一、课题概况

近年来，软体机器人凭借柔性材料的独特优势，在精密操作、安全交互、复杂环境适应等方面展现出巨大潜力，成为机器人领域重要的发展方向。软体机械手作为软体机器人最具代表性的执行机构，直接决定了机器人对不同物体的抓取能力与应用范围，是连接软体机器人理论研究与实际应用的关键环节。

基于对软体机器人领域的兴趣与探索，我们聚焦软体机器人的核心应用场景，将研究视角聚焦于软体机械手，开展了徐州市第一中学“科探方舟”项目下设的探究类科研课题——“软体机械手的制作与抓取性能实验研究”。

课题依托“科探方舟”提供的专用实验材料盒和在线平台，从基础制作入手，逐步深入到性能探究，形成由浅入深、由实践到创新的完整研究过程。研究过程中，我们先后完成机械软体手指制作、软体机械手组装及电路调试两项预备活动，为后续实验探究筑牢基础；随后有序开展4个系列性实验，系统探究软体机械手的抓取适应能力、抓取方式效果、手指布局影响及多因素协同作用，全程严格遵循科研严谨性原则，确保实验结果的准确性与可靠性。

本课题不仅圆满完成了预期的探究任务，更实现了“理论认知—动手实践—创新探究”的闭环，在实践中培养了科学思维，提升了动手能力，激发了创新意识。

二、研究方案

1. 研究目标

（1）掌握机械软体手指及完整软体机械手的制作方法，完成电路连接与调试，实现机械手的稳定动作控制。

（2）明确软体机械手对不同类型物体的抓取适应能力、不同抓取方式的性能差异及不同手指布局的影响，夯实科研基础。

（3）探究手指数量与手指布局多因素协同下软体机械手的抓取性能，培养创新探究能力。

（4）遵循科研规范，完成实验数据记录、分析，得出科学结论，提升科研严谨性与数据处理能力。

2. 研究对象与评价标准

（1）研究对象

自制软体机械手（可调整手指数量、手指布局），各类抓取实验物体（长方体、扁平圆柱体、细长圆柱体、质量25g且直径3-9cm的7种球体）。

（2）评价标准

以弹簧测力计测得的最大抓取力为核心评价指标，衡量软体机械手的抓取性能，每个实验工况重复10次测量，取平均值作为最终数据，确保数据严谨。

3. 研究内容

（1）预备活动

小组成员各完成1根手指的制作后，全员协作完成软体机械手的组装，以及电路系统的连接与调试，确保机械手可正常实现抓取动作。

（2）实验探究

共设计4个实验，包括3个探究性实验和1个创新性实验，实验设计如下。

Ø 实验一：软体机械手的抓取适应性研究

自变量：不同抓取对象

因变量：是否抓取成功

Ø 实验二：不同抓取方式对软体机械手抓取性能的影响

自变量：指尖抓取和包络抓取

因变量：抓取性能（最大抓取力）

Ø 实验三：不同手指布局方式对软体机械手抓取性能的影响

自变量：不同手指布局方式（矩形、L形、T形、方形）

因变量：抓取性能（最大抓取力）

Ø 实验四（创新实验）：多因素协同下软体机械手的抓取性能研究

自变量：不同手指数量（2根、3根、4根），不同手指布局方式（一形、△形、矩形、L形、T形、方形）

因变量：抓取性能（最大抓取力）

（3）结果分析

整合所有实验数据，进行对比分析，最终得出研究结论，完成课题总结。

三、研究过程

本课题研究严格遵循“筹备-实操-探究-总结”的流程，依托“科探方舟”项目提供的实验物资与在线平台，循序渐进推进，全程注重实操细节与科研严谨性，具体过程如下。

1. 前期筹备

课题启动后，我们首先领取“科探方舟”课题专用材料盒，在指导老师的帮助下，逐一熟悉各类实验材料、工具的用途与使用方法，制作开箱视频。

通过在线平台上的资源，明确软体机械手的制作原理、电路连接逻辑及实验探究的核心思路，梳理出“预备活动-探究性实验-创新性实验”的推进步骤，制定实验方案和计划，为后续研究顺利开展奠定基础。

