变刚度柔性夹持装置的研究进展*

陆玄鸣,白 敬,王保升

(南京工程学院 智能装备产业技术研究院,江苏 南京 211167)

0 引 言

传统的机器人手爪或夹持器基本都是由电机驱动的刚性部件构成,如工农业生产中常见的安装于机械臂末端的夹持装置。这类夹持装置虽然应用广泛,但普遍存在柔顺性不够的缺陷;如果要将其应用于抓取易损物品(例如玻璃制品、水果、蛋类等),则容易造成对被抓取对象的损伤或破坏。因此,有必要研发能够适应这类易损物品抓取的柔性手爪或夹持器。

柔性夹持器主要由柔顺性较好的软材料构成。其驱动方式包含多种新型驱动方式,如气压(液压)驱动[1-2]、形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)驱动[3-4]、电活性聚合物驱动[5-6]、介电弹性体驱动[7-8]、化学驱动[9-10]等。柔性夹持器能够弥补传统夹持器柔顺性不足的缺点。在工农业生产的自动化抓取场合中,柔性夹持器因其柔顺的特性,在抓取玻璃制品、水果、蛋类等易碎易损物品时,可有效避免对抓取物造成损伤[11-12];在医疗康复领域,相较于传统的刚性康复器,柔性康复器可以最大限度减少在康复过程中对病人造成二次伤害(因使用刚性夹持器)[13-14]。

因此,工农业领域和医疗康复领域的实践也都对柔性夹持器的研究提出了迫切需求。

为了满足业界需求,国内外关于纯柔性夹持器的研究如火如荼。虽然纯柔性夹持装置克服了传统机械手爪或夹持器刚性大的缺陷,但其普遍存在一个关键问题—夹持力不够,导致其难以在实际应用中推广开来。

由于纯柔性夹持装置的夹持臂主要由柔软的材料(例如硅胶)制成,通过加压变形实现夹持,其刚度依然很低;在夹持重物时,当柔软的夹持臂无法承受夹持物的重力作用,往往会使夹持物脱落,造成夹持动作失败。如何在保证实现柔性夹持的同时,又提供充足的夹持力,这是业界对柔性夹持装置提出的更高要求。“刚柔并济”型夹持器便因此应运而生。

柔性夹持装置的刚度一般由构成夹持臂的软体驱动器决定。提高柔性夹持装置的夹持力、实现夹持装置的整体刚度可变,关键在于对作为夹持臂的软体驱动器的刚度进行调节与控制。对此,国内外学者普遍采用的方法是在传统纯软体驱动器的基础上,增加提高或改变夹持器刚度的装置。常见的用于提高或改变软体夹持装置刚度的方法主要有以下3种:1)增加刚性内骨骼或外骨骼结构[15-17];2)利用干扰(阻塞)效应[18-59];3)内嵌低熔点合金或聚合物[60-64]。其中,在其夹持过程中,后两种改进方案还可实现夹持装置刚度的可逆变化。

当使用特定结构初步实现柔顺抓取后,若要进一步实现稳定可控的夹持目标,并将夹持装置逐步推向实际应用,对变刚度柔性驱动器建模及控制策略的研究也是必不可少的。从当前国内外的研究现状来看,对于变刚度柔性驱动器理论建模与控制策略的研究相对于结构功能的研究要少得多,而这将直接制约变刚度柔性驱动器研究的可持续性以及未来的推广应用。

基于当前学界对变刚度柔性夹持装置的研究现状与业界的实际需求,笔者首先对变刚度柔性夹持装置的常见结构进行系统分类,从干扰介质、结构特征以及工作方式等角度对各种常见结构进行对比,总结各种常见结构的主要优缺点;然后列举并分析关于变刚度柔性夹持装置建模与控制的主要研究成果;最后对当前变刚度柔性夹持装置领域中尚待深入研究的问题进行分析与总结,以期达到为后续本领域研究工作提供参考的目的。

1 变刚度柔性夹持装置常见结构

在当前国内外的各项研究中,变刚度柔性夹持装置的结构形式主要有以下几种:添加内骨骼或外骨骼结构、基于干扰效应、内嵌低熔点合金或聚合物等。

其中,基于干扰效应的变刚度柔性夹持装置是当前研究的主流方向。

1.1 包含内、外骨骼结构的柔性夹持装置

在原有纯软体夹持装置(FS-Gripper)的基础上,南京理工大学的研究团队在3个夹持臂内增加了内骨骼结构,开发了一种新型夹持装置E-Gripper。

包含内骨骼结构的柔性夹持装置如图1所示[15]。

图1 包含内骨骼结构的柔性夹持装置

该夹持装置把用于驱动变形的软体部分与用于承受夹持力的内骨骼部分独立开来,从而在不影响软体部分充气变形的前提下,使嵌入的内骨骼结构能承受更大的夹持力,以便夹持更重的物品。

