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

5. 课题研究论文

软体机械手抓取性能影响因素的实验探究

徐州市第一中学高一7班 肖舒文，任梦娴，刘子卉，刘欣怡，李雨乐

【摘要】本研究以软体机械手为核心研究对象，通过2个预实验掌握制作工艺与基础适配性，再围绕抓取对象、抓取方式、手指布局、手指数量四大核心变量开展4个课题研究。实验采用控制变量法，制作多套软体机械手，对3-9cm标准球体及不同形状生活物体进行抓取测试，记录抓取成功率与最大抓取力（每组实验重复10次）。结果表明：软体机械手对球形物体的抓取适配性最优；包络抓取力显著高于指尖抓取；三指布局兼顾抓取力与灵活性，四指布局稳定性最优；7cm直径球体为最优抓取尺寸。本研究完善了高中阶段软体机械手的探究性实验体系，为柔性机器人的基础研究提供了实践参考。

【关键词】软体机械手；抓取性能；控制变量法；手指布局；抓取方式

一、研究背景

传统刚性机械手在抓取易碎、不规则物体时存在安全性差、适配性弱的问题，而软体机械手凭借柔性材料的顺应性，在医疗康复、果蔬采摘等领域展现出巨大潜力。高中阶段的工程实践探究中，缺乏对软体机械手的系统化实验设计。本研究通过“预实验+核心课题”的层级设计，系统探究多变量对抓取性能的影响，贴合学科核心素养要求，兼具实践性与研究性。

二、实验材料

（一）预实验材料

1. 制作类：50度AB硅胶、固化剂、手指A/B模板、瓦楞纸板、美工刀、直尺、一次性塑料手套、丙烯颜料、胶带、液体胶水；

2. 测试类：电子秤、剪刀、大号螺丝刀、生活物体（电子秤、胶带、眼罩、乒乓球挂件、9cm球壳等）。

（二）核心课题材料

1. 实验核心材料：弹簧测力计（精度0.1N）、3-9cm标准球体（直径3/4/5/6/7/8/9cm，质量均25g）、轮胎线；

2. 机械手制作材料：硅胶手指、流体驱动组件（气管、气源）、固定底座、连接件；

3. 辅助工具：电子秤、直尺、记号笔、实验数据记录表、Excel软件。

本研究分为预实验阶段与核心课题阶段，全程采用控制变量法，确保实验科学性。

（一）预实验1：软体机械手手指的设计与制作

1. 模具制作：选用手指A模板，用瓦楞纸板、直尺和胶水制作浇筑模具，确保尺寸精准；

2. 硅胶配比：按10:1比例混合50度AB硅胶与固化剂，搅拌均匀并排除气泡；

3. 浇筑与固化：将硅胶倒入模具，静置24小时固化；

4. 后处理：脱模后打磨手指边缘，检查柔韧性与完整性，筛选合格手指。

（二）预实验2：软体机械手抓取物体基础适配性测试

1. 机械手组装：制作三指圆周布局机械手，手指均匀分布在圆周上，间距约10cm；

2. 实验对象选取：选取6种不同形状、尺寸的生活物体，用电子秤测质量、直尺量尺寸；

3. 抓取测试：用机械手尝试抓取各物体，记录抓取成功率，填写表1-1；

4. 结论确定：明确球形物体为核心研究对象，确定后续实验的变量范围。

（三）课题一：探究不同抓取对象对软体机械手抓取成功率的影响

1. 变量设置：自变量为抓取对象的形状（扁平、细长、球形、不规则）与尺寸；因变量为抓取成功率；控制变量为机械手（基础三指）、抓取方式（包络）。

2. 实验步骤：

① 选取直尺（扁平）、铅笔（细长）、6cm球壳（球形）、积木（不规则），统一质量为25g；

② 每组物体重复抓取5次，记录成功次数；

③ 计算成功率，分析形状、尺寸对抓取效果的影响。

（四）课题二：探究不同抓取方式对软体机械手抓取性能的影响

1. 变量设置：自变量为抓取方式（指尖抓取、包络抓取）、球体直径（3-9cm）；因变量为最大抓取力（N）；控制变量为机械手（基础三指）、球体质量（25g）。

2. 实验步骤：

① 用轮胎线穿过球体小孔并打结，弹簧测力计钩住轮胎线；

② 机械手以指尖方式抓取球体，竖直缓慢匀速拉动，直至球体脱落，记录最大拉力；

③ 切换为包络抓取方式，重复上述操作；

④ 每种直径、每种方式重复10次，填写表2-1，计算平均值。

（五）课题三：探究不同手指布局方式对软体机械手抓取性能的影响

1. 变量设置：自变量为手指布局方式（布局1-4，间距11/6/2/12cm）；因变量为抓取稳定性、最大抓取力；控制变量为手指数量（三指）、抓取方式（包络）、球体（5/7/9cm）。

