基于鳍形效应的一种自适应机械手爪设计|江阴雨辰互联

2024年5月9日发(作者：v1813a是什么型号)

第26期

2020年9月

江苏科技信息

JiangsuScience&TechnologyInformation

No.26

September，2020

基于鳍形效应的一种自适应机械手爪设计

杨涛

，许展

，季宇辰

，王哲哲

（1.南京航空航天大学航空学院，江苏南京210016；

2.南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016）

摘要：文章针对目前市面上大多数机器人末端执行器在抓取固定形状零部件等产品时，对物体的保护

和对复杂不规则形状的适应欠缺考虑，出现“一爪一用”的现状，设计一种基于“鳍形效应”的自适应机

械手爪。该机械手爪主要由横向移动模块、纵向移动模块、手爪锁止模块、扭簧连接模块构成。手爪

可以根据抓取对象的形状尺寸自动调节手指间距、改变手指扭转角度，并通过柔性材料的手指自适应

贴合对象表面，相较于传统柔性机械爪，它具有高适应性、操作空间广、应用范围广、更加安全等特点，

实现了对尺寸形状差异较大的物体的柔性抓取。本机械爪采用Inventor软件进行建模、运动及有限元

仿真。

关键词：柔性；自适应手爪；“鳍形效应”；末端执行器；机械设计

中图分类号：TP241.2文献标志码：A

0引言

我国作为农业大国，瓜果蔬菜以及禽蛋的产量在

日渐提高，对于此类农副产品的采摘、挑选等工作采

用手工操作已经完全不能满足生产需求。不仅仅是

针对农夫产品，在一些工厂或者食品加工厂，比如抓

取衣物、皮包、零食等产品时，频繁地采用人工劳动力

不仅可能会污染产品，同时也会提高生产成本。因

此，那些更加高效且不易损坏产品的柔性机械爪

［1］

的

研究逐渐成为热点。它们大多使用了变形特性优良

的柔性材料或者多关节手指结构

［2-3］

，采用气动

［4-5］

或

者绳驱动

［6-8］

的方式进行手指的柔性稳定控制，以达

到减小应力保护抓取对象的目的。比较有名的有

Robotiq公司的平夹自适应手

［9］

，英国帝国理工大学

Scott团队研发的Omnigripper

［10］

，江南大学张秋菊等

提出一种柔性腕手

［11］

。但是，这些柔性手爪的抓取对

象大多局限于形状较为规则的物体，对于长径比较

大、表面斜度较大的物体，缺少合适的解决方案。

本文设计了一款新型柔性机械手爪，根据抓取对

象的形状尺寸，通过各种传动模块自动调节手指位置

和间距、改变手指扭转角度，使手指在合适的位置实

现对象的抓取。同时，手指使用了柔性材料，通过仿

生学的“鳍形效应”可以很好地贴合抓取对象表面，从

而实现稳定安全地抓取对象。手爪外部的机械接口，

能够与多种机械臂适配连接，有广泛的适用范围。

1功能设计

抓取对象：家庭常见果蔬，以及尺寸相近的家用

物品，对于形状尺寸变化大的物体具有很好的抓取效

果，以抓取苹果和茄子为例，如图1所示。抓取范围：

图1功能设计

基金项目：项目名称：多模驱动柔性机器人的控制策略及其优化方法；项目编号：MCMS-I-0319Y01。

作者简介：杨涛（1999—），男，江苏无锡人，本科；研究方向：工程力学。

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尺寸为40~120mm的物体，接触点表面斜度相对手指

小于40°。模块化结构：独立设计的机械手爪，可以适

配不同规格的机械臂。

2基于鳍形效应的手指设计

2.1鳍形效应

“鳍形效应”由生物学家LeifKniese在捕鱼时发

现，鱼鳍由两个“V”形骨头和其间的结缔组织构成；

如图2所示，拉动“V”形骨头的一侧会导致鱼鳍的变

形，使根处和尖端朝施加的载荷方向发生弯曲。鳍形

结构在贴近物体时会发生变形以适应物体的表面。

指，以及供手爪移动的导轨。通过齿轮齿条、丝杆螺

母、虎克铰等多种运动机构，以及涡卷扭簧、套索等柔

性结构的应用，实现了对尺寸形状差异较大的物体的

柔性抓取。手爪整体采用模块化设计如图5所示，本

文着重于机械设计部分。机械手爪整体设计如图6

所示。

图5机械手爪系统结构组成

图2鳍形效应

2.2手指设计

基于鱼鳍的仿生学原理结合以有限元分析，设计

出一款既能够稳定抓取大物体又可以安全地抓取小

物件的手指结构如图3所示，并且在受载的情况下产

生自适应变形，如图4所示。

图3手指结构图4手指受力变形

图6机械手爪结构

