随着机器人技术和自动化技术的不断更新迭代,交互设备的智能化和自动化越来越重要,而传统刚性结构的夹具和抓手存在更换成本高、控制算法复杂等问题,使其在一些领域中的应用受到了极大地限制,因此柔性抓取技术成为了当下的热门研究。基于智能材料的柔性抓手,因其高度的抓取适应性和简易的控制方式,已被大量的研究,并在机器人、医疗、工业制造等领域具有重大的应用前景。其中磁敏橡胶因其具有快速响应、远程控制、磁控形变、磁控表面粗糙度等特点,成为了柔性抓取领域中的新兴热门研究。然而当前的研究中,磁控柔性抓手的励磁装置和柔性磁敏元件是拆分的结构,导致工作环境中的其他电子元器件容易受到磁场的干扰或破坏,存在应用推广和抓取性能不能兼顾的问题。同时这些研究中,也未曾有考虑过磁场对表面粗糙度的影响。本文将基于磁敏橡胶的柔性抓手作为研究对象,学习人手的结构,设计并优化柔性磁敏元件和励磁装置的一体化结构,同时考虑磁场对表面粗糙度的影响,使本文设计的磁控仿生柔性抓手能够兼顾安全性和抓取性能。设计了一套适用于磁控柔性抓手的性能测试、优化的方法和测试平台,完成了柔性抓手各个部件的性能测试实验。本文主要的研究工作如下:1.阐述了基于磁敏橡胶的柔性抓手的研究背景和重要的工程意义,综述了基于智能材料的柔性抓手、磁敏橡胶和磁控柔性器件的研究现状。明确了磁控柔性抓手的研究中存在的问题,并提出了本文的主要研究工作。2.从磁控柔性抓手的安全性和抓取性能出发,仿照人手结构,将励磁装置和柔性磁敏元件结合在一起,设计了一种一体化磁控仿生柔性抓手,适用于机器人的末端装置或工业生产的分拣抓手。给出了励磁装置产生的磁场的计算公式,为磁控仿生柔性抓手的安全性评估提供了理论支撑。由于励磁装置的一端是无封盖结构,很难计算闭合磁路,因此提出了适用于磁控柔性抓手的励磁装置磁场效果的评价指标。然后使用Comsol多物理场有限元仿真软件对励磁装置进行建模和仿真计算,探究了励磁装置中各个零部件之间的尺寸比例与评价指标的关系。结果显示铁芯和线圈的尺寸比会极大地影响磁场效果的评价指标,磁场效果在比值为1:5之前会随着比值的增大而增大,比值超过1:1时则相反。这表明铁芯的半径比上线圈内外半径之差为1:5时,磁场效果最好,为柔性磁敏元件的研究和优化奠定了基础。还通过仿真对比有导磁外壳和无导磁外壳的励磁装置的磁场分布,发现有导磁外壳的励磁装置可以有效地聚集磁场并增加工作范围。3.在经过性能优化的励磁装置的基础上,从柔性磁敏元件的磁控弯曲特性出发,研究了磁敏橡胶尺寸参数对于弯曲角度的影响。在Comsol多物理场有限元仿真软件中对仅具有单指的柔性磁敏元件进行建模,采用单一变量法研究长方体柔性磁敏元件的长度、宽度、厚度以及与轴心的距离分别对于弯曲角度的影响。结果表明弯曲角度会随着柔性磁敏元件的长度和与轴心的距离的增加而增加,且长度影响较大,与轴心的距离影响较小。柔性磁敏元件的宽度和厚度对弯曲角度的影响则相反,且厚度的影响较大,宽度的影响较小。通过仿真还发现,磁场方向会影响弯曲的方向,这表明磁控柔性抓手可以通过改变磁场方向扩大柔性抓手的抓取体积。制作了钕铁硼体积比不同的柔性磁敏元件样本,通过实验发现20%体积比的柔性磁敏元件弯曲性能最好,弯曲到90°仅需要22m T。还发现磁场会使柔性磁敏元件的表面粗糙度增加,这进一步增强了柔性抓手的抓取能力,为柔性抓手的性能研究和实验验证奠定了基础。最后通过理论解释了柔性磁敏元件弯曲以及表面粗糙度变化的现象,为柔性磁敏元件的磁场控制提供了理论支撑。4.设计了适用于磁控柔性抓手的抓取性能测试方法并搭建了测试平台,实验结果表明,被抓物体的形状和尺寸、柔性磁敏元件的长度都会影响抓取力。对于一种尺寸的物体,都能找到一个最优的手指长度,使抓取力最大。磁控柔性抓手在空心形状的物体上产生的抓取力最大,在长方体上产生的抓取力最小。在使用四指柔性抓手抓取圆球的实验中,最大抓取能效为0.524g/m T。最后进行了柔性抓手的抓取适应性和安全性的验证实验,实验证明柔性抓手可以仅通过开关控制来适应性的抓取不同的物体,且不会影响工作环境中的其他电子器件,保证了安全性。