引言
机械臂是自动化生产线的关键设备，在机械加工、装配、物流等领域中广泛应用。目前，工业机械臂已成为智能制造中的重要组成部分，其对提高生产效率、降低生产成本、优化产品质量等具有重要意义。但由于机械臂操作灵活性较低，难以满足不同行业的应用需求。例如，在装配、搬运等场景中，机械臂的作业空间有限，无法发挥其优势；又如在一些恶劣的工业环境中，机械臂很难发挥其优势。针对这一问题，本文提出了一种基于柔性末端执行器的机械臂柔性抓取技术。该技术能够增强机械臂的灵活性和适应性，为工业领域提供了一种新的解决方案。
一、机械臂柔性抓取技术基础
机械臂柔性抓取技术是一种针对不同领域的柔性末端执行器应用技术，其在保证机械臂抓取精度的同时，能够保证其操作灵活性。目前，在机器人抓取技术领域，柔性末端执行器主要用于解决机器人在复杂环境下的抓取问题。例如，在装配、搬运等场景中，机器人需要准确定位待装配物品的位置并确定其目标位置。而柔性末端执行器能够实现机器人在复杂环境下的自适应调整，保证机器人准确抓取目标物并准确定位。因此，本文针对柔性末端执行器进行结构优化设计，并在此基础上对其抓取策略与动作规划进行优化，以保证机械臂在不同任务场景下能够灵活抓取目标物并准确定位[1]。
二、柔性抓取在各行业中的应用现状
航空航天行业：将柔性末端执行器应用于航空航天领域，能够提高机械臂的安全性、灵活性和可靠性。汽车制造行业：将柔性末端执行器应用于汽车制造领域，能够提高汽车制造过程中的精度和效率。新能源行业：将柔性末端执行器应用于新能源领域，能够提高机器人在复杂环境下的适应性。农业科技行业：将柔性末端执行器应用于农业科技领域，能够提高农业生产效率、降低生产成本。其他领域：将柔性末端执行器应用于其他领域，如食品包装、药品包装、电子产品包装等。
三、柔性抓取关键技术分析
3.1柔性末端执行器设计
由于柔性末端执行器具备柔性、可变形等特点，所以其对其设计也有较高的要求。基于以上要求，本文设计了一种能够在非结构化环境中进行抓取的柔性末端执行器。该末端执行器主要包括夹持体和手指两部分，夹持体通过弹簧等连接在手指上，可以实现对物体的夹持和抓取。夹持体由两部分组成，即夹持体本体和手指。为了提高柔性末端执行器的柔性和可变形性，本文对其进行了结构优化设计，主要包括：①夹持体本体结构的优化设计，通过引入变刚度弹簧，使得夹持体具有更强的抗冲击能力；②夹持体本体的刚度优化设计，通过引入柔性阻尼材料，使其具有更强的自适应性[2]。
3.2抓取策略与控制算法
根据柔性末端执行器的特点，其可在非结构化环境中进行抓取操作。为了实现对非结构化环境的有效抓取，需要结合末端执行器和物体的运动特性，设计相应的控制算法。本文将手指的运动分为三个阶段：①抓取准备阶段，该阶段主要包括手指夹持物体和弹性变形两个阶段；②抓取阶段，该阶段主要包括手指从夹持体上夹紧和松开两个过程；③抓取阶段，该阶段主要包括手指松开和恢复两个过程。基于上述控制算法，本文设计了相应的控制策略：①在物体发生形变之前，对物体进行夹紧操作；②当物体发生形变时，手指松开并恢复弹性变形；③当物体发生形变时，手指重新夹紧和松开。
3.3多传感器融合与环境感知
基于多传感器融合的环境感知技术，可以在机械臂系统中实现对非结构化环境的有效感知和识别，从而实现对目标物体的有效抓取。多传感器融合技术可以从多个方面获取机械臂系统的环境信息，其中包括机械臂关节角度、关节力矩、抓取角度等信息；同时，多传感器融合技术也可以获取物体的属性信息，如物体类型、材质、表面特性等。此外，多传感器融合技术还可以获取物体的状态信息，如物体的重量、形状、颜色等信息。基于多传感器融合技术，本文设计了一种非结构化环境下的自适应柔性末端执行器抓取策略，并将该策略应用于机械臂系统中，以实现对非结构化环境的有效抓取[3]。