3机械系统设计

手爪的外形呈现圆柱状，中空壳体内安装有驱动

系统以及大部分的传动机构，手爪前侧安装有4个手

3.1横向移动模块

该机构采用齿轮齿条控制手指的横向移动（见表

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1），步进电机通过减速器控制齿轮旋转，如图7所

示。由于齿条与滑块固连，使得两侧滑块沿着固连于

壳体的导轨横向移动，继而带动手指移动，如图8所

示。当手指运动到预定位置时，电机停止工作，制动

器通电锁紧传动轴，齿轮齿条以及滑块保持静止，从

而保证手爪能够牢固地夹持物体。

表1齿轮齿条副设计数据

模数/mm

m=1

齿数

z=26

齿厚/mm

=8，b

=10

图7齿轮齿条结构与装配关系

图9套索分流传动机构

3.2.2丝杆螺母移动机构

采用丝杆螺母机构来实现纵向移动，如图10所

示，各项数据如表2—3所示。

图8固定导轨与滑块导轨的工程图

沿着导轨做横向移动的滑块，具有不对称的空心

结构，腔体内安装有涡卷扭簧（用于手指支架的随型

转动）、配合轴套（锁止模块的执行机构）以及套索从

动轮（纵移模块的传动机构），手指的导轨支架通过涡

卷扭簧与滑块相连。

3.2纵向移动模块

该机构控制手指的纵向移动，即控制同侧手指的

间距。由于安装在滑块上的手指支架之间的间距随

着滑块而改变，且手指间距控制的精度要求并不高，

因此该模块的传动机构使用了柔性套索。主动轮通

过套索带动两侧从动轮同步转动，从动轮带动同轴的

锥齿轮转动，位于手指导轨支架的锥齿轮则带动丝杆

转动，从而使与手指相连接的螺母滑块在丝杆上实现

纵向移动。

3.2.1套索分流传动机构

钢丝绳与外套管都为柔性材料，滑块移动导致套

索轮间距变化，套索传动也能正常进行，如图9所示。

图10锥齿轮与套索从动轮的传动关系

表2齿轮通用参数

传动比

2.0769

齿宽/mm模数/mm轴间角/°压力角/°螺旋角/°

2.30.4

表3

90200

齿轮各项参数

变位系数

-0.7

0.7

切向位移量

编号

齿轮1

齿轮2

齿数

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手爪锁止模块

设计该机构的目的是为了限制各个机构的运动

和扭簧的转动，使手指最终固定于一个贴合物体表面

的位置。锁止机构可以改变锁止轴套半径和固定涡

卷扭簧内圈，从而固定与涡卷扭簧内圈相固连的手指

导轨支架。为了节省空间，电机输出轴和执行机构不

同轴，且位于滑块内的执行机构可随着滑块而移动，

因此该模块的传动机构使用了虎克铰以及长度可调

的花键轴。电机的减速器设计成双输出轴形式，以保

证两侧锁止机构工作的同步性。

3.3.1万向轴传动机构

通过万向轴来实现锁止力矩的传递，图11显蓝

部分采用的花键连接，花键各项参数如图12所示。

图11万向轴传动结构（亮显部分）

图13配合锁止机构

图12花键轴、花键轴套工程图

3.3.2配合锁止机构

万向轴带动与锁紧轴套相配合的螺钉旋转，使锁

紧轴套受力变形产生小位移，轴套与扭簧内圈的配合

性质转为过盈配合，从而限制了扭簧运动，如图13所

示。为了使结构更加牢固，锁紧轴套内圈进行了压花

工艺的处理，极大地增加了接触时的摩擦力。

在对锁紧轴套施加载荷110mN·m为电机最大

力矩。此时最大位移为0.1339mm，如图14所示，轴

套与扭簧内圈紧密配合，符合设计要求。

图14应力云图（锁紧轴套）

3.4手爪旋转模块

该机构由内啮合齿轮副组成，行星齿轮与旋转壳

体联结（即手爪主体），定轴齿轮固联于固定壳体（即

与机械臂连接的部分）如图15所示，各项数据如表4

所示；抓取物体前，位于旋转壳体内的步进电机带动

行星轮旋转，齿轮啮合，从而使旋转壳体旋转。当手

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指处于抓取物体的最佳位置时，电机停止工作，抱闸

锁死电机输出轴，手爪保持该姿态抓取物体。

图17拉簧应力

图15行星齿轮副

表4行星齿轮副设计数据

模数/mm

m=2

齿数

=17，z

=65

齿厚/mm

=8，b

=10

3.5扭簧连接模块

手爪具有两个扭簧，一是位于手指与螺母滑块连

接处的双向扭簧，二是位于手指导轨支架与滑块连接

处的涡卷扭簧如图16所示。当手指接触物体表面

时，扭簧受力发生转动，带动手指、导轨支架倾角变

