仿生多材料软机器人手的集成设计制造和控制

科英布拉大学科学家的一篇研究论文提出了一种由软执行器核心和外骨骼组成的软机器人手，采用有限元分析辅助的多材料设计来定义手的几何形状并提高手指的弯曲性。这篇新研究论文于 8 月 8 日发表在《Cyborg and Bionic Systems》杂志上，介绍了仿生软机器人手的开发、制造和控制，并证明有限元分析可以作为支持设计和控制的有价值的工具。手的手指。

“最近的研究在软机器人的功能设计、建模、制造和控制方面取得了有影响力的成就。然而，完全实现逼真的运动仍然具有挑战性，通常基于从设计到制造的试错考虑，耗费时间和资源。使用有限元分析来支持设计过程，可以节省时间和资源”，研究作者、科英布拉大学教授 Pedro Neto 解释道。有限元分析包括(a)软材料的超弹性行为，(b)外骨骼和执行器的有限旋转和大应变，以及(c)外骨骼和执行器之间的摩擦接触。“这种集成解决方案将使人们能够以更低的成本更容易地使用软机器人手，避免了耗时的设计制造试错过程”，作者说。因此，他们提出了一种由软执行器核心和外骨骼组成的软机器人手，采用有限元分析辅助的多材料设计来定义手的几何形状并提高手指的弯曲性。

软机器人可以使用多种材料和不同的制造工艺来制造，从硅胶成型到 3D 打印。3D 打印方法给设计和制造带来了显着的好处，可以轻松地在软机器人中引入复杂的几何形状，加速/自动化制造过程，并降低成本。“3D 打印允许在机器人中引入传感和控制元件，促进多个应用领域的创新”，Alves 说。

研究作者表明，使用成型和单步 3D 打印等标准制造工艺，可以降低成本和时间来设计和制造多材料软执行器。开关控制器虽然简单，但即使存在泄漏，也能保持设定的手指弯曲角度稳定。机械手表现出灵活性和抓取不同形状、重量和尺寸物体的能力。

“圆周方向的加固保证了执行器的伸长，从而保证了手指在外骨骼内部时的弯曲。机械手达到了有趣的灵巧水平，能够抓住不同形状和大小的物体。然而，它很难抓住具有光滑表面的较重物体，在拇指运动受到限制的情况下，手指根部表现出集中变形。此外，根据抓握表面和几何形状，手指之间存在机械干扰。由于软手是高度非线性的，大多数感兴趣的变量之间都是耦合的，未来的工作将致力于深入分析抓取现象以及测试基准的进一步标准化，”阿尔维斯说。

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