechatronics Equipment Technology, School of Mechanical Engineering, Tiangong University）和天津城建大学计算机与信息工程学院、控制与机械工程学院。该研究于2022年5月20日投稿，同年7月8日被接收，7月13日发表于期刊《Sensors》（2022年，第22卷，论文编号5221），由MDPI出版。研究得到了国家自然科学基金（项目号52175110）和天津市研究生创新研究项目（项目号2021YJSS068）的资助。
该研究属于软体机器人（soft robotics）与气动抓取技术领域。软体机器人因其优良的顺应性（compliance）、环境适应性和人机交互安全性，在抓取、操作、移动和康复等应用中受到广泛关注。相较于刚性夹爪，软体夹爪在抓取易碎物体和活体方面具有明显优势。气动驱动方式因高功率质量比、低成本和控制简单而成为软体驱动器的主要驱动形式。常见的气动驱动器结构包括McKibben气动肌肉、纤维增强驱动器和气动网络驱动器（pneumatic network actuators, pneunets）。其中pneunets虽然易于制造且响应快，但由于其采用柔软弹性材料，承压能力与刚度不足，导致输出力较小，在构成软体夹爪时抓取不稳定。为提升输出力，已有研究通过增大接触面积或引入颗粒阻塞、刚性组件、尼龙腱等结构来增强刚度，但这些方法往往限制了pneunets的弯曲变形能力。基于这一矛盾，该研究提出一种新型双模块复合结构软体气动驱动器，由两种气动网络结构串联组成，目的是在提高输出力的同时尽量保留弯曲变形能力，并以此构建三指软体夹爪。
研究流程主要包括四个阶段：新型软体气动驱动器的结构设计、有限元分析（FEA）确定关键结构参数、驱动器制造与输出特性测试、以及三指软体夹爪的抓取性能测试。首先，作者提出了一种由根部模块（module I）和尖端模块（module II）组成的新型驱动器。module I采用慢速气动网络（slow pneumatic network, SPN），module II采用快速气动网络（fast pneumatic network, FPN）。SPN的腔室通过单一通道连接，外侧壁较薄，充气时外侧壁优先膨胀；FPN具有相邻腔室之间的间隙结构，内侧壁较薄，充气时内侧壁膨胀并相互挤压。SPN可承受较大压力，输出力大；FPN变形能力强，可获得较大弯曲角。两个模块分别由不同比例压力调节器控制，可独立工作，以增强抓取的适应性和灵活性。驱动器主体总长119 mm，宽20 mm，并在两个模块之间插入不可延伸纸层以限制轴向伸长。
在第二阶段，作者使用Abaqus软件进行有限元分析，研究腔室数量（n₁、n₂）和腔室高度（h₃）对弯曲角和输出力的影响。所采用的超弹性材料模型为Yeoh模型，其中C₁₀=0.11，C₂₀=C₃₀=0.02，驱动器材料为Dragon Skin 30硅橡胶。通过定义模块内相邻腔室内壁之间的接触相互作用，并在腔室内表面施加压力来模拟。分析中，module I的压力范围为0–80 kPa，module II和传统单FPN驱动器的压力为0–40 kPa。FEA结果显示，当n₁从7增加到10时，module I弯曲角从52.6°增加到70.5°，但输出力从2.15 N下降到0.41 N；module II也有类似趋势。腔室高度的分析在16–22 mm范围内进行，结果表明弯曲角和输出力均随腔室高度增加而增大。综合考虑总长度限制和制造条件，最终选择module I腔室数量为6，module II腔室数量为9，腔室高度为22 mm。其他参数如b₁=13 mm，b₂=4 mm，d₁=5 mm，d₂=3 mm，g₁=2 mm，g₂=1 mm，h₁=h₂=2.5 mm，t₁=t₂=1.5 mm。