化，使得手指贴合不规则物体表面。

度和反应速度，而对扭矩和转速的要求较低，因此，选

用的驱动电机多为步进电机，并根据需要搭配行星齿

轮减速器，这种减速器结构简单、体积较小，在保证精

密传动的前提下，能有效降低转速增大扭矩和降低负

载/电机的转动惯量比。

根据设计目标，机械手爪具有4个驱动，分别控

制手指的横向、纵向移动以及壳体旋转和手爪锁止。

下面对这4个部分的驱动情况进行粗略的设计计算，

并根据计算结果选择合适的电机和减速器。

4.1横向移动模块

横向移动模块驱动载荷的计算主要考虑手爪的

抓力，手爪抓取物体的最大直径为，如图18所示。当

该物体为球体时体积最大，密度取1×10

kg/m

（接近

果蔬密度），则有物体体积与质量：

πR

=9.05

（m

）

m=ρυ=9.05

（kg）

4个手指所受摩擦力与手指压力：

=mg

=mg/4μ

；

齿轮齿条接触面的正压力F=2F

cosα，当

α=0

时，F

max

=2F

；

又

，取

μ=0.875

得：

2μ

F=5.17（N）

图16扭簧连接模块

如图17（a）扭转弹簧时，手指最大转角为

60.82°＞45°（设计最大转角），符合要求。在与手指滑

块间留有0.5mm余量的情况下，扭簧最大内径为

16.384mm＞16mm（滑块直径），符合要求。

如图17（b）对涡卷扭簧施加载荷（80N·mm，面力

矩）最大应力为440.2MPa＜861MPa，安全系数为

1.96，强度符合设计要求。最大转角约为35°~40°。

4动力部件与驱动系统

根据手爪设计用途，需要电机具有良好的位置精

（正齿轮r=13mm）

图18横向移动模块驱动载荷计算

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max

=2F=134.42(N∙mm)

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综合考虑负载扭矩需求和手爪的空间体积，选用

型号为STP-43D1079的42步进电机，该电机的扭矩

为257mN·m，具体参数如表5所示。

表5STP-43D1079电机参数

保持转矩/

mN·m

257

转动惯量/

g·cm

质量/kg

0.23

步进角/°额定电流/A

1.80.85

4.2纵向移动模块

纵向移动模块驱动载荷的设计计算，主要考虑丝

杆螺母中螺旋副的摩擦。锥齿轮简图如图19所示。

螺旋副扭矩的计算公式为

∙d/2∙tan(

+λ)

，

其中：

≤F

=2.585(N)

öæ

λ=arctan

=arctan

3.5

∏

èøè

∏

=arctanμ=arctan(0.15)=8.53°

d=3.5(mm)

-b

sinδ=d

1-0.5

èø

=5.2×

1-0.5×

2.3

=4.2

øè

=d-bsinδ=d

(

1-0.5b

)

2222

=10.8×

1-0.5×

2.3

=8.73

øè

齿面切向力

：

≤

2×1.11

=0.53

(

)

4.2

（N·mm）

M≤4F

=4×0.53×

8.73

=9.25

得

max

9.25（N·mm）。

考虑到套索传动和锥齿轮传动带来的功率损失，

以及手爪内部预留的空间位置，选用型号为STP-

28D1012的28步进电机，该电机的扭矩为60mN·m，

具体参数如表6所示。

=5.2°

表6STP-28D1012电机参数

保持转矩/

mN·m

转动惯量/

g·cm

质量/kg

0.11

步进角/°额定电流/A

1.80.7

解得螺旋副中径扭矩

≤1.11

（N·mm）。

为螺旋副中轴向外力，

为螺纹升角，

为摩擦

为螺纹中径。角，

4.3

锁止模块

锁止模块驱动载荷的设计计算，与纵移模块类

似，考虑锁止螺钉的螺旋副。

单侧螺钉扭矩：

则负载扭矩

max

=2T=59.58

（N·mm）。

考虑到万向轴传动带来的功率损失，选用型号

为STP-28D2006的28步进电机，该电机的扭矩为

110mN·m，具体参数如表7所示。

表7STP-28D2006电机参数

保持转矩/

mN·m

110

转动惯量/

g·cm

质量/kg

0.145

图19纵向移动模块驱动载荷的设计计算

T=50×2×

1.7402×10

×tan

(

18.9°

)