试验结果表明:增加了内骨骼结构的软体夹持装置(E-Gripper),其夹持力可提升至35 N,约为纯软体夹持装置(FS-Gripper)的3.5倍。此外,E-Gripper的响应时间也比FS-Gripper要快约1 123 ms。

西安交通大学的研究团队通过在软体驱动器外部添加刚性框架结构,以约束驱动器的变形并提高其刚性。

包含外骨骼结构的柔性夹持装置如图2所示[16]。

图2 包含外骨骼结构的柔性夹持装置

试验结果表明:与纯软体驱动器相比,添加刚性外骨骼结构的驱动器,其能源利用率、输出力以及变形响应速率都有较明显的提高。此外,在其使用过程中,添加的外骨骼结构能够有效地保护内部的柔性结构,从而延长装置的使用寿命[16]。

由于其刚性结构的作用,包含内骨骼或外骨骼结构的柔性夹持装置可提高夹持装置的整体刚度,并减少驱动过程中柔性结构所产生的无效变形;因此,较传统的纯柔性装置,其在夹持力和响应时间方面有明显改善。

但该装置一旦完成制作,在整个夹持过程中无法实现刚度的改变和调节,使得夹持装置在抓取阶段(夹持臂与夹持物从未接触到接触的阶段)仍保持了较高的刚度,从而加大对易碎易损夹持物造成损伤的风险。

1.2 基于干扰效应的夹持装置

干扰效应,又称为阻塞(jamming)效应,是一种颗粒或片材等较小的碎片组成的材料,由柔性状态变为类似固体状态的物理过程。根据干扰材料的不同,其又可细分为颗粒干扰(granular jamming)和层干扰(layer jamming)。

两种典型干扰结构如图3所示[18-19]。

图3 两种典型干扰结构

由于干扰效应是一种可逆的物理过程,因此,利用干扰效应可以实现驱动器由软变硬后又恢复柔软的完整过程。

1.2.1 颗粒干扰

在颗粒干扰型变刚度软体驱动器中,如果将颗粒在驱动器变硬或变软的物理过程中所受的外力进行分类,颗粒干扰又可分为真空颗粒干扰、外部压力干扰、流变性干扰以及重力干扰。其中,由于实现流变性干扰和重力干扰较为困难,目前较少用于柔性夹持装置,故此处不作深入阐述。

真空颗粒干扰是指当粒子层处于真空状态时,与外部环境形成压力差,对颗粒产生挤压作用,使粒子层内颗粒堆积变硬,从而提高软体驱动器刚度的过程。基于真空颗粒干扰效应的柔性夹持装置通常采用两种典型结构,分别为全干扰型和部分干扰型。

其中,全干扰型夹持装置用于夹持的驱动器仅由颗粒物及其外层的包裹膜构成,不含其他驱动结构。

在其抓取阶段,首先在夹持器柔软状态下包裹住待抓取物品,随后将整个夹持装置抽真空,包裹膜内颗粒产生干扰效应,使刚度明显增加,从而牢牢抓住物品;在其释放阶段,仅需在物品释放点解除装置的真空状态,则颗粒干扰效应消失,夹持器逐渐恢复柔软状态,从而平稳释放物品。

几种典型的全干扰型夹持装置如图4所示[20-23]。

图4 几种典型的全干扰型夹持装置

图4(a)中,显示的是美国康奈尔大学和芝加哥大学联合开发的一款基于颗粒干扰效应的夹持装置,即一款典型的全干扰型夹持器[20-21]。

该装置采用单一囊状结构,在物品释放阶段使用了正压,即包裹颗粒的膜内相对气压由负压先升至零,之后继续施加一定的正压。与未施加正压的系统相比,该措施使得夹持系统的可靠度提升了85%,容错度提升了25%,对夹持物品施加的力减小了90%,从而更有利于保护易损的夹持物品,同时使工作空间和定位精度都有了一定的提升。

图4(b)中,显示的是美国罗德岛大学海洋工程团队开发的一款安装在深海探测器上,用于抓取海底采样物的柔性夹持装置[22]。该夹持器同样采用了内部包裹干扰颗粒的单一囊状结构。为了适应海底的工作环境,其用于产生干扰效应的介质从空气变成了液体,通过向囊内抽取或是充入液体,同样可以达到改变夹持器刚度的目的。

