机械工程学报

作者：王振宇, 孙建伟, 张美玲, 丛明, 褚金奎

单位：1. 大连理工大学机械工程学院 大连 116024;2. 长春工业大学机器人研究院 长春 130012;3. 大连理工大学宁波研究院 宁波 315032

关键词：刚柔耦合机械手,变刚度,一体化制备,运动学分析,抓取实验；

基金：国家自然科学基金(52175265, 52275006)和吉林省科技厅重点研发 (20240302067GX)资助项目。

针对刚度调控困难以及因刚度显著差异导致的刚柔界面结合问题，提出了一种结合仿生设计的多级可调刚度机械手及其刚柔耦合一体化制备工艺。基于人体骨骼-肌肉协同机制设计了三段式手指结构，利用刚性、柔性材料复现骨骼、肌肉特征。融合增材制造与浇筑工艺的优势，采用结构嵌入与胶接冗余设计，刚柔界面结合强度提升120%(106 N)，瞬态断裂力可达单节刚柔部件自重的2 400倍。通过结构物理约束重构替代肌肉拮抗作用，提出基于多级拮抗力臂的刚度调节策略。该策略在保留独立屈肌腱驱动结构的基础上，引入棘齿锁定机构，实现肌腱止点在远节指骨轨道内的多位置切换，进而调节拮抗力臂长度，赋予手指可调刚度能力。相比传统多肌腱协同控制方式，该方法在无需复杂控制系统的前提下，实现了调控比1:1.56的宽域刚度调节和43.5°至83.6°(跨度92.2%)的可达空间调控。基于Denavit-Hartenberg(D-H)参数法建立运动学模型，结合静力学分析验证了拮抗力臂对末端力和工作空间的影响规律。实验结果表明，该机械手能够实现4~234 g范围的不规则形状、刚性与柔性混杂物品的分级匹配夹取，验证了变刚度机制与负载的有效匹配能力，通过预设多工况及重复性场景验证了抓取稳定性，展现了其在非结构化抓取任务中的应用潜力。

来源：2025年第21期

《机械工程学报》期刊编辑部

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