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.探究软体机械手抓取影响因素

徐州市第一中学高一15班 唐海瑞 王泽宇 刘禹赫 林宇铭 王颢然

【摘要】

软体机械手的抓取是一个非常经典的机器人抓取学问题。指尖抓取和包络抓取是两种最基础的抓取策略，它们在手指姿势和物体受力方面有根本性的不同。

我们以抓取一个常见的水杯为例，来详细解释这两种抓取方式的区别。

1. 指尖抓取

· 姿势描述：手指的末端指节（指尖）与物体进行点接触或小型面接触。手指通常是弯曲的，但只有指尖部分承担主要作用，手掌通常不接触物体。

· 手部形态：手部呈现一种“捏”或“钳”的姿态。想象一下你用手指捏起一枚棋子、一支笔，或者用两根手指捏住杯口边缘将杯子提起。

· 接触点数量：较少，通常为2-4个点（取决于使用的手指数量）。

· 自由度要求：需要手指，尤其是末端关节，有较高的灵活性和精确控制能力。

· 图示联想：像机械臂的二指或三指夹爪进行的抓取，或者老鹰用爪子抓取猎物。

2. 包络抓取

· 姿势描述：所有手指的指节以及手掌都与物体表面发生接触。手指和手掌会尽可能地贴合物体的轮廓，将物体“包裹”或“笼住”。

· 手部形态：手部呈现一种“握”或“抱”的姿态。想象一下你用手整个握住水杯的杯身，或者用手掌包裹住一个苹果。

· 接触点数量：非常多，形成多个接触面和接触区域。

· 自由度要求：对单个关节的精确度要求较低，但需要多个关节的协同运动来适应物体形状。

· 图示联想：像用手掌握住门把手，或者熊用手掌抱住树干。

【关键词】指尖抓取，包络抓取，手指姿势，接触点

一、研究背景

软体机械手研究源于对传统刚性机械手局限性的突破需求。传统机械手难以操作软质或易碎物品，在狭窄空间灵活性不足，且与人协作存在安全隐患。研究人员受章鱼触手、大象鼻子等生物柔性肢体启发，结合材料学、仿生学与控制技术，开发出由柔性材料构成、能连续变形的软体机械手，解决了传统机械手的刚性与安全性矛盾，在医疗、精密制造和人机协作等领域展现广阔前景。

课题一：软体机械手抓取物体实验

课题二：探究不同抓取方式对软体机械手性能的影响

课题三：探究不同手指布局方式对软体机械手性能的影响

课题四：探究不同手指数量对软体机械手抓取性能的影响

拓展课题：

探究不同手指根部安装角度对软体机械手抓取性能的影响

探究手指指节几何形状对软体机械手抓取性能的影响

探究不同手指表面特征结构产生的摩擦效果差异

二、实验材料

1、实验材料：电源适配器、USB充电器、轻触式按键开关、UNO R3开发板、方口USB数据线、轮胎线、扎带、软体手指、免打孔洞洞板(多孔板)、M5羊眼机牙螺丝钉吊环(羊眼吊环)、M5螺丝、M5 螺母、六角隔离柱、皮带轮、减速电机、面包板、金属膜电阻、电机驱动板模块、L型角码、小号螺丝刀、大号螺丝刀、M2 螺丝、M2 螺母、杜邦线、鳄鱼夹导线、电工胶带、内六角扳手、剪刀(自备)、直尺(自备)、蜡烛(自备)

美工刀、纸杯、热熔胶枪、热熔胶棒、打孔器、电子秤、轮胎线、聚乙烯硬管、瓦楞纸、30度AB硅胶、50度AB硅胶、一次性塑料手套、丙烯颜料、手指A模板、手指B模板、剪刀(自备)、直尺(自备)、宽胶带(自备)、液体胶水(自备)、一次性筷子(自备)等等。