图4(c)中,显示的是英国索尔福德大学的研究团队研发的一款夹持装置[23]。它选择了大米作为产生干扰效应的颗粒,大米外侧依次包裹了橡胶膜和编织层。该夹持装置采用了类似手爪的结构,包含3个独立的长条状全干扰型驱动器。试验结果表明:该夹持装置在产生颗粒干扰效应之后,刚度从原先的21 N/m提升到了71 N/m。

部分干扰型夹持装置,其产生干扰效应的部分仅作为用于改变夹持器刚度的一个部件,除此之外还包含使夹持装置变形,并完成夹持动作的驱动部件。

重庆大学的研究团队在传统的气驱型长条弯曲式软体驱动器的基础上,在原驱动器充气弯曲的一侧添加了用于产生颗粒干扰,从而改变了刚度的干扰层。

部分干扰型夹持装置如图5所示[24]。

图5 部分干扰型夹持装置

该干扰层长度和宽度都与原驱动器相同,具有一定的厚度,紧紧贴合在原驱动器弯曲的内侧,其内部含有大量细小颗粒。添加了干扰层后的驱动器,外侧的驱动层与内侧的干扰层均有气道引出,驱动层的气道与气泵相连,用于充气产生弯曲变形;而干扰层的气道则与真空泵相连,用于改变驱动器整体的刚度。

试验结果表明:在相同驱动气压下,与未添加干扰层结构的手爪相比,基于该干扰层结构的软体手爪可抓取重量更大的物体,抓取能力因此得到了显著提升[24]。

外部压力干扰是指包裹在特定干扰层内的颗粒在受到外部向其施加的压力时,被动卡住使刚度提升的过程,如图6所示[25-26]。

图6 外部压力干扰型夹持装置

图6(a)中,香港大学研发的一款夹持装置中,同样包含3个独立的基于颗粒干扰效应的软体驱动器;与文献[24]不同的是,这3个驱动器的干扰层并没有采用抽真空的方式使刚度发生变化,而是直接通过对应夹持物以及夹持力对包含颗粒的干扰层的反作用,使干扰层被动产生干扰效应,从而提升了夹持装置的刚度[25]。

该系统结构相对简单,无需真空发生装置,且试验结果表明,该装置夹持重物的能力与部分干扰型夹持装置差异不大。

图6(b)中,燕山大学的研究团队摒弃传统手形夹持装置的外观,研制了一款基于外部压力干扰的圆筒状夹持装置[26]。该夹持装置的内壁和外壁柔软,于底部相连,顶部与安装在机械臂末端的法兰连接,内外壁之间是层层相叠的,串成项链式的颗粒。当法兰带动内外壁发生相对转动时,整个圆筒就会扭转,挤压中间的颗粒,产生干扰效应,从而夹紧圆筒内侧的物品。

1.2.2 层干扰

层干扰与颗粒干扰的原理相似,其区别在于将用于产生干扰效应的颗粒物换成了层层相叠的薄膜,当层叠的薄膜受到挤压作用时,会极大地增加各层薄膜之间的摩擦力,从而使得夹持器整体的刚度得到提升。

日本立命馆大学利用整体3D打印技术研制了一款基于层干扰效应的可变刚度软体驱动器[19]。该驱动器的结构类似于颗粒干扰中的部分干扰型驱动器,其外侧为充气弯曲的驱动层,内侧为包含层叠结构的干扰层,如图3(b)所示。当干扰层抽真空后,产生层干扰效应,可提升驱动器整体的刚度。用该驱动器制作的柔性手爪可以在较高速度以及加速度的情况下,稳定地抓取物品。

西安交通大学的研究团队利用薄膜间的静电吸引作用来产生层干扰效应,并以此为基础,设计了一款可变刚度软体驱动器,如图7所示[27]。

图7 基于层干扰的夹持装置

图7中,用于产生干扰效应的薄膜层位于驱动层内侧,外侧的柔性驱动层表面包含限制膨胀变形的外骨骼结构。

试验结果表明:在薄膜层数为5层,有效层叠干扰面积为6.4 cm2的情形下,驱动器的刚度在产生层干扰效应之后可提升为原来的7倍。

1.2.3 颗粒干扰与层干扰相结合

除了单一干扰形式,香港科技大学团队还将最常见的两种干扰形式—颗粒干扰和层干扰进行了整合,设计出了一款集两种干扰效应于一体的变刚度软体驱动器,为刚度可调式夹持装置提供了新的研究方向和思路。