2. 实验步骤：

① 制作四种布局的三指机械手，确保驱动方式、手指刚度一致；

② 测试每种布局对不同直径球体的抓取稳定性（填写表3-1）；

③ 测量每种布局的最大抓取力，重复10次取平均值；

④ 对比分析布局方式与抓取性能的关联。

（六）课题四：探究不同手指数量对软体机械手抓取性能的影响

1. 变量设置：自变量为手指数量（二指、三指、四指）；因变量为抓取稳定性、最大抓取力；控制变量为布局间距（10cm）、抓取方式（包络）、球体（3/6/9cm）。

2. 实验步骤：

① 制作二指、三指、四指机械手，统一驱动系统与材料；

② 测试每种机械手对不同直径球体的抓取稳定性（填写表4-1）；

③ 测量最大抓取力，重复10次取平均值，填写表4-2；

④ 总结手指数量对抓取性能的影响规律。

四、结果与分析

（一）预实验结果分析

1. 预实验1：硅胶配比10:1、固化24小时时，手指柔韧性与成型效果最优，无气泡、开裂问题，可满足驱动弯曲需求；

2. 预实验2：球形物体（乒乓球挂件、9cm球壳）抓取成功率100%，扁平物体（电子秤）抓取失败，原因是接触面积小、重心偏移，验证了软体机械手对规则曲面的适配性优势。

（二）课题一结果分析

球形物体抓取成功率（100%）显著高于其他形状，核心原因是球形表面为曲面，与柔性手指贴合度高，受力均匀；扁平物体因接触面积小、不规则物体因受力点分散，导致抓取失败率高。

（三）课题二结果分析

1. 抓取力对比：所有直径球体中，包络抓取力均高于指尖抓取，平均提升42.6%，原因是包络抓取增大了接触面积，提升了静摩擦力；

2. 尺寸适配性：抓取力随球体直径增大呈“先增后减”趋势，7cm球体包络抓取力达3.2N（峰值），3cm球体抓取力仅1.2N（接触不充分），9cm球体抓取力2.8N（超出手指包裹范围）。

（四）课题三结果分析

1. 布局1（间距11cm）：综合抓取性能最优，对5-7cm球体的抓取力与稳定性均表现良好；

2. 布局2（间距6cm）：适配中直径球体（6-7cm），抓取力峰值达3.3N；

3. 布局4（间距12cm）：适配大直径球体（8-9cm），包裹性最好；

4. 布局3（间距2cm）：仅适配小直径球体（3-4cm），通用性差。

（五）课题四结果分析

1. 稳定性：四指机械手抓取稳定性95%，高于三指（88%）和二指（70%），原因是手指数量多，接触点多、受力更均匀；

2. 抓取力：三指机械手抓取力峰值3.2N，高于四指（2.8N）和二指（1.5N），原因是三指布局兼顾了包裹性与力的集中性；

3. 适用场景：二指适配小直径球体，三指适配中直径球体，四指适配大直径、易损球体。

五、结论

1. 软体机械手的制作工艺中，AB硅胶最佳配比为10:1，固化时间24小时，此条件下制作的手指柔韧性与成型效果最优。

2. 抓取对象的形状是影响抓取成功率的核心因素，球形物体适配性最优，扁平、不规则物体适配性差；7cm直径球体是本研究中机械手的最优抓取尺寸。

3. 包络抓取的抓取性能显著优于指尖抓取，更适合高中阶段软体机械手的核心实验场景，可作为最优抓取策略。

4. 手指布局与数量需根据抓取对象尺寸适配：布局1（11cm间距）综合性能最优，三指布局兼顾抓取力与灵活性，四指布局稳定性最优。

研究不足与展望

本研究仅探究了流体驱动的软体机械手，未涉及线缆驱动、SMA驱动等方式；后续可引入视觉识别系统，实现机械手自主抓取；也可优化硅胶材料刚度，提升机械手的负载能力。

六、参考文献

[1] 李雪. 软体机械手的设计与实验研究[D]. 北京交通大学, 2019.

[2] 刘凡. 面向棚室果蔬采摘软体机械手研究[D]. 湖北工业大学, 2019.

[3] 李宁. 苹果采摘机器人末端执行器设计与目标识别研究[D]. 山东农业大学, 2022.

[4] 丛明, 吴敏杰, 杜宇等. 基于抓取模式识别的欠驱动灵巧手抓取方法[J]. 华中科技大学学报:自然科学版, 2023, 51(6):29-35.

[5] 丛明, 吴敏杰, 杜宇, 等. 基于抓取模式识别的欠驱动灵巧手抓取方法[J]. 华中科技大学学报:自然科学版, 2023, 51(6):29-35.

[6] 朱银龙, 赵虎, 苏海军, 等. 四指软体机械手机械特性分析与抓取试验[J]. 农业机械学报, 2022, 53(9).

[7] 皮杰, 柳军, 徐磊, 严旎娜, 周科宏, 钱明艳. 三指柔性气动夹爪结构设计与实验[J]. 农业机械学报, 2020, 51(S10):9.

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