在第三阶段，作者通过3D打印模具和整体浇注工艺制造了新型驱动器和传统单FPN驱动器用于对照。制造完成后，首先测试了两种驱动器的承压能力和最大安全工作压力。实验中使用了四个新型驱动器和四个传统驱动器。结果表明，传统驱动器和新型驱动器的module II在压力达到42.8 kPa时出现漏气或爆裂，最大安全压力确定为40 kPa；而module I在小于83.5 kPa时工作正常，最大安全压力为80 kPa。在此基础上，进行弯曲变形和输出力的对比试验。弯曲角测量采用黑白方格测试纸（方格边长5 mm）和数字角度尺（精度0.1°），每个压力条件下进行五次充气并取平均值。输出力测量采用高精度测力计（量程0–10 N，精度0.01 N）。实验压力方案与FEA一致：传统驱动器和module II压力从0到40 kPa、每隔5 kPa递增；当p₁≤40 kPa时，p₁和p₂取值相同；当p₁>40 kPa时，p₂保持在40 kPa。试验结果与FEA结果趋势一致。
在第四阶段，作者组装了一个三指软体夹爪，并搭建了气动控制系统，包括气泵、空气处理三联件（过滤器、调节器、润滑器）、若干气动控制阀和两个比例压力调节器（VPPM-6L，Festo）。通过自研的ARM微处理器控制器和触摸屏手动调节p₁和p₂。抓取实验包括包络抓取（enveloping grasping, EG）和捏取抓取（pinching grasping, PG）两种模式。EG实验中，使用直径为10 cm的球体，先增大p₁使三个驱动器与球体接触，接触时p₁=19.8 kPa；随后增大p₂使module II包络球体，包络时p₁=19.8 kPa、p₂=15.7 kPa；继续增大到p₁=27.1 kPa、p₂=22.4 kPa后，夹爪稳定抓取球体。PG实验中，使用较小球体并保持p₂=0，以平面接触方式抓取，当p₁=17.2 kPa时module II接触球体，p₁=30.7 kPa时逐渐捏紧，p₁=34.6 kPa时成功稳定捏取。另一个PG实验使用黄色桃子，以尖端线接触方式抓取，p₂=13 kPa时尖端首次接触桃子，p₂=21 kPa时捏紧，p₁=24.3 kPa、p₂=22.5 kPa时成功抓取。为进一步验证夹爪性能，还对草莓、玩偶、瓷杯、茶罐、芒果、塑料瓶、中性笔、半瓶水（375 g）、装满草莓的容器和石块（447 g）等多种形状、大小和重量不同的物体进行了抓取测试。实验定义抓取稳定保持60 s以上为成功。结果表明，新型软体夹爪在低输入压力（p₁=p₂=20 kPa）下可可靠抓取375 g负载。
研究的主要结果包括：与传统的单FPN驱动器相比，在0–40 kPa压力范围内，新型驱动器的最大输出力为1.53 N，比传统驱动器的0.90 N提高了70%；当p₁增加到80 kPa且p₂保持在40 kPa时，新型驱动器的输出力达到2.73 N，为传统驱动器最大输出力的3.03倍，同时弯曲角可达约300°（FEA结果为314°）。FEA与传统驱动器的对比表明，在相同结构参数下，当传统驱动器在25 kPa达到360°弯曲角时，新型驱动器在0–40 kPa同步加压时弯曲角为244°，输出力从0增加到1.57 N，最大输出力较传统驱动器提高72.5%。此外，当p₁进一步增至80 kPa时，新型驱动器的弯曲角可达到314°，输出力达到2.79 N，是传统驱动器的3.07倍。实验结果与FEA结果吻合良好，验证了仿真模型的准确性。
本研究的结论是：腔室数量和高度对弯曲角和输出力有显著影响，增加腔室数量会增大弯曲角但降低输出力，在一定范围内增加腔室高度可同时提高弯曲角和输出力。所提出的双模块复合结构软体驱动器结合了SPN和FPN两种气动网络的优点，两模块可相对独立工作，提高了抓取的适应性和灵活性。新型驱动器在保留预期弯曲角的同时，输出力显著高于传统单FPN驱动器。三指软体夹爪在PG和EG模式下均表现出高可靠性和稳定性，能够抓取较重或不规则物体，验证了新型驱动器的可行性和有效性，具有广阔的应用前景。
本研究的主要亮点包括：提出了SPN与FPN串联的双模块复合结构，通过不同压力组合实现输出力与弯曲变形能力的协同优化；系统性地通过FEA确定了腔室数量和高度等关键结构参数；通过实际制造和测试验证了驱动器的最大安全压力，为压力方案提供依据；与传统单FPN驱动器的对比实验明确了输出力的提升幅度；通过多类物体的抓取实验展示了夹爪在包络抓取和捏取抓取模式下的广泛适应性。此外，作者还指出了双模块驱动器在压力组合优化和控制算法方面的未来研究方向，包括建立弯曲角、输出力和运动行为的解析模型，以进一步解决实际应用中的优化控制问题。