Article Title: 3D printed, modularized rigid-flexible integrated soft finger actuators for anthropomorphic hands
This paper mainly present a pneumatical, multi-material 3D-printed, modularized rigid-flexible integrated soft finger actuators (RFiSFAs) ，它能够组装成为一个仿人手。
简介：
谷国迎老师课题组设计这个软抓手不同于传统的机械手，软抓手不同之处主要体现在以下几点：
1）材料：不是由钢铁材料制作，而是由多材料（软硬结合） 3D 打印制成，兼具软、硬的特性；
2）驱动方式：气体驱动。
" soft gripper "是目前软体机器人中研究的热点之一，由于它是由软材料制作，因此在一定程度上很难实现多自由度，但此款仿人手可以实现11个自由度，相比于其他软抓手能够实现更多的自由度。
本篇文献主要包括以下三个方面的内容：
（1）Design of the RFiSFA
（2）Modular design of the anthropomorphic hand
（3）Evaluation of the motion and force performance
接下来，我将主要概括第一个方面（Design of the RFiSFA ）的主要内容 ：结构设计、材料选取、气囊个数的选取。
1.仿人手整体外观
该仿人手的整体形状与人手形状无异，它能够实现 11 个自由度（拇指有 3 个自由度，其他四指各有 2 个自由度），这在软抓手的自由度设计方面已经达到了一个相当大的高度，它能够稳定地抓取不同的物体，如下图所示。
图 1 仿人手
**2.**结构设计
由于目前已有的大多数的软抓手都是气体的驱动方式，因此它们的内部结构设计都有气室/气囊，该仿人手的一段指节的设计如下图所示。an RFiSFA consists of a hollow, flexible bellow-type chamber and two rigid joint levers connected by a flexible but inextensible sheet.
图 2 仿人手结构设计及各个参数
（图（a）为手指指节分别在原始状态和驱动状态时的状态，图（b）为指节的内部结构参数设计，图（c）为各个参数的值）
3.气囊材料的选取（The selection of the chamber material）
该仿人手采用多材料 3D 打印方式制作，所用3D 打印设备为Stratasys公司下型号为 J750 的设备，根据该设备能够打印的材料，实验中选取了软材料 Agilus30 和硬度大的 Vero 系列材料相结合而制成，在确定选取最合适的硬度的材料时，实验中测试了五种硬度不同的材料：纯 Agilus30 (hardness = 30A) 和
an Agilus30-Vero digital materials (hardness = 40A, 50A, 60A, 70A)，图 3 为不同硬度材料所测试得出来的压力与应变曲线图（实验中测试次数为 n=3，最后取平均值），由图可以看出硬度越大的材料在相同的压力条件下产生的应变越小，但其所承受的压力也就越大。因此在应变能力与所能够承受的压力之间必须折中，为此实验中采用不同硬度的材料制作了一系列无连接结构的 one-bellow actuators 分别测试它们的爆裂压力，如图 4 所示。由图 4 可以看出硬度越大的材料其破裂时所需的压力越大，硬度为60A 和 70A 的气囊所承受的破裂压力相差无几（22.9kPa vs 23.1kPa），然而硬度为 60A 气囊的 standard deviation (SD) 比 70 A 的更小（1.1kPa vs 2.9kPa），因此选取了硬度为 60A 的材料制作手指的气囊部分，并设置最大的施加压力为 16kPa。
图3 不同硬度材料的压力与应变曲线图
图4 不同硬度的一系列 one-bellow actuators 的破裂压力
4.气囊数量的选取（The selection of the bellow number）
因为 bellow number 对 RFiSFAs 的**弯曲角度（flexion angle）、阻力(blocking force)以及气室的长度(chamber length)**都有影响，因此实验中综合这三个方面来选取气囊的个数。如图 5 、图 6 所示分别为不同个数的气囊与弯曲角度和阻力之间的关系曲线图，由图可以看出随着气囊数量的增加，RFiSFAs 的弯曲角度和阻力也会随之增加。
Fig.5. Characterization of the flexion angle of the RFiSFAs with different bellow number. (a) Still images of RFiSFAs with different bellow numbers at 16 kPa. (b) Flexion angle plotted
as a function of the supplied pressure. Error bars represent standard deviation over n = 3 trials.
Fig.6. Characterization of the blocking force of the RFiSFAs with different bellow number. (a) Experimental setup. (b) Blocking force plotted as a function of the supplied pressure. Error bars represent standard deviation over n = 3 trials.
由于气囊空间的限制，必须在最大弯曲角度/阻力和气室长度之间折中选取，在实验中该团队做了两种 RFiSFAs仿人手，The first RFiSFA is used to drive the metacarpophalangeal (MCP) joint, the proximal interphalangeal (PIP) joint or the joint for thumb adduction whose maximum flexion angles should be within 60◦ to 90◦.The second RFiSFA is used to drive the joint for thumb circumduction whose maximum flexion angle should be larger than 90◦ . 为了给这两种 RFiSFAs 选择合适的气室长度，分别测试了不同个数的气囊下的最大弯曲角度曲线与和气室长度曲线（分别用灰色和红色表示），如图 7 （a）和（b）所示，由此这两种 RFiSFAs 分别选择了 7 bellows和 10 bellows。
Fig.7. Design spaces of the maximum flexion angle and the chamber length. (a) Selection of the first RFiSFA. (b) Selection of the second RFiSFA.
**总结：**该仿人手的 RFiSFA 的设计主要从结构和驱动机制、材料和气囊的数量这三个方面考虑，结论：RFiSFA 采用气动的驱动方式，an RFiSFA consists of a hollow, flexible bellow-type chamber and two rigid joint levers connected by a flexible but inextensible sheet；使用由 Agilus 30 和 Vero 系列材料混合而形成的硬度为 60A 的复合材料；制作了两种 RFiSFAs 分别使用了 7 bellows 和 10 bellows（由这两种 RFiSFAs 组合而成的 an anthropomorphic hand 我将在接下来的一篇文章中较为详细地介绍）
最后，希望这篇文章对研究“软体机器人”的朋友们有帮助，文中或多或少有不足之处，希望大家谅解并留言指正，感兴趣的话点击文献链接阅读。
文献下载地址：https://doi.org/10.1016/j.sna.2020. 112090