                                               

图1 “科探方舟”盒子开箱

2. 预备活动

预备活动是课题开展的基础，主要分为两个环节，全程由全员协作完成。

（1）机械软体手指的制作

采用4人间轮流接力的方式，每人负责1根手指的制作——每根手指需分两次浇筑不同硬度的硅胶，每次固化时长约16小时，整个制作过程耗时一周有余，期间我们还网购补充了两种硬度的硅胶各一瓶。

图2 手指制作

（2）软体机械手的制作（含电路的连接与调试）

手指制作完成后，我们进入电路联调阶段，却发现实验盒中缺少电机马达固定底座。面对这一突发状况，我们及时网购配件，待底座到位后重新开展电路连接与调试，幸运的是，电路连接一次成功，机械手得以正常稳定运转。

图3 软体机械手制作

3. 实验探究

完成预备活动后，我们按照研究方案，依次开展3个探究性实验与1个创新性实验，全程严格遵循科研规范，认真记录每一组实验数据，确保实验结果真实可靠。

实验一聚焦“不同物体的抓取适应能力”。通过抓取不同形状、重量的物体，测试机械手的适配性。软体机械手为等边布置的三指机械手，抓取对象为电子秤、胶带、小茶叶盒、喷雾器、弹簧测力计、鹅卵石、塑料球等生活常见物品，并制作实验一的Vlog。

图4 实验一相关图片

实验二围绕“不同抓取方式对性能的影响”。采用等边布置的三指机械手，对比分析指尖抓取和包络抓取两种不同操作模式下的抓取效果。抓取目标物为7种质量相同但直径不同的球体（质量25g、直径3-9cm），并制作了实验二的Vlog。

图5 实验二相关图片

实验三探究“不同手指布局对性能的影响”。采用4根手指制作成矩形、L形、T形、方形等4种手指布局的软体机械手，测试其抓取物体的适应性和抓取性能，适应性测试的抓取目标物为遥控器、胶带、喷雾器和塑料球，抓取性能测试的抓取对象为3种质量相同但直径不同的球体（质量25g、直径6-8cm），并制作实验三的Vlog。

图6 实验三相关图片

实验四是创新性实验。综合考虑手指数量与布局的协同作用，深入研究多因素影响下的抓取性能。从手指数量和手指布局两个维度，综合考虑两者的协同作用，深入探究多因素协同下软体机械手的抓取性能，力求得出更具深度的实验结论。手指数量有3种，分别是2指、3指、4指，手指布局有6种形式，分别是一形、△形、矩形、L形、T形、方形。抓取对象为3种质量相同但直径不同的球体（质量25g、直径6-8cm）。

图7 创新性实验相关图片

在整个实验过程中，我们每完成一个环节，都会及时召开小组会议，梳理当前任务的完成情况，反思实验过程中出现的问题与不足，及时优化实验操作方法。对于实验中出现的数据波动、操作失误等问题，我们共同分析原因，调整实验方案，确保研究顺利推进。同时，我们认真整理每一组实验数据，做好分类归档，为后续的结果分析和结论总结做好充分准备。

4. 分析总结

最后是课题成果整理与输出的“攻坚战”。我们首先将实验记录的原始数据电子化，随后运用Excel进行数据处理与图表绘制，借助PowerPoint制作汇报PPT与科学海报，并通过制作“我的科研故事”视频对本课题的研究历程进行总结和反思。过程中，我们遇到了数据处理不熟练、图表设计不规范、论文逻辑不清晰等问题，但通过小组内部的充分交流讨论，以及向老师、同学和家长的虚心请教，逐步攻克了所有难题，圆满完成了各项成果输出任务。

