问题描述
最近，看到一个机械爪抓取蚊香灰的视频，第一感觉是非常interesting，作为技术爱好者，非常迫切的想要了解产品背后的技术原理~，因此，这两天忙里偷闲，对相关资料进行归纳汇总，具体内容如下所示：
机械爪实现蚊香灰抓取，主要的技术难点有：1、柔性夹爪材料力学特性与几何结构之间的耦合；2、气压传感器测量精度；3、电磁阀驱动模块设计，实现气压的精确控制；
01技术详解
柔性机械爪主要由软材料加工制造而成，能够实现物体的无损抓取，在食品加工、医疗以及工业制造等领域具有广泛的应用；其外观结构如下图所示：
调研可知，柔性机械爪的技术理念来源于哈佛大学Whitesides教授（仰望级别的存在），其核心本质属于力学问题，研究软材料在压力作用下的变形规律；具体的结构尺寸参数如下图所示：
上图表述为柔性机械爪的整体示意图，其张开幅度为：0-12mm；在工作范围内，随着输入压力的增大，机械爪张开位移逐渐增加；然而当机械爪张开角度超过一定范围后，由于夹爪的几何外形发生较大改变，使得输入压力与张角之间呈现明显的非线性；附：图片来源于‘柔触机器人’官网；
附录：补充材料
附1、柔性夹爪机械结构以及加工工艺？
针对水果、电路板等大型试件夹取，单个柔性机械爪的张开幅度不能满足需求，因此，工程技术人员进行了优化改进，具体如下图所示：
从上图可知，柔性夹爪主要由指面与手指底板两部分组成；当输入压力发生变化时，两者之间的变形差异使得夹爪出现弯曲变形，从而实现物体的夹取；其中，单个夹爪的详细结构如下图所示：
研究资料表明，指面的刚度较低，对外界压力变化较为敏感；因此，输入正压后指面发生的变形量较大，夹爪向内侧弯曲，呈现夹紧状态；相反输入负压时，夹爪整体向外侧弯曲。
过往的研究经验表明，设计环节相对容易，更关键的任务是如何将设计方案具象化，做出原理样机，在逐步迭代优化中将方案进行完善；针对柔性机械爪的加工方案，现对相关的资料进行归纳汇众，具体如下所示：
柔性机械爪主要分为指面和手指底板两部分，分别通过浇筑的方式进行批量化生产，后续通过专门的粘接剂，实现驱动腔的密封；其中，试验中采用液体硅胶（Dragon skin 30）作为基体材料；
柔性机械爪加工完成后，首先需要进行相应的标定实验，针对不同的输入压力，得到夹爪张开幅度与夹持力之间的关系，具体如下图所示；
附2、柔性机械爪控制方案？
柔性机械爪控制系统的主要框架为：通过调节电磁阀开合的程度，使得气压泵输出不同压力幅度的气体，进而控制夹爪的张开位移，实现物品的抓取以及夹持力的控制，具体如下图所示：
上图中红色表示信号线，黑色表示气压管路线；其中，控制板采用stm32f103主控芯片（与信号采集板采用的主控芯片完全一致），通过采集mems压力传感器输出的信号幅值，后续基于相应的算法（PID），给电磁阀和气压泵输出相应的控制信号，进而实现精确的压力控制；
附：对于mems压力传感器，一般情况下满量程的输出信号幅值为50mv；前期自己做的信号采集板，信号检测精度达到5uv以内（0.01%），相当于压力检测环节引起控制板输出的气压偏差为不超过20pa；反馈到夹爪的夹持力，精度偏差达到0.1mg；调研相关资料，该技术指标大于人体皮肤的灵敏度；
附3、柔性夹爪材料及力学特性？
柔性机械爪采用有机硅橡胶加工制备而成；为了提高材料的抗撕裂性能以及断裂伸长率，在有机硅橡胶基体中掺杂有硅油、碳纳米管以及纳米二氧化硅等填充物。实验研究表明：随着硅油含量的增加，材料的硬度逐渐下降，断裂伸长率逐渐增加；另外，随着碳纳米管及二氧化硅填充物含量逐渐增高时，橡胶的硬度增加，断裂伸长率减小；
附4、柔性夹爪的应用场景及优缺点？
机械爪主要包含：刚性机械手爪、真空吸盘以及柔性机械爪等；其中，刚性机械手爪在使用过程中，难以控制夹持力度，很难对柔软、脆弱物体实现无损抓取。另外，真空吸盘在搬运过程中难以适应表面粗糙、开孔的异形物体。柔性机械爪能够克服两者的弊端，实现物品的无损抓取，大大提高了人机相容性；
然而，柔性夹爪也有相应的弊端，主要体现在：1、控制繁琐：需要正压和负压切换（正压控制打开，负压控制夹紧）；2、夹持力较弱，不适合重型工件的夹持；3、夹紧自定位能力差，机械臂运行速度过快时候，自变形严重；
附1、个人认为：系统实现的难点不在于夹爪结构设计以及材料选择，不在于气泵的精度；其核心技术为：在种种客观条件的制约下，将单个技术集成到一起，做出满足实际需求的产品，实现技术、资源的整合；尽管产品不是最完美的，但是能够在社会中找准自己的定位，真正的带来价值；
附2、参考文献：刚柔复合软指的设计与性能分析[D]；一种柔性材料[P]；气路分配组件及使用该组件的正负压调节集成模块[P]；一种新型柔性手指[P]；