3.4抓取稳定性与自适应调整机制
在机械臂系统中，由于存在着多种不确定性因素，如摩擦力、物体形状、物体重量等，使得机械臂系统的抓取稳定性存在一定的限制。为了解决机械臂系统在非结构化环境下抓取目标物体时，对其抓取稳定性造成的影响问题，本文设计了一种自适应柔性末端执行器，以实现对机械臂系统的自适应抓取控制。该自适应柔性末端执行器可根据机械臂系统的状态信息，动态调整自身的抓取参数，以提升抓取稳定性。同时，为了保障自适应柔性末端执行器的抓取稳定性，本文设计了一种基于位置反馈机制的自适应调整机制，以实现对机械臂系统抓取稳定性的动态调整。
四、柔性抓取技术的优化方法
4.1优化目标与评价指标
为评价柔性抓取技术的效果，需要对其进行优化。优化目标包括提高机械臂的灵活性、可靠性和稳定性，以满足不同行业的应用需求。评价指标包括对系统可靠性和稳定性的影响，可通过实际应用效果来量化。优化目标与评价指标的确定需要考虑以下几个方面：机械臂抓取范围：机械臂可以抓取多大的物体，可以在什么范围内进行操作，需要满足哪些约束条件等。机械臂的可靠性：机械臂是否可靠，在某一条件下是否具有稳定性和稳定性，需要通过实验来验证。系统可靠性：系统的故障概率与失效时间，系统应具有多大的冗余程度，是否需要额外的冗余系统等[4]。
4.2结构优化设计
根据实际需求，在机械臂结构设计上需要考虑的因素主要有以下几点：机械臂的操作能力，包括操作对象的重量、大小、形状等；机械臂的定位精度，包括机械臂在抓取过程中能否精确地抓取到物体；机械臂的柔性，包括机械臂是否具有一定的柔性，可以适应不同形状和尺寸的物体；机械臂的速度与加速度，包括机械臂在工作过程中能否迅速地响应抓取任务；机械臂抓取范围，包括机械臂在不同抓取对象上能够抓取到的范围等；机械臂抓取方式，包括刚性抓取与柔性抓取两种方式，需要考虑操作对象、抓取方式与操作环境对系统的影响。
4.3抓取路径与动作规划优化
针对机械臂系统结构设计上的问题，可以通过调整机械臂末端执行器与抓取装置的相对位置关系、机械臂系统的结构布局等方式，优化抓取路径与动作规划。机械臂末端执行器与抓取装置之间的位置关系，主要是通过改变机械臂末端执行器的运动空间范围来实现。例如，可以通过在机械臂末端执行器端面放置一个球形物体，让球形物体占据机械臂整个运动空间的1/2，再将球形物体放置在机械臂上，使得球形物体与机械臂末端执行器之间的位置关系发生改变，从而实现机械臂末端执行器与抓取装置之间的位置关系的调整。
4.4控制策略优化
针对机械臂系统的控制策略优化，可以采用滑模控制策略。在滑模控制中，系统能够保证系统在任意时刻的状态为最优，并且对于系统中存在的误差具有鲁棒性，也能够保证系统的运动是平稳的。滑模控制是一种非线性的、非最小相位的控制方法，其能够将控制器设计成一个简单的线性组合，使得系统具有良好的动态性能和鲁棒性。基于此，在机械臂系统中应用滑模控制策略，能够保证机械臂系统具有良好的动态性能和鲁棒性。基于滑模控制策略的机械臂系统，具有较好的鲁棒性和动态性能，而且容易实现和实现。但是对于复杂情况下机械臂系统的控制问题，还需要进行进一步研究。
五、柔性抓取技术的实现与系统集成
5.1系统整体架构设计
