近期，上海交通大学机械与动力工程学院陈飞飞副教授团队在Science China Technological Sciences上发表题为“Tailoring the in-plane and out-of-plane stiffness of soft fingers by endoskeleton topology optimization for stable grasping”的研究论文，介绍了通过多目标拓扑优化的内骨骼手指设计，其可提升抓取承载能力和抗扰动能力，并进一步提升了软体抓手的通用性和稳定性。
复杂环境条件下的机器人应用需求对仿生软体抓手的输出力、交互能力、稳定性提出了更高的要求。目前的软体抓手通常只关注面内大变形和载荷能力，而忽略了面外载荷的影响，这在实际场景中可能会引起整体结构的侧向偏移或者扭转，导致抓取不稳定（图1）。解决这一问题需要从多个方向进行刚度调控设计，抓手不仅要承受面内与物体的相互作用力，还要承受面外扰动载荷，在气压驱动下成功完成抓取任务。
图1 面外侧向弯曲引起的抓取失稳
针对目前遇到的问题，作者设计了一种新型的“内骨骼”增强式气动软体手指，充分利用气动结构内部空间，将弹性模量相对较大的“内骨骼”嵌入并贴附于广泛使用的气动多腔体驱动器（Pneu-nets，图2），实现“骨肉相连”，并优化了“内骨骼”的材料布局，对手指不同方向上的刚度进行调控，以实现在面内和面外耦合载荷下显著的面内弯曲和较小的侧向弯曲。
图2 内骨骼增强式手指初始设计
首先利用超弹性材料大变形理论和有限元分析软件完成对于气动软体手指耦合弯曲变形行为的仿真分析，基于变密度方法建立拓扑优化问题的数学模型，对Abaqus/CAE仿真软件进行二次开发，最终搭建了多目标拓扑优化计算框架，通过多目标拓扑优化方法对手指的内骨骼材料布局进行优化迭代，最终优化过程稳定收敛，优化结果边界清晰并且其主要特征具有物理可解释性（图3）。
图3 多目标拓扑优化历程
基于多目标拓扑优化的结果，作者提取了优化后的内骨骼的关键结构特征并进行参数优化（图4），采用 3D 打印和硅胶复模工艺制备、组装了软体手指（图5），并且完成手指的面内与面外弯曲性能表征（图6，图7）。
多工况实验结果表明，嵌入优化内骨骼的软体抓手在发挥软体气动结构大变形优势的同时，明显提高了面外抗弯刚度，从而进一步提高软体抓手的负载能力和抗干扰能力，使得抓握动作更稳定，对大多数生活常见物品具有良好的抓取效果，有利于实现软体机器人面向实际场景的应用。
https://doi.org/10.1007/s11431-022-2346-6.
