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软体机械手的研究现状综述

1. 引言

近年来，机器人已经在我们的生产生活中占据了愈发重要的地位，它广泛应用于医疗、救援、建筑、工业以及农业等领域，为人们的生产生活带来了极大的便利。现有的机器人大多是用刚性材料制造而成，而随着人工智能的推进发展，传统的刚性机器人已经无法完全满足人类的需求。传统的刚性机器人虽然可以通过结构的改变来增加其自由度，但其材料的特性导致其对环境的适应能力低，在非结构化环境中并不能很好地适应环境的变化。因此，为了使机器人具有更好的环境适应性和更优的人机交互安全性，利用软体材料制造的软体机器人受到了国内外学者的广泛关注。软体机器人极少程度的、甚至完全不使用传统的刚性材料，而是采用流体、凝胶、形状记忆聚合物等可成型材料。这种特殊的材料表现出的特点[^[1]]有：拥有软体生物一般的弹性和可变形性质，有着很强的适应性，承受应变能力高，允许机器人在各种不同环境下进行大幅度的拉伸收缩。软体机器人充分利用和发挥各种柔性材料包括橡胶、聚合物、智能材料、多功能材料等天然的柔顺性，及其非线性、粘弹性和迟滞特性等在软体机器人运动和控制中潜在的“机械智能”作用，从而降低控制的复杂度，实现高灵活性和良好交互性[^[2]]。

软体机械手是软体机器人领域的一个重要分支，它在诸多领域都有着良好的应用前景。例如针对外形多变，表面易碎物品例如水果、鸡蛋等的抓持，医疗领域的康复装置和提供给瘫痪患者使用的辅助助力机构等，这些应用场合都要求机械手具有绝对的安全性能和良好的适应能力，而相较于刚性机械手，软体机械手使用柔软材料制成，柔软度高，多自由度且可以连续变形，能很好地满足这一要求。近年来，国内外学者对软体机器人的研究越来越感兴趣，研究领域涵盖了软体抓持装置的结构、材料、制造、驱动、传感、控制和建模等诸多方面。从应用领域来分，软体抓持装置可用在工业、农业、医疗和服务等领域; 从结构形式上可分为多指抓握机械手、类章鱼触手的卷曲抓持装置和基于负压变形的薄膜抓持装置; 从驱动方式上可分为流体驱动、绳索驱动和功能材料驱动[^[3]]。

在现有的软体机器人中，绝大多数都是由柔软的材料制作而成的，因为柔软的材料具有更好的延展性、自由度，使得软体机器人的运动更灵活。高弹性体、塑料、颗粒、智能金属和织物等都可以用来制作软体机器人。国内外学者们也相继研发了许多新的材料，为软体机器人的制作提供更多的可能。在软体机器人的现有材料中，高弹性的硅胶是使用最多的材料，其拉伸率能达到400%，是一种超弹性材料。为了制作性能更优越的软体机器人，研究人员对现有材料进行改进或开发新型水凝胶材料，新型材料的引入带来了软体机器人新的部件和功能。

目前的软体驱动器存在很多种制作方法，一般有形状沉积制造技术、失蜡法、硅胶3D打印技术、硅胶浇注技术等。形状沉积制造技术一般用于高度集成化的软体机器人，在分层成型过程中，将传感器嵌入到软体本身中，失蜡法用于一次成型制作存在复杂内部结构的制件[^[4]]。硅胶3D打印技术在目前的软体机械手制作中应用较为广泛，其制作方法简单，对设备要求低，易于操作。

本文综述了软体机械手的国内外研究现状以及驱动方式，并介绍了一种由软体硅橡胶材料制作而成的气压驱动的四指软体机械手。

1. 国内外研究进展

作为新一代操作装置，且在人机交互性，环境适应性等方面相较于传统的刚性机械手有着显著的优势，软体机械手已受到了国内外众多学者机构的广泛研究并取得了显著成果。