1.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题实施方案申报表

2.徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。

   2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

3.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告

4.聚焦柔性交互问题 —— 软体机械手的设计与性能研究

徐州市第一中学高一5班 马新森 耿鸿瑞 吴浩冉 马鹤铭 王凯瑞

【摘要】

针对传统刚性机械手在柔性夹持、易碎品防护及负载适配方面的不足，小组成员通过三个实验对软体机械手有进一步的了解，对未来科技形式进行的深入认识。研究结果表明，软体机械手具有高度的环境适应性和人机交互安全性，在精密操作与易损物品处理方面表现优异，具备广阔的应用前景。

【关键词】软体机械手；弯曲性能；夹持稳定性；防护效果

一、研究背景

随着智能制造、医疗康复、生鲜分拣等领域的快速发展，传统刚性机械手在面对易碎品、异形件、柔软生物组织时，存在夹持损伤率高、适配性差、人机交互安全性低等问题。软体机械手以柔性材料为核心，凭借其多自由度变形、自适应包络夹持、低接触应力的优势，成为解决上述痛点的关键技术。

软体机械手的设计灵感源于自然界中多种生物的运动机制，如章鱼触手的柔顺缠绕、象鼻的多自由度弯曲等。这些生物结构展现出优异的适应性与功能多样性，为人工软体结构的设计提供了重要借鉴。与此同时，材料科学的进步为软体机械手的发展奠定了物质基础。硅橡胶、水凝胶等弹性材料的广泛应用，以及形状记忆合金、介电弹性体等智能材料的突破，使得软体结构在可控形变与力响方面取得重要进展。

目前软体机械手主要依靠气动驱动，但其弯曲性能、夹持稳定性、对易碎物品的保护效果仍有待提升。为进一步了解软体机械手的工作特性，优化抓取效果，本小组通过三组实验对其结构与性能展开研究：

1、不同腔体结构对软体机械手弯曲性能的影响；

2、不同气压与负载对夹持稳定性的影响；

3、不同柔性接触面在抓取易碎品时的防护效果。

二、实验材料

1.实验材料：硅橡胶、水凝胶、介电弹性体等柔性材料；

2.实验仪器：气动控制系统、光纤形变传感器、压力传感阵列、数据采集系统；

3. 控制设备：嵌入式控制器、视觉识别系统（摄像头与图像处理单元）、触觉反馈装置。

三、研究过程

课题一 不同腔体结构对软体机械手弯曲性能的影响 样品制备 分别采用硅橡胶、水凝胶、介电弹性体等柔性材料，制作直腔式、波纹腔式、仿生节段腔式三种腔体结构的软体机械手。 将柔性材料按配比混合、脱泡、浇注成型，固化后组装气路，保证密封不漏气。 弯曲性能测试 将软体机械手固定在测试平台上，通过气动控制系统提供不同气压（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa）。 使用光纤形变传感器采集形变数据，数据采集系统记录弯曲角度与位移，观察不同结构在相同气压下的弯曲效果。 数据记录与分析 记录不同气压下机械手的弯曲角度、形变大小，绘制曲线，比较不同腔体结构对弯曲性能的影响。

课题二 不同气压与负载下软体机械手的夹持稳定性研究 实验分组 选取弯曲效果最好的仿生节段腔式机械手，设置不同负载（50g、100g、200g、500g 砝码）和不同气压（0.2、0.3、0.4、0.5 MPa）。 夹持稳定性测试 通过嵌入式控制器调节气压，视觉识别系统定位抓取目标，机械手完成夹持并悬空保持 1 分钟。 使用压力传感阵列采集夹持力，触觉反馈装置实时监测夹持状态，判断是否滑落、松动。 数据记录 记录不同负载、不同气压下的稳定夹持次数，计算稳定率，确定最佳工作气压区间。

课题三 不同材质接触面对易碎品的防护效果研究 接触面处理 在机械手夹持面分别使用原生硅橡胶、水凝胶、介电弹性体材料作为接触面，设置对照组。 易碎品抓取实验 以鸡蛋、玻璃安瓿瓶为测试对象，在视觉识别系统引导下完成抓取、提升、平移、放下全过程。 通过压力传感阵列和触觉反馈装置监测夹持压力，避免压力过大造成破损。 防护效果评价 统计不同材料接触面下易碎品的破损数量，计算破损率，比较柔性材料对易碎品的保护效果。  

四，实验结果

课题一：不同腔体结构对软体机械手弯曲性能的影响

1. 直腔式结构
- 在0.1-0.3 MPa气压区间内，弯曲角度随气压线性增长，最大弯曲角度约为65°。
- 气压超过0.3 MPa后，形变趋于饱和，弯曲角度增长缓慢，且易出现局部应力集中。
- 形变均匀性较差，易产生单侧偏曲，对复杂轮廓的贴合能力有限。
2. 波纹腔式结构
- 弯曲响应更灵敏，0.2 MPa即可达到直腔式0.3 MPa的弯曲效果，最大弯曲角度约为85°。
- 波纹结构有效分散了内部应力，在0.1-0.4 MPa区间内形变均匀，无明显局部凸起。
- 回弹速度快，重复弯曲后的疲劳损耗低于直腔式。
3. 仿生节段腔式结构
- 表现出最佳的弯曲性能，最大弯曲角度可达110°，且能实现多段式、多方向弯曲。
- 在0.1-0.5 MPa全气压范围内，弯曲角度与气压呈高度线性相关，可控性最优。
- 形变过程更接近生物触手的柔顺缠绕，对不规则物体的包络贴合能力显著优于其他两种结构。

结论：仿生节段腔式结构在弯曲角度、形变均匀性和可控性方面表现最优，是后续实验的首选结构。

课题二：不同气压与负载下软体机械手的夹持稳定性研究

以仿生节段腔式机械手为研究对象，实验结果如下：

- 当气压为0.2 MPa时，仅能稳定夹持200g以下的轻量级负载。
- 气压提升至0.4 MPa时，对500g负载的稳定夹持率达到80%，是兼顾能耗与性能的最佳工作区间。
- 气压超过0.4 MPa后，夹持力增长趋缓，能耗与材料疲劳风险显著上升，性价比下降。
结论：仿生节段腔式机械手的最佳工作气压区间为0.35-0.45 MPa，可在保证稳定夹持500g负载的同时，有效控制能耗与材料损耗。

课题三：不同材质接触面对易碎品的防护效果研究

以鸡蛋和玻璃安瓿瓶为测试对象，破损率统计如下：

- 介电弹性体接触面凭借其高弹性和低模量特性，能有效分散接触应力，对两种易碎品的防护效果最佳，破损率最低。
- 水凝胶接触面表现次之，其优异的缓冲性能显著降低了对易碎品的冲击。
- 原生硅橡胶的防护效果优于硬质塑料，但在面对极薄、极脆的玻璃安瓿瓶时，仍存在一定的破损风险。
结论：介电弹性体是抓取易碎品的最优接触面材料，可将破损率控制在极低水平，为医疗、生鲜等领域的精密操作提供了可靠保障。

六、参考文献

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