2、实验仪器：量筒、量杯、、搅拌棒、透明自制封袋、一次性手套、

三、研究过程

课题一：软体机械手抓取物体实验

具体步骤：

1.自行组装好软体机械手。

2.选取生活中常见的物品（如手机，纸巾，橡皮等），记录物体的长宽高（cm），用电子秤称出对应质量（g），而后利用软体机械手抓取。

3.记录实验结果。

课题二：探究不同抓取方式对软体机械手性能的影响。

1.准备好物品：软体机械手，不同直径的塑料球（3，4，5，6，7，8，9cm）

2.先用包络抓取的方式抓取各直径的小球并重复实验5-6次并利用弹簧测力计得出抓取力大小（N）。用细线将塑料球与弹簧测力计挂钩系在一起。

3.同样操作用指尖抓取的方式进行测量。

4.记录实验数据得出结论。

课题三：探究不同手指布局方式对软体机械手性能的影响。

1.对手指布局方式进行分析（共4种，分别为L型，十字型，矩形，对称型。

2.准备不同物体：乒乓球-球形，手机-扁平，积木-圆柱形，葛胶-不规则，橡皮-矩形。

3.用同一种抓取方式对不同形状物体抓取，并检测抓取时是否稳定从而得出结论。

4.完成实验表格

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.使用包络抓取方式，计划手指布局。

2.使用不同手指数量（3，4，5），注意保持手指形状相似，布局类似。

3.使用同种物体（建议使用适中尺度物品，如5cm直径小球）进行实验测量。

4.得出结论。

课题五:拓展实验

1.分别改变手指形状（矩形截面和梯形截面），手指根部角度（10，45，90），手指表面粗糙程度（可用锯齿结构改变）。

2.重复实验，得出结论。

四、结果与分析

课题一结果：通过上述实验，我们看到软体机械手在抓取同尺寸寸的球形物体时，包络抓取

力更大。

软体机械手的最大抓取力随着球形物体尺寸的增大而缓慢减小。指尖抓取更适合抓取体积较小的物体。

课题二结果：通过上述实验，我们看到软体机械手在抓取同尺寸的球形物体时，包络抓取力更大。软体机械手的最大抓取力随着球形物体尺寸的增大而缓慢减小。指尖抓取更适合抓取体积较小的物体

课题三结果：布局1软体机械手在抓取球形/圆柱形状物体时表现出更高的适应性;原因可能是手指对称均均分布 ;

四种手指布局的软体机械手在抓取不同尺寸的球形物体时，布局1软体机械手提供的指尖抓取力和包络抓取力最大，布局2软体机械手次之，布局34软体机械手提供的指尖抓取力和包络抓取较小

布局2软体机械手在抓取扁平/细长形状物体时表现出更高的适应性，原因可能是手指间距过大适应物体特征

布局3在抓取细长形状物体时表现出更高的适应性，原因可能是形成更好夹特效果

布局4在抓取不规则形状物体时表现出更高的适应性，原因可能是手指非常规分布,通过不同角度接触适应不同物体

四种手指布局的软体机械手在抓取不同尺寸的球形物体时，布局1软体机械手提供的指尖抓取力和包络抓取力最大，布局2软体机械手次之，布局34软体机械手提供的指尖抓取力和包络抓取较小

课题四结果：手指数量直接影响抓取的稳定性、灵活性与复杂度。数量少（如2指）适合夹取但稳定性差；3-4指可实现稳定包络抓取，通用性高；数量过多（≥5指）则控制复杂，可能产生自干扰，但对特定形状物体包容性极佳。

课题五（拓展实验）结果：

矩形截面，弯度均匀刚性恒定；梯形截面，刚度低但接触力大

手指根部，角度过小力分散，角度过大物体易脱，应适中

表面特征通过增加有效接触面积或产生微观互锁来增大摩擦力。光滑表面易打滑；微凸点阵列适于平整表面；波浪或锯齿纹路能适应曲面；仿生吸盘结构则能显著提升对光滑平整物体（如玻璃）的抓取力。

五、结论

在选择抓取策略时，需要根据物体的大小、形状、重量、材质（是否易碎）以及后续要执行的任务（是否需要精密操作或承受外力） 来决定。通常，机器人或灵巧手会结合使用这两种策略，以适应复杂多变的环境。

六、参考文献

一、基础理论与综述类

《Soft Robotics: A Perspective—Current Trends and Prospects for the Future》

作者：Rus, D., & Tolley, M. T. (2018)

《Soft Robotics: Biological Inspiration, State of the Art, and Future Research》

作者：Kim, S., Laschi, C., & Trimmer, B. (2013)

二、设计与制造技术

《Design and Fabrication of a Soft Robotic Hand》

作者：Deimel, R., & Brock, O. (2016)

《Soft Robotic Grippers for Biomedical Applications》

作者：Cianchetti, M., et al. (2018)

三、应用研究类

《Soft Robotic Grippers for Agricultural Applications》

作者：Fang, Y., et al. (2020)

《Medical Applications of Soft Robotics》

作者：Ranzani, T., et al. (2018)

《Underwater Soft Robotics》

作者：Katzschmann, R. K., et al. (2018)

《Soft Robotics for Disaster Response》

作者：Rus, D., & Tolley, M. T. (2015)