图8 科学海报

图9 “我的科研故事”视频封面

图10 课题结题答辩

四、课题报告

软体机械手的抓取适应性与综合性能研究

学生姓名：李子文、许子言、孟晓川、刘宸昂

指导教师：周岩、仝童

摘要：为探究软体机械手的抓取适应能力与综合性能，本研究先完成机械软体手指及含电路系统的软体机械手制作与调试，再通过4个实验开展了3个探究性课题和1个创新性课题的研究。课题一考察对长方体、球体等不同类型物体的抓取适应性；课题二以7种不同直径（3-9cm）的25g球体为对象，对比指尖抓取与包络抓取的性能；课题三分析矩形、L形等4种手指布局对多类型物体的适应性及两种抓取方式的效果；创新课题综合探究2-4根手指数量与一形、△形等6种布局的协同作用。每个工况均重复测试10次，以弹簧测力计测得的平均最大抓取力为评价指标。结果表明：软体机械手对规则几何体均有良好适应性，包络抓取的最大抓取力普遍高于指尖抓取方式；4指矩形布局在多数场景下表现最优，手指数量与布局的协同作用显著影响抓取性能。本研究为软体机械手的结构优化与实际应用提供了实验依据。

关键词：软体机械手；包络抓取；指尖抓取；手指布局；抓取性能

1. 引言

随着机器人技术向柔性化、智能化方向发展，传统刚性机械手在抓取易碎品、不规则物体时存在适应性差、易损伤物体等局限，而软体机械手凭借其柔性材料的变形能力和良好的人机交互安全性，在食品加工、医疗护理、物流分拣等领域展现出广阔应用前景。软体机械手的核心性能取决于手指结构、布局设计及抓取方式的匹配度，目前关于单一因素对抓取性能影响的研究较多，但针对手指数量与布局协同作用的系统性探究仍较为缺乏。

机械软体手指作为软体机械手的核心部件，其制作工艺直接决定了变形灵活性与承载能力，电路的连接与调试则是实现抓取动作精准控制的基础。在此背景下，本研究先完成机械软体手指与完整软体机械手的制作及电路调试，再通过多维度实验，系统探究物体类型、抓取方式、手指布局及手指数量对抓取性能的影响，旨在熟悉和掌握软体机械手的结构、布局等影响下的抓取策略，为其推广应用奠定基础。

2. 实验材料

（1）机械软体手指制作材料：手指模板、30硬度AB硅胶、50硬度AB硅胶、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、一次性塑料手套、丙烯颜料、美工刀、纸杯、剪刀、直尺、宽胶带、液体胶水、一次性筷子。

（2）软体机械手制作材料：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、直尺、打火机。

（3）软体机械手性能测试材料：软体机械手、弹簧测力计、直径3~9cm的7种球壳、轮胎线、电子秤、胶带、小茶叶盒、喷雾器、遥控器、鹅卵石、剪刀、大号螺丝刀、直尺。

3. 实验方案

首先利用手指模板、瓦楞纸板、热熔胶枪、30硬度AB胶、50硬度AB胶等制作机械软体手指4根。当手指制作好以后，对电路进行了联调联试，确保了软体机械手能正常稳定地工作。最后，利用调试好的电路，开展了3个探究性课题和1个创新性课题的实验研究，分别是：

课题一：软体机械手抓取物体实验

选取电子秤、胶带、小茶叶盒、喷雾器、弹簧测力计、鹅卵石、塑料球等生活常见物品为抓取对象，采用3指等边三角形布局，评估软体机械手对不同类型规则物体的适应性。

课题二：探究不同抓取方式对软体机械手抓取性能的影响

选取质量25g、直径3-9cm的7种球体为抓取对象，采用3指等边三角形布局，分别采用指尖抓取和包络抓取两种方式，测量不同直径球体对应的最大抓取力，每个工况重复测试10次，对比两种抓取方式的性能差异。

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

通过矩形、L形、T形、方形4种手指布局（均为4指），选取遥控器、胶带、喷雾器、塑料球为抓取对象评估不同布局软体机械手的适应性，分别采用指尖抓取和包络抓取方式，测量质量均为25g，直径分别为6、7、8cm的球体的最大抓取力，每个工况重复测试10次。