=29.79

(

N·mm

)

-3

设丝杆上的锥齿为锥齿轮1，传动轴上的锥齿轮

为锥齿轮2。锥齿轮齿数分别为z

、z

，大端分度圆直

，

径分别为d

、d

，节锥角分别为

、齿宽为b

、b

，外锥

距为R。数据如下：

=13;z

=27

=mz

=0.4×13=5.2

=mz=0.4×27=10.8

=b=2.3;R=6

锥齿轮传动接触面压力中心点直径设为d

，则

可得：

步进角/°额定电流/A

1.81

旋转模块

旋转模块驱动的设计计算，主要考虑固定壳体与

旋转壳体间的摩擦力。当圆柱形壳体的中心轴线平

行于水平面时，固定壳体侧面承受手爪的全部重力

（17.61N），电机所需克服的摩擦力最大。

电机启动时，需克服壳体间的静摩擦力，此时的

负载扭矩达到最大。

≤G=17.61（N），

4.4

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行星齿轮副带动整个壳体的旋转，负载扭矩较

大，而受手爪壳体内腔空间体积的限制，符合尺寸要

求的电机无法满足扭矩要求。因此，选用了型号为

STP-28D3004的28步进电机（156mN·m，是该尺寸

系列电机的最大扭矩），见表8，搭配减速比为12的

行星齿轮减速器，通过降低转速的方式增大扭矩，设

计过程如下：

负载扭矩/电机扭矩=7.41，考虑到电机扭矩应

略大于负载扭矩（150%~200%），则减速器传动比为：

max

11.1~14，取减速比k=12。输出最大扭矩：

156.12=1872mN·m

。

表8STP-28D3004电机参数

保持转矩/

mN·m

156

转动惯量/

g·cm

质量/kg

0.195

M≤M

max

=17.61×65.63=1155.74

（N·m）

步进角/°额定电流/A

1.81.3

5结语

本文针对传统柔性机械手的局限性提出了一种

新型的自适应手爪，通过变距传动机构、柔性鳍形结

构、随型变形扭簧实现每个手指拥有三自由度，更好地

贴合物面，并且采用分流锁止装置实现两侧手指的同

步锁紧、松开。但至此只详细设计了机械结构，对于控

制、工业设计只有初步的规划，还在进一步的完善中。

参考文献

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进展［J］.机器人技术与应用，2008（2）：24-35.

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［11］张秋菊，郑坤明，陈宵燕，等.一种可变构型机械

手掌：中国.2.6［P］.2015-02-11.

（责任编辑何琳）

Designofanadaptivemechanicalgripperbasedon“thefinrayeffect”

YangTao

,XuZhan

,JiYuchen

,WangZhezhe

（eofAerospaceEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016，China;

eofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,

Nanjing210016,China）

Abstract:Inviewofthefactthatmostendeffectorsofrobotsonthemarketdonotconsidertheprotectionofobjects

andtheadaptationofcomplexirregularshapeswhentheygraspfixed-shapecomponents,whichresultsin“onegripper

foroneuse”,anadaptivemechanicalgripperbasedon“thefinrayeffect”hanicalgripperis

mainlycomposedofatransversemovingmodule,alongitudinalmovingmodule,agripperlockingmoduleandatorsion

ppercanautomaticallyadjustthedistancebetweenfingersandchangethetwistangle

offingersaccordingtotheshapeandsizeoftheobjecttobegrasped,andthefingersmadeofflexiblematerialscan

edwithtraditionalflexiblemechanicalgripper,ithasthecharacteristics

ofhighadaptability,wideoperationspace,wideapplicationrange,andbeingsafer,thusrealizingflexiblegraspof

orsoftwareisusedforthemodeling,motionandfiniteelement

simulationofthismechanicalgripper.

Keywords:flexibility;adaptivegripper;“thefinrayeffect”;endeffector;mechanicaldesign

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