采用工控机作为上位机，采用 ARM嵌入式控制芯片作为下位机，使用3D打印机搭建柔性抓取系统。上位机通过通信协议将柔性抓取系统中的电机控制信号、位置传感器信号、视觉传感器信号等传输至工控机；工控机通过通信协议将数据传输至 ARM嵌入式控制芯片，并将数据通过人机交互界面显示出来； ARM嵌入式控制芯片将获取到的数据处理后发送至3D打印机进行打印，并将打印好的机械手末端执行器放置在柔性抓取系统中的指定位置；3D打印机按预定轨迹对机械手末端执行器进行打印，从而实现机械手末端执行器的柔性抓取功能[5]。
5.2软硬件实现方案
基于 ARM嵌入式控制芯片的柔性抓取系统硬件平台结构。上位机控制系统采用基于STM32的控制芯片，主要负责与上位机进行通信，并通过控制指令完成柔性抓取功能；下位机采用基于STM32的嵌入式控制芯片，主要负责与下位机进行通信，并将柔性抓取系统中的电机控制信号、位置传感器信号、视觉传感器信号等获取到的数据通过通信协议传输至下位机；下位机通过采集柔性抓取系统中的电机控制信号、力觉传感器信号等信息，并将数据存储到嵌入式控制芯片中；嵌入式控制芯片负责对柔性抓取系统进行控制，并将柔性抓取系统中的数据进行处理后打印出来。
5.3系统集成与调试方法
为验证柔性抓取系统的柔性抓取功能，对柔性抓取系统进行了集成与调试。首先在机械臂末端执行器上安装传感器，然后将柔性抓取系统中的电机控制信号、位置传感器信号、视觉传感器信号等通过通信协议传输至上位机控制系统；接着在上位机控制系统中编写柔性抓取系统的控制指令，并通过通信协议传输至下位机嵌入式控制芯片，下位机通过嵌入式控制芯片读取到柔性抓取系统中的电机控制信号、力觉传感器信号等信息，并将信息存储到嵌入式控制芯片中；然后通过3D打印机将打印好的机械手末端执行器放置在柔性抓取系统中的指定位置，并对柔性抓取系统进行调试。
5.4实际应用案例分析
在某汽车零配件装配生产线上，为实现生产线上的自动装配，设计了一款新型的柔性抓取系统。该系统由 PLC控制系统、位置传感器、伺服驱动器等组成，采用“1+1”的人机交互方式。通过上位机控制系统获取机械手末端执行器的位置信息，并将获取到的位置信息发送给柔性抓取系统，然后由柔性抓取系统控制机械手末端执行器运动至目标位置，实现机械手末端执行器对目标对象进行抓取。实验结果表明，该柔性抓取系统能够在满足机械臂运动要求的前提下，将机械手末端执行器成功抓取到目标对象上，实现了柔性抓取功能。
结语
随着机械臂运动能力的不断增强，在实际生产过程中，机械臂应用场景逐渐丰富，其应用场景不再仅限于生产制造领域。为了应对工业领域日益增长的需求，对机械臂进行柔性抓取功能的设计与实现，具有非常重要的现实意义。本文针对柔性抓取技术中存在的问题进行分析，提出了一种基于 ARM嵌入式控制芯片的机械臂柔性抓取系统。该系统在满足机械臂运动要求的基础上，能够有效避免机器人在生产制造过程中对目标对象进行刚性抓取的问题，从而实现对目标对象的柔性抓取功能。通过仿真实验验证了该系统具有良好的柔性抓取效果，能够实现对目标对象的柔性抓取。
参考文献
[1]韦兰花.基于3D打印技术的自适应柔性采摘机械臂设计[J].中国农机装备,2025,(09):33-35.
[2]齐飞,葛奕玮,张恒,等.刚柔耦合外肢体机器人运动学与人机协作控制研究[J].农业机械学报,2025,56(08):726-735+744.
[3]罗青鹏,李承林,刘显波.基于粒子群与遗传算法优化的机械臂柔性末端振动抑制研究[J].动力学与控制学报,2025,23(06):38-49.
[4]田硕,夏加宽.基于ZVD-DTFC-LPFC的柔性机械臂复合控制方法及其抗扰抑振研究[J].电机与控制应用,2025,52(08):906-916.
[5]王艳,许勇,王金凯.基于伪刚体模型的可折展机械臂设计[J].轻工机械,2025,43(04):78-83+95.
