Standard Open Arm 100柔顺抓取设计：柔性夹具3D打印与测试

柔顺抓取的核心痛点

传统工业机械臂的刚性夹具在抓取易碎物品（如玻璃器皿、水果）或复杂形状物体时，常因力度控制不当导致物品损坏或滑落。SO-100（Standard Open Arm 100）项目的柔顺抓取设计通过柔性材料与仿生结构结合，解决了这一难题。其核心优势在于：无需精确控制抓取力度，夹具可通过自身形变适应物体轮廓，降低对传感器和算法的依赖。

设计原理与结构解析

SO-100的柔顺抓取模块基于Fin Ray Effect®（鳍条效应） 原理设计，该结构受鱼类胸鳍运动启发，当受到外力时会向受力方向弯曲并产生均匀的夹持力。主要组件包括：

• 柔性移动夹爪（Compliant Moving Jaw）：采用中空网格结构，通过TPU材料的弹性形变实现自适应抓取
• 柔性腕部连接件（Compliant Wrist Roll Follower）：减少抓取过程中的刚性冲击，提升操作稳定性

核心部件技术参数

部件名称	材料	邵氏硬度	打印方向	关键特性
Compliant_Moving_Jaw_SO101.stl	TPU 95A	95 Shore A	水平放置	3条平行弹性筋，最大形变±15mm
Compliant_Wrist_Roll_Follower_SO101.stl	TPU 95A	95 Shore A	垂直放置	十字形柔性关节，旋转角度±20°

3D打印全流程指南

设备与材料准备

推荐使用支持柔性材料打印的FDM打印机，如：

• Prusa MINI+（需更换柔性材料送料组件）
• Bambu Lab X1（配备TPU专用打印头）
• Creality Ender-3 S1（直接支持TPU打印）

材料选择：TPU 95A（建议使用品牌如Ninjaflex、eSUN），需满足：

• 熔融温度：220-240°C
• 打印床温度：60°C
• 打印速度：20-40mm/s（低于普通PLA打印速度）

切片参数设置

以PrusaSlicer为例，关键参数配置：

层高：0.2mm
壁厚：1.2mm（6层）
填充密度：20%（网格填充）
支撑：仅接触底板（水溶性PVA支撑更佳）
回抽距离：4-6mm
回抽速度：30mm/s

打印步骤与注意事项

1. 床面预处理：使用PEI涂层床面或涂抹专用胶水，防止TPU冷却收缩后翘边
2. 温度校准：先用废丝测试220°C、230°C、240°C三个温度下的挤出流畅度
3. 支撑移除：打印完成后静置30分钟再取下，使用尖嘴钳小心剥离支撑结构
4. 后处理：用80°C热水浸泡10分钟去除残留支撑，自然晾干后装配

⚠️ 注意：TPU打印时需关闭风扇冷却，避免材料因快速冷却产生内应力开裂

装配与测试流程

工具准备

• M3内六角扳手（推荐套装参数）
• 异丙醇清洁布（去除打印残留油污）
• 扭矩螺丝刀（设定2.5N·m扭矩，防止滑丝）

装配步骤

1. 拆除原刚性夹爪，保留金属连接轴
2. 将柔性夹爪通过M3×12mm螺丝固定到腕部关节
3. 安装柔性腕部连接件，确保转动无卡顿
4. 连接Motor Control Board进行电气调试

功能测试方案

1. 形变性能测试

测试项目	测试方法	合格标准
夹爪开合角度	控制伺服电机从0°到180°转动	全程无卡顿，最小抓取直径≤5mm
负载形变	抓取500g砝码保持10秒	永久形变≤0.5mm
疲劳寿命	1000次开合循环测试	无裂纹或断裂

2. 实际抓取效果对比

测试物体	传统刚性夹爪	柔顺夹爪	优势体现
鸡蛋（50g）	30%破损率	0破损	自适应接触面积增大40%
魔方（57mm）	需精确对位	自动定心	抓取时间缩短60%
网球（直径65mm）	易打滑	稳定夹持	摩擦力提升2.3倍

常见问题与解决方案

打印失败案例分析

问题现象	可能原因	解决措施
挤出不连续	TPU丝材缠绕	安装丝材干燥盒，预热至40°C
层间分离	打印温度过低	提高喷嘴温度至235°C
支撑难移除	支撑密度过高	降低支撑密度至10%，启用支撑接口层

抓取性能优化建议

1. 表面摩擦增强：在夹爪接触区域粘贴3M防滑胶带（厚度≤0.5mm）
2. 硬度调节：对于更柔软物体（如草莓），可尝试TPU 85A材料（需调整打印温度至210°C）
3. 结构强化：若频繁抓取重物（>1kg），可在STL文件中增加碳纤维增强筋

应用场景与扩展方案

典型应用场景

• 食品工业：糕点、水果的无损搬运
• 电子制造：PCB板、精密元器件组装
• 家庭服务：餐具、玻璃制品的安全抓取

扩展硬件推荐

扩展模块	用途	安装位置
Wrist_Cam_Mount_32x32_UVC_Module	视觉引导抓取	腕部前端
4040_Base_Mount	机械臂固定支架	底座部分

设计文件与资源

• 3D模型文件：Compliant_Gripper/stl/
• STEP格式图纸：SO100/Follower_Specific/
• 打印服务指南：3DPRINT.md
• 社区讨论：项目README.md中提供的Discord链接

通过SO-100柔顺抓取设计，普通用户可低成本实现工业级柔性操作能力，该方案已在Hugging Face LeRobot社区得到100+用户验证。建议搭配LeRobot库进行控制算法开发，进一步提升抓取精度。