颗粒干扰与层干扰相结合型驱动器如图8所示[28]。

图8 颗粒干扰与层干扰相结合型驱动器

该驱动器仍为部分干扰型结构,驱动层与干扰层相互独立。其中,驱动层由气压驱动,干扰层则同时包含颗粒部分与薄膜部分,与真空泵相连。

试验结果表明:该驱动器在产生干扰效应后,刚度提升了5.52倍。利用该驱动器制作的手爪可以根据待抓取物品的实际情况,灵活选择是否需要施加干扰效应,通过调节真空度来改变驱动器的刚度,以适应不同抓取需要[28]。

1.2.4 其他干扰形式

除了上述最常见的两种干扰形式(颗粒干扰与层干扰)外,近期的一些研究成果还提出了一些其他类型的干扰形式,如新加坡国立大学提出的管状干扰以及意大利比萨圣安娜大学提出的纤维干扰。

其他干扰型驱动器如图9所示[29-30]。

图9 其他干扰型驱动器

管状干扰是指在干扰层中排布一系列柔软的管路,在管路未充气的情况下,干扰层呈现柔软的状态;而当这些管路充气时,就会发生膨胀,各条管路相互挤压,就会产生干扰效应,从而使驱动器整体的刚度提升。

试验结果表明:具有该干扰层结构的驱动器最大能够承受其自身重量33倍的外力作用。基于纤维干扰的驱动器的基本结构是一束包裹在薄膜内的纤维束,通过在薄膜内抽取真空,使得纤维相互挤压,达到提升驱动器刚度的目的,原理与颗粒干扰或层干扰相似。该研究也为干扰介质的选择提供了一种新的思路。

基于干扰效应的结构是当前变刚度夹持装置领域的研究热点,其种类繁多,各类别之间存在一定的共性与差异。

以下,笔者就从干扰介质、结构特征、工作方式、典型实例4个方面,对上述几种干扰结构进行对比和总结。

基于干扰效应的主要结构分类如表1所示。

表1 基于干扰效应的主要结构分类

相比于颗粒干扰,层干扰结构的干扰层内,由于层层相叠的膜与膜之间的接触面积更大,可以更有效地利用可用的体积,产生更大的摩擦阻力,从而增大了刚度的变化范围。但是其结构相对复杂,制造起来也比较麻烦。

其他干扰形式,如管状干扰和纤维干扰,由于方案提出时间不长,已开展的研究工作有限,还未有应用于物体夹持的具体研究案例。但从已有的试验数据可以看出,其刚度变化以及承力性能都能基本满足变刚度夹持的需求,具有较好的发展与应用前景。

因其制造方便、结构和驱动方式灵活多样等优点,目前颗粒干扰被大多数研究者所使用,技术发展相对成熟,用来作为调节柔性夹持装置刚度的有效手段。但同时也应注意到,颗粒干扰的干扰介质相比于其他干扰形式刚度更大,因而在其产生干扰效应后,夹持装置整体的刚性也会相对较高,更易损伤被夹持物品。

1.3 内嵌低熔点合金或聚合物

这一类驱动器的结构与上述部分干扰型驱动器相似,弯曲变形的外侧为充气的驱动层,原内侧的干扰层换成包含低熔点合金或是聚合物的内骨骼层。当加热内骨骼层时,特定位置的低熔点合金或是聚合物就会受热熔化,从而使其刚度下降,驱动器更易发生弯曲变形。而当解除加热时,熔化的合金或是聚合物又会恢复成原先的固态,使刚度提升、变形保持。

几种典型的内嵌低熔点合金或聚合物的软体驱动器如图10所示[60-63]。

图10 几种内嵌低熔点合金或聚合物的软体驱动器

图10(a)和图10(b)中,是北京航空航天大学和日本东京大学的研究团队分别开发的一款基于低熔点合金的变刚度软体驱动器[60-61]。在加热后,两款驱动器刚度分别降至原来的28.6%和30.3%。

