现代工业生产线上需要一种柔顺安全、形状适应性强、且具有足够抓取力的软体手爪,可对多种规格以及易碎易损伤的物品进行安全可靠的抓取。目前各类软体手爪虽然具有柔顺和适应不规则形状的优点,但普遍存在抓取力不足的问题。大部分软体手爪都是由纯软体材料制作,其本身刚度小的性质决定了抓取力较小,且在工作状态下会产生各种不需要的变形,如径向膨胀、轴向伸展以及不规则形变等,导致其抓取能力降低。为解决这一问题,提出了一种新型关节式内骨骼气动软体手爪。针对该新型软体手爪,展开了包括结构设计、仿真、数学建模、性能试验、动作与输出力控制以及抓取策略等一系列的研究工作。为了克服软体手爪抓取能力不足的问题,提出了一种气压驱动的关节式内骨骼软体手爪的设计构思,从结构上将软体手爪的驱动与承力功能分解。软体手指外部采用周向均匀缠绕纤维的软体硅橡胶层作为手指肌肉,通过气压驱动产生轴向伸展而实现柔顺的弯曲变形动作;手指内部嵌入通过铰链连接的刚性单元充当手指的内骨骼。这种新结构兼顾了刚性和柔顺性,避免了软体肌肉既承担驱动功能又承担承力功能的固有缺陷,在保持软体手爪柔顺性的同时可以提高抓取能力。为了更好地进行形状适应性抓取,提出并实现了一种分别驱动的三段手指整体结构。为了使软体手爪具备适当的位置反馈功能,在手指内嵌入集成了柔性弯曲传感器,在此基础上制备了软体手爪样机。研究建立了描述刚性内骨骼与气压驱动软体材料组合构成的新型内骨骼软体手爪的手指弯曲运动与动力学模型。首先,基于超弹体应变能函数Yeoh模型与连续介质力学理论,建立了气压作用下软体结构伸展而形成的单指关节弯曲的理论模型,进而将手指简化为串联系统,获得了手指的运动学模型。然后,将手指关节等效为弹性单元、阻尼单元以及弯曲驱动单元,运用气体热力学理论,建立了手指的非线性动力学模型。据此进行了仿真研究,获得了手指转角响应等基本特性的仿真数据,为之后的手爪动作控制打下了基础。为了在实际运用中充分发挥新型关节式内骨骼气动软体手爪的功能特点,研究了适合于内骨骼气动软体手爪的形状适应性抓取与抓取力调节两种抓取策略。形状适应性抓取包含了四种抓取模式,分别为包络模式、捏取模式、钩取模式以及夹取模式;根据被抓取物品的形状和尺寸规格,各个模式建立了相应的预抓取构形,给出了以各指段预抓取弯曲角度值为基础的指段控制策略并采用降阶滑模变结构控制器对弯曲角度进行控制。抓取力调节的策略适用于那些对抓取力有特别要求的场合。为此,需要根据相关几何方程,确定抓取矩阵并采用模糊PID参数自整定控制器对抓取力进行控制;对于特别精细的抓取力需求,还提出了一种基于接触力实时检测的压力补偿算法,并通过估算手指各指段的预加载气压值,达到对易碎易损伤物品的精心细致抓取。在上述工作的基础上,对所研制的内骨骼软体手爪进行了基本特性测试以及抓取试验工作。获得了手指弯曲角位移、充放气开环响应时间、指尖输出力与弯曲刚度等手指基本特性,与理论分析值基本吻合。对所研究的手爪形状适应性抓取控制策略与抓取力调节的控制策略进行了抓取验证,效果良好。试验表明:手爪最大抓取质量为3.5kg,比文献报道的软体手爪的最大抓取质量1kg提高了2.5倍,抓取尺度范围20mm至260mm,对最小尺度的物品抓取响应时间为112ms。研究结果表明,本文提出的新型关节式内骨骼气动软体手爪的研制达到了既保持柔顺性又显著提高抓取力的预定目标,具有良好的开发和应用前景。