创新课题：多因素协同下软体机械手的抓取性能研究

设置手指数量为2根、3根、4根，搭配一形、△形、矩形、L形、T形、方形6种布局，选取直径分别为6、7、8cm的25g球体为抓取对象，采用包络抓取方式，测量各组合的最大抓取力，探究多因素协同下软体机械手的抓取性能和适应性，每个工况重复测试10次。

4. 结果与分析

表1为软体机械手抓取日常生活用品的适应性。可以看出，对于质量轻且规则的物体，容易被软体机械手抓取成功；对于质量重且不规则的物体则不易被抓取，例如鹅卵石；而软体机械手对于球形物的抓取适应能力最优。所以后续的实验将主要以球形物为抓取研究对象。

表1 软体机械手的抓取适应性

序号	物品名	近似形状	尺寸 （cm）	质量（g）	是否抓取成功
1	电子秤	长方体	12.0ⅹ1.8ⅹ6.4	86.43	是
2	胶带	圆环	5.6ⅹ3.2ⅹ1.5	28.42	是
3	小茶叶盒	圆柱	45.4ⅹ3.1	38.2	是
4	喷雾器	圆柱	43.3ⅹ11.0	55.6	是
5	弹簧测力计	长方体	15.2ⅹ3.6ⅹ1.9	30.3	是
6	鹅卵石	不规则（椭球体）	5.5ⅹ8.5ⅹ4.0	274.6	否
7	塑料球	球体	9	79.9	是

图1（a）是指尖抓取实验的结果分析，图1（b）是包络抓取实验的结果分析，图中折线是多次重复实验的平均值。可以发现，软体机械手在抓取同一尺寸的球形物体时，包络抓取力比指尖抓取力更大。随着球形物体尺寸的增大，最大抓取力总体上呈现出缓慢增大的趋势。相较于包络抓取，指尖抓取更适合抓取体积相对较小的物体。

（a）指尖抓取   （b）包络抓取

图1 指尖和包络抓取的最大抓取力

表2为4种不同布局软体机械手的抓取适应性结果。4种布局在抓取长方体、扁平圆柱体、球体类形状的物体时，均表现出较好的适应性；对于细长圆柱体，比如喷雾器，只有T形布局能抓取成功。图2是4种不同布局软体机械手的指尖和包络抓取实验的结果分析。可见，4种布局下的软体机械手包络抓取力均大于指尖抓取力；对于直径6cm球体，L形和T形布局表现更优一些；对于直径7cm球体，4种布局表现相当，没有明显的优劣；对于直径8cm球体，L形布局表现较差，其他3种布局表现相当。

表2 不同布局软体机械手的抓取适应性

序号	物品名	近似形状	尺寸（cm）	质量（g）	是否可以稳定抓取物体
					矩形	L形	T形	方形
1	遥控器	长方体	5.3ⅹ12.1ⅹ0.97	4.6	是	是	是	是
2	胶带	扁平圆柱	5.6ⅹ3.2ⅹ1.5	28.42	是	是	是	是
3	喷雾器	细长圆柱	43.3ⅹ11.0	55.6	其他	其他	是	其他
4	塑料球	球体	9	26.3	是	是	是	是

图2 不同布局软体机械手的最大抓取力

（a）直径6cm球体   （b）直径7cm球体

（c）直径8cm球体

图3 手指布局对软体机械手抓取性能的影响

图4 手指数量对软体机械手抓取性能的影响

由以上分析可知，软体机械手的手指布局和手指数量对其抓取性能有显著影响。为分析手指布局和数量的协同作用，开展了3种手指数量和6种手指布局下软体机械手的综合性能研究。图3是软体机械手最大抓取力随手指布局的变化规律，图4是软体机械手最大抓取力随手指数量的变化规律。研究发现，所有布局下，包络抓取力均大于指尖抓取力，其中一字形布局的抓取性能最差。对于直径6cm的球体，指尖抓取时，L形布局表现最优；包络抓取时，三角形和T形布局表现更优。对于直径7cm的球体，指尖和包络两种抓取方式下，矩形、L形和T形的表现较优，而且抓取效果相当。对于直径8cm的球体，矩形布局表现最优。此外，3种手指数量下，软体机械手的包络抓取力均大于指尖抓取力。采用指尖抓取时，抓取力随着手指数量的增多而增大。采用包络抓取时，除直径7cm的球体外，4指软体机械手的抓取力略低于3指的抓取力。