图10(c)中,是香港大学的团队利用热塑性聚氨酯研发的变刚度软体驱动器。在加热后,其刚度约是原来的1/6[62]。

图10(d)中,是密歇根州立大学的团队利用聚乳酸研发的驱动器,加热后弹性模量下降了98.6%[63]。

由于合金或是聚合物的熔化和凝固都是一种相对缓慢的物理过程,因此,响应时间太长是这类变刚度软体驱动器的最大缺陷。在上述几种驱动器中,响应最快的也需加热将近10 s,驱动器的刚度才能明显下降。而达到如此的响应速度,还需要配合8 A左右的大电流用于加热,这对设备和驱动器的绝缘以及耐热性能的要求也较高。

此外,对于驱动层的硅胶类柔性材料,频繁加热会使其力学特性发生不可逆的转变,柔性和弹性会逐渐降低,产生相同变形所需的气压会逐渐增大,硅胶表面易出现裂痕并最终开裂,大大缩短驱动器的使用寿命。

1.4 其他改变驱动器刚度的方法

除了利用上述的干扰效应以及低熔点合金或聚合物这两种常见的方法来改变软体驱动器的刚度外,还有一些其他的研究个例。

其他刚度可变型夹持装置如图11所示[65-67]。

图11 其他刚度可变型夹持装置

图11(a)中,是美国内华达大学和卡内基梅隆大学的研究团队通过在原软体驱动器的侧面增加腱结构,研发的一款可变刚度柔性夹持装置[65]。贴合在其驱动器侧面的腱由导电的热塑性弹性体构成,通电加热后的15 s内,其刚度会发生可逆性改变。

图11(b)中,是英国索尔福德大学研究团队开发的夹持装置。其利用每个驱动单元本身充气时产生的刚度变化,实现了驱动器整体刚度可变的目标[66]。充气变硬后,该夹持装置能够夹起自身重量6.9倍的物品。

图11(c)中,是美国德克萨斯A&M大学的学者开发的一种关节刚度可变型夹持装置[67]。该夹持装置包含3个独立的软体驱动器,每个驱动器包含3个软体指节与2个可变刚度气动关节。当关节部位充气时,该驱动器整体刚度就会得到提升。

综上所述,当今国内外关于变刚度柔性夹持装置结构的研究主要集中在基于干扰效应这一结构基础上,其中又以颗粒干扰和层干扰为研究主流。

另外,还有一些较为新颖的干扰方式于近年来被提出(例如管状干扰和纤维干扰),为干扰效应结构提供了新的研究思路和方向。

除了基于干扰效应的结构,包含内骨骼或外骨骼的结构以及内嵌低熔点合金或聚合物的结构也被部分研究者采用,其同样也是变刚度柔性夹持装置结构的重要研究方向。

在柔性夹持领域,各种结构类型同时存在着优势与不足之处。

变刚度柔性夹持装置常见结构对比如表2所示。

表2 变刚度柔性夹持装置常见结构对比

2 变刚度柔性驱动器建模与控制

由于变刚度柔性驱动器结构复杂,理论建模难度较大,当前学界关于变刚度机理的研究大多还是依靠仿真和试验的方法来完成,如利用有限元、离散元等方式进行仿真分析,并基于试验数据,采用曲线拟合等方式建立近似理论模型[68-69]。

利用上述研究方法,虽然能在一定程度上揭示变刚度柔性驱动器在工作过程中变形以及刚度变化的机理,但仍缺乏足够的理论支撑,其普适性不强。

从近期的研究成果来看,已经有研究者开始关注变刚度柔性驱动器的理论建模问题。相关团队基于力学原理,建立了描述驱动器弯曲弹性模量与干扰颗粒摩擦角、干扰层内外气压差以及干扰层包裹薄膜弹性模量等因素之间关系的解析模型。该模型可有效预测基于颗粒干扰效应的驱动器在不同结构与工作参数下的弯曲变形以及刚度变化的能力,在变刚度柔性驱动器的设计过程中,减少试验研究的工作量[70]。

然而,该模型虽能大致预测驱动器刚度变化的能力,但精度仍然偏低,特别是在干扰层内外气压差较小时,其理论模型与实际试验的相对误差达到近20%。

此外,该模型仅考虑了单因素对驱动器刚度的影响,而在实际中,驱动器的刚度变化是多因素耦合影响的结果。

与普通软体驱动器一样,目前变刚度柔性驱动器仍然缺少类似于传统刚性机器人的成熟普适的控制理论,现有的控制方法大多是根据特定的驱动器或是实际需求而设计开发的。同时,也正由于其自身控制理论的不成熟,作为末端执行器的变刚度柔性夹持装置与现有成熟的机械臂产品之间的配合与协同控制研究也少有涉及。

