在传统的轻工业、农业和食品行业,以及新兴电商业的配货、包装流程中,由于被抓物体尺寸变化大加之形状复杂(物形影响)、软硬酥脆(物性影响),因此物体的搬运大都是由人力来完成,迫切需要一种通用性好的机械手来满足这些场景的物体抓取需求。本文在国内外欠驱动机械手的研究基础上提出了一种电-气复合驱动的新型柔性欠驱动机械手,该机械手拥有更好的尺寸、形状的适应性及更高的操作效率。在传统的轻工业、农业和食品行业,以及新兴电商业的配货、包装流程中,由于被抓物体尺寸变化大加之形状复杂(物形影响)、软硬酥脆(物性影响),因此物体的搬运大都是由人力来完成,迫切需要一种通用性好的机械手来满足这些场景的物体抓取需求。本文在国内外欠驱动机械手的研究基础上提出了一种电-气复合驱动的新型柔性欠驱动机械手,该机械手拥有更好的尺寸、形状的适应性及更高的操作效率。本文首先介绍了机械手的原理分析与结构设计,机械手由可变手掌和三个刚柔耦合骨架手指组成。可变手掌结构能够实现两组手指指根沿垂直轴分别正反向最大转位60度的无级的角度转位,可以满足圆柱体、长方体与椭圆柱等形状的适应性抓取;还通过闭环步进电机驱动连杆机构,实现了三个手指指根沿水平轴90度的精确转动,既能够满足对物体尺寸变化的适应性、又能够以此调节接触力的方向与大小。刚柔耦合骨架手指为串联铰链骨架APA型欠驱动手指,笔形内导向气缸从指根节直接驱动指尖节,同时克服串联铰链芯轴上大、小扭弹簧的阻力,实现捏取和包络抓取的功能,采用气动驱动的手指兼具结构柔性、驱动柔性等特性,既能够简化传动链、又提高夹紧高效率。同时为了研究机械手的抓取性能,对刚柔耦合骨架手指进行了运动学分析,通过D-H矩阵的方法来表达机械手上各个点的实时坐标。并且对机械手三个手指分别以均布状态抓取圆柱体、对抓状态抓取长方体与中间状态抓取椭圆柱这三种种工作状态进行了静力学分析。分析结果表明了机械手在满足对物体形状尺寸的基础上,还可以实现对接触力的大小和位置进行精确的控制。随后以抓取常见最大直径的饮料罐时手指驱动气缸压力最小为优化目标,使用了Fmincon函数优化了机械手手指的安装中心距及大小扭弹簧的胡克系数与预紧角。详细的探讨了指根节转动角度与被抓物体尺寸变化对接触力、接触点高度的影响,并且在ADAMS软件中建立了机械手的虚拟样机模型,分别针对圆柱体、长方体和椭圆柱抓取对象进行静力学仿真,得出手指与物体间的接触力的变化状况,理论计算值与仿真结果误差仅为1~2%,该结论验证了数学模型、计算公式的正确性,并讨论了误差出现的原因。完成机械手结构设计后,为满足对接触力控制要求,设计了基于气动高速开关阀压力精确控制的手指驱动回路,并设计了基于PLC的机械手的控制系统。编写了相应的控制程序来实现步进电机的转角与手指驱动气缸推力的协调控制,并以触摸屏为显示与输入模块,手动输入计算的控制参数就可以实现对各种不同物体的可靠抓取。最后制作了机械手的实物样机及控制系统,通过实物测试验证了手指驱动气缸压强的精确控制效果,并完成了机械手的抓取自适应实验,验证了机械手可以对尺寸变化大与形状复杂的物体实现可靠抓取。