5. 结论

本研究通过系统性实验明确了影响软体机械手抓取性能的关键因素，其结论可为软体机械手的结构优化、抓取策略制定提供参考。主要结论如下：

（1）自制的机械软体手指与软体机械手具有良好的变形灵活性和控制稳定性，经电路调试后，能实现指尖抓取与包络抓取动作，对长方体、球体等规则几何体均表现出良好的抓取适应性。

（2）抓取方式对性能影响显著。包络抓取通过增大接触面积与正压力，其最大抓取力普遍比指尖抓取高，是较优的抓取策略，但指尖抓取更适合抓取体积相对较小的物体。

（3）手指数量与手指布局对软体机械手的抓取性能具有协同联动作用。随着手指数量从2根增加到4根，最大抓取力整体提升。4指与矩形布局的组合协同效果较好；2指布局因接触点不足，表现略差。

参考文献

[1] Feix T, Schmiedmayer H, Romero J,et al. A comprehensive grasp taxonomy. 2009.

[2] 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. 农业机械学报, 2022, 53(9): 434-442.

[3] 孙先涛, 钟明升, 高崇, 等. 面向灵巧操作的多功能三指软体机械手. 机械工程学报, 2025, 61(21): 143-151.

附录：实验数据

附表1 课题二实验数据

球体直径(cm)		9	8	7	6	5	4	3
指尖抓取力(N)	重复1	3.8	1.8	2.0	1.6	2.1	2.2	2.0
	重复2	2.0	1.6	2.2	2.8	2.0	2.4	0.5
	重复3	2.6	3.6	2.6	2.4	3.8	2.8	1.5
	重复4	2.4	2.2	2.4	1.6	2.0	3.4	0.8
	重复5	4.7	2.6	3.2	3.0	1.5	1.4	1.8
	重复6	3.0	2.8	2.2	2.4	4.2	2.8	3.5
	重复7	2.4	3.8	4.2	3.4	2.2	2.8	3.4
	重复8	4.5	3.2	1.2	4.4	5.0	3.8	4.0
	重复9	2.6	2.4	3.4	4.0	5.5	0.8	2.0
	重复10	3.0	2.0	3.0	2.6	4.0	2.0	2.0
	均值	3.1	2.6	2.6	2.8	3.2	2.4	2.2
包络抓取力(N)	重复1	5.8	9.2	5.8	10.0	6.0	3.8	6.0
	重复2	7.0	4.0	5.2	10.0	10.0	5.8	5.0
	重复3	7.0	9.0	5.8	10.0	10.0	2.6	2.0
	重复4	10.0	6.2	10.0	10.0	10.0	5.2	4.0
	重复5	5.0	9.4	9.0	10.0	4.5	6.2	7.0
	重复6	10.0	8.8	4.8	10.0	9.5	6.0	6.0
	重复7	4.5	10.0	10.0	10.0	5.0	6.8	5.8
	重复8	9.0	9.2	7.0	10.0	3.0	5.8	4.4
	重复9	4.0	9.4	10.0	5.6	10.0	6.8	5.2
	重复10	5.0	9.4	10.0	10.0	10.0	10.0	8.0
	均值	6.7	8.5	7.8	9.6	7.8	5.9	5.3