3 结论与展望

从目前国内外关于变刚度柔性夹持装置的研究现状来看,大多数学者选择利用干扰效应来调节作为夹持臂的软体驱动器的刚度,通过设计不同的驱动器整体结构或是干扰层内部结构,来实现变刚度抓取的目的。然而在现阶段国内外的研究中,该领域仍存在着一些尚待深入研究的关键问题。

首先,对干扰效应变刚度机理的定量分析和理论建模尚待深入研究。在当今国内外关于变刚度软体驱动器的大量研究中,主流方向是对驱动器整体结构及其驱动方式的研究与创新,鲜有学者对干扰结构产生干扰效应的过程和机理进行深入的分析研究,例如颗粒干扰效应中驱动层正压、干扰层负压、包裹颗粒的膜材料、颗粒材料以及颗粒的形状尺寸等因素对驱动器刚度的影响。

伦敦国王学院的研究团队研究了5种不同包裹膜对颗粒干扰效应中驱动器的柔性和刚性的影响,结果表明,聚乙烯薄膜可以提供最高的刚度,而乳胶薄膜柔性更佳,能承受较大的刚度变化范围[71]。德国埃尔朗根-纽伦堡大学与芬兰阿尔托大学的研究团队均发现:相比于纯刚性的干扰颗粒,包含具有一定柔性颗粒的夹持装置能够提供更大的夹持力[37,42]。约旦扎伊托纳大学的研究团队通过试验发现:适当加大干扰颗粒的大小,并在干扰层内添加少量水,可以有效提高夹持装置的夹持力[36]。然而,芬兰阿尔托大学的研究又给出了相反的结论:即在其他条件相同的情况下,干扰颗粒更小的夹持装置反而能提供更大的夹持力[42]。

总体而言,上述这些研究仅从试验的角度定性地阐述了包裹膜、干扰颗粒等因素对产生干扰效应的驱动器刚度以及夹持力的影响,未有进一步的定量分析和理论建模;同时,由于研究角度、试验方法等的差异,研究中还出现了相反的结果,这些问题与不足都需要通过后续的研究来进一步解决。

此外,对于常见的气驱式变刚度驱动器,其刚度的变化往往是多重因素叠加影响的结果。因此,有必要研究气压驱动与干扰效应所包含的多重因素之间的耦合效应对驱动器刚度的综合影响,以便更有效地优化驱动器的结构参数和工作参数。

其次,变刚度柔性夹持装置的协同控制机理问题尚待进一步研究。目前,国内外的相关研究大多局限在原理机的设计与开发,大多未有预设的具体应用场合,因而在研究中缺乏针对具体问题的解决方案,如许可夹持力的大小、夹持臂张开与收缩的幅度大小以及作为末端执行器的夹持装置与机械臂的协同控制问题等。

虽然部分研究[19,26]涉及与机械臂的衔接并可完成一些简单的夹持动作,但并未形成完整成熟的控制理论及策略。有必要设计并建立一套完整且成熟的控制系统,以理论模型与试验数据为基础,一方面可根据不同夹持对象,对夹持力、夹持臂张开幅度等参数进行灵活反馈与控制,以实现多用途的可靠夹持;另一方面,可与现有机械臂无缝衔接,进行协同配合工作,以实现稳定高效的夹持[72]。

最后,变刚度柔性夹持装置的可靠性和寿命问题尚待研究。由于柔性材料的力学特性受工作环境和时间的影响较大,在不同工况条件下,一些柔性材料(如硅胶、橡胶等)的力学特性(如硬度、延展性等)都会存在较大的差异,且会随着使用时间和频次的增加,产生不可逆的改变。因此,对变刚度柔性夹持装置可靠性和寿命的研究是保证其长期稳定工作的重要前提。

当前,对于变刚度柔性夹持装置的研究是软体驱动器领域的一个热门方向。国内外许多学者都创新地提出了各种实现刚度可变可调的结构和方法,也对驱动器的建模与控制进行了初步探索。但针对上述关键问题的研究,目前仍存在大片的空白,需在以后的研究中进行填补,逐步完善。

作为传统纯刚性与新型纯柔性夹持装置的一条“中间道路”,变刚度柔性夹持装置兼备了刚性与柔性夹持装置的优点,做到了“刚柔并济”,在工农业自动化生产、医疗康复等领域具有广阔的应用前景。

同时,对变刚度柔性夹持装置的创新研究,也符合我国“十四五”规划中关于“推动制造业高端化智能化,推动机器人、工程机械、医疗设备等产业创新发展”的总体要求,因而其发展潜力巨大。