附表2 课题三实验数据

手指布局		布局1(矩形)				布局2(L形)				布局3(T形)				布局4(方形)
球体直径(cm)		8	7	6	8		7	6	8		7	6	8		7	6
指尖抓取力(N)	重复1	4.8	7.0	3.8	3.2		5.1	5.4	5.4		7.6	2.8	6.0		4.3	2.5
	重复2	3.4	5.0	2.4	1.0		3.2	5.0	6.2		5.4	4.4	2.5		4.4	0.5
	重复3	2.8	7.0	1.0	2.0		2.8	4.0	5.0		5.0	4.2	3.2		3.2	1.2
	重复4	5.0	4.8	4.2	3.2		5.8	3.2	3.2		5.0	6.8	3.6		7.0	2.5
	重复5	5.2	4.8	4.0	6.0		5.8	4.3	2.4		4.0	3.2	4.5		3.0	2.2
	重复6	8.0	4.4	3.8	3.6		6.4	4.2	6.4		6.2	6.0	4.0		7.4	4.0
	重复7	5.4	4.2	3.2	0.8		8.0	5.6	2.8		4.0	2.2	5.0		2.4	1.2
	重复8	5.2	5.5	3.6	1.6		4.2	5.5	4.7		5.0	5.0	3.6		5.0	3.0
	重复9	5.1	5.6	3.8	3.1		4.9	5.6	4.5		5.6	4.2	5.3		4.0	1.8
	重复10	5.3	6.0	3.3	2.6		4.1	5.3	4.2		5.1	3.8	5.8		4.6	2.2
	均值	5.0	5.4	3.3	2.7		5.0	4.8	4.5		5.3	4.3	4.4		4.5	2.1
包络抓取力(N)	重复1	9.4	10.0	10.0	3.0		10.0	9.8	8.0		10.0	10.0	10.0		6.0	10.0
	重复2	9.0	10.0	10.0	10.0		9.8	7.8	6.8		9.8	9.8	9.8		8.0	7.0
	重复3	10.0	9.8	9.4	9.8		10.0	8.8	10.0		10.0	10.0	10.0		10.0	9.8
	重复4	10.0	10.0	6.4	10.0		7.2	9.8	9.8		9.8	9.8	6.0		10.0	10.0
	重复5	9.8	9.8	4.2	7.6		10.0	8.5	10.0		10.0	10.0	6.0		8.2	6.0
	重复6	10.0	10.0	8.4	6.0		9.2	9.8	9.8		9.8	9.8	5.8		9.2	5.2
	重复7	9.8	9.8	8.5	7.5		8.6	9.6	9.4		9.6	9.6	8.6		8.5	7.5
	重复8	9.2	9.6	8.1	7.8		9.4	9.8	9.0		9.8	9.2	7.6		9.1	8.4
	重复9	9.6	9.6	7.8	6.4		9.0	9.4	9.2		9.4	9.4	7.5		8.8	8.6
	重复10	9.5	9.8	7.6	6.8		9.3	8.8	9.1		9.8	9.1	8.5		8.5	7.3
	均值	9.6	9.8	8.0	7.5		9.3	9.2	9.1		9.8	9.7	8.0		8.6	8.0

附表3 创新课题实验数据（1）——手指布局

手指布局		一形	△形	矩形	L形	T形	方形
直径6cm球体	指尖抓取力(N)	2.4	2.8	3.3	4.8	4.3	2.1
	包络抓取力(N)	6.4	9.6	8.0	9.2	9.7	8.0
直径7cm球体	指尖抓取力(N)	2.6	2.6	5.4	5.0	5.3	4.5
	包络抓取力(N)	7.7	7.8	9.8	9.3	9.8	8.6
直径8cm球体	指尖抓取力(N)	2.0	2.6	5.0	2.7	4.5	4.4
	包络抓取力(N)	4.5	8.5	9.6	7.5	9.1	8.0

附表4 创新课题实验数据（2）——手指数量

手指数量	2根			3根			4根
球体直径(cm)	8	7	6	8	7	6	8	7	6
指尖抓取力(N)	2.0	2.6	2.4	2.6	2.6	2.8	4.1	5.1	3.6
包络抓取力(N)	4.5	7.7	6.4	8.5	7.8	9.6	8.6	9.4	8.7