氣動軟體機器人執(zhí)行器的控制與研究

呂澤良，黃超雷，陳正泉

（長安大學(xué)工程機械學(xué)院，陜西 西安710064）

0 引言

機器人的使用已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)和生活中不可或缺的產(chǎn)品，傳統(tǒng)意義上的機器人主要是以剛性結(jié)構(gòu)為主，但是其剛性結(jié)構(gòu)材料導(dǎo)致它無法適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的變化，這也使得它自身存在一些體型龐大，安全性低等缺點。

基于軟體機器人的優(yōu)越性，國內(nèi)外研制出多種類型的軟體機器人。Tufts大學(xué)Barry A.Trimmer實驗室研制的仿毛蟲軟體機器人，其結(jié)構(gòu)是基于3D打印機，采用SMA作為制動器的機器人[1]。美國MIT的RUS課題組運用FEA作為魚尾，研制出一款軟體機器魚，將能源-驅(qū)動-控制一體化，可以實現(xiàn)該機器人在水中的自由游動[2]。而在國內(nèi)也有一些軟體機器人研究成果，例如，浙江大學(xué)研究團隊所研制的基于SMA驅(qū)動的放生蚯蚓[3]，還有哈爾濱工業(yè)大學(xué)制作的自主導(dǎo)向機器人，同樣是利用SMA作為驅(qū)動器[4]。

目前軟體機器人的驅(qū)動控制多采用常見的氣動控制，相比其他驅(qū)動方式，氣動驅(qū)動更加穩(wěn)定，也相比容易控制。本文設(shè)計一種氣動控制軟體機器人，通過設(shè)計給執(zhí)行器空腔的充放氣時間來實現(xiàn)執(zhí)行器的周期性變化，研究了在不同氣壓下，該執(zhí)行器的變形程度。

1 氣動軟體機器人執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣動軟體機器人執(zhí)行器是使用Ecoflex00-30硅橡膠復(fù)合材料作為原始材料，按照體積比混合1A：1B，注入基于3D打印技術(shù)制作的模型中，靜置一段時間之后固化的模塊化膠體，結(jié)構(gòu)如圖1所示，軟體機器人模塊執(zhí)行器截面圖如圖2所示。

圖2 軟體機器人模塊執(zhí)行器截面圖

如圖2所示，整個軟體機器人執(zhí)行器內(nèi)部有一個空腔，這個空腔貫穿整個執(zhí)行器內(nèi)部，上端為2 mm半圓形薄壁，屬于應(yīng)變層，底部為5 mm厚的限制層，截面處留有直徑為5 mm的氣孔，與實驗設(shè)備的氣管相連接。通過給空腔中充放氣可以實現(xiàn)該軟體組織的彎曲動作，彎曲角度可以達到90°.

2 軟體機器人執(zhí)行器的建模分析

在Solidworks繪圖軟件建立所設(shè)計執(zhí)行器模型，并保存為.x_t文件，用于在ABAQUS軟件中進行有限元分析，模擬仿真其動作。執(zhí)行器的制備材料是Ecoflex00-30橡膠材料，屬于超彈性材料，因此選用Ogden模型進行建模型分析，在ABAQUS中設(shè)置E－coflex00-30材料特性參數(shù)[5]。并且按照分析步驟依次設(shè)置，其中設(shè)定負載時，從1 kPa開始，間隔1 kPa逐漸增大，通過分析運算，觀察模型在隨著壓強的不斷增大，執(zhí)行器彎曲狀況并不理想，其徑向變形比較明顯，如圖3所示。為了限制軸向膨脹使其彎曲效果更加理想，故該執(zhí)行器空腔中內(nèi)壁上設(shè)計成帶有內(nèi)脊的空腔，更好的限制徑向變形。優(yōu)化之后的的彎曲效果明顯比之前的要好，執(zhí)行器在3 kPa的壓強之下的彎曲狀況如圖4所示。

圖3 不同氣壓下模塊執(zhí)行器變形

圖4 3kPa下模塊執(zhí)行器變形

3 氣動控制系統(tǒng)的搭建

氣動軟體機器人的驅(qū)動控制采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過上位機控制界面的控制命令發(fā)送到控制電路板上，然后控制電路板輸出PWM信號來實現(xiàn)該機器人的彎曲運動，其中通過氣壓傳感器的檢測到的氣壓值輸送回電路板中，根據(jù)編寫好的程序完成相應(yīng)的運動動作，達到其設(shè)計目的，控制系統(tǒng)原理圖如圖5.

圖5 控制系統(tǒng)原理圖

為了實現(xiàn)對軟體機器人模塊執(zhí)行器的控制，系統(tǒng)硬件部分主要有：上位機、STM32單片機、空壓機、繼電器、二位三通電磁閥、二位二通電磁閥、氣壓傳感器?？諌簷C是OUTSANDING充氣無油靜音氣泵，繼電器采用Risym 8路繼電器，電磁閥則采用常見的規(guī)格的直動式電磁閥，其中二位三通電磁閥的型號是3V1-06電磁閥，二位二通電磁閥的型號是2V025-06，氣壓傳感器是用的CFSensor的XGZP6847010KPG氣體壓力變動器模塊?？刂屏鞒倘鐖D6所示。

圖6 STM32開發(fā)板控制流程圖

為了實現(xiàn)對軟體機器人執(zhí)行器的控制，STM32開發(fā)板接受上位機的控制命令和接收氣壓傳感器返回的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對繼電器和電磁閥的控制，從而實現(xiàn)對軟體機器人執(zhí)行器的運動的控制，氣動單路控制原理圖如圖7所示。本文采用低電平觸發(fā)模式的繼電器，電磁閥則是用常見規(guī)格的直動式電磁閥來實現(xiàn)對氣體的控制。通過設(shè)計氣動控制平臺來實現(xiàn)對軟體機器人執(zhí)行器的控制，在氣動控制平臺的基礎(chǔ)上，通過控制執(zhí)行器空腔充氣、氣壓保持、放氣的時間，可以實現(xiàn)該執(zhí)行器的彎曲動作。開始時氣壓為零，給執(zhí)行器中充氣，當氣壓達到5 kPa時，停止充氣，氣體保持，執(zhí)行器偏轉(zhuǎn)角度最大，氣壓大小通過傳感器檢測傳回控制板進行控制，測定不同氣壓之下的偏轉(zhuǎn)角度。

圖7 氣動單路控制原理圖

實現(xiàn)執(zhí)行器的控制所需的軟件設(shè)計主要有上位機與操作者的人機交互操作界面設(shè)計、上位機控制系統(tǒng)設(shè)計和STM32開發(fā)板對氣動控制平臺的控制系統(tǒng)程序設(shè)計。人機交互操作界面主要是實現(xiàn)人與上位機的直接性的操作控制，上位機控制系統(tǒng)設(shè)計通過USART串口通信給開發(fā)板傳輸控制信號，開發(fā)板對氣動控制平臺的控制是利用芯片中編譯好的程序以及上位機發(fā)送的信號，控制繼電器和電磁閥的動作，最終實現(xiàn)對軟體機器人模塊執(zhí)行器的運動方式的控制。

基于Labview來設(shè)計界面，實現(xiàn)STM32控制板的與PC機的指令傳達，從而控制繼電器模塊的通斷，實現(xiàn)對電磁閥的控制，從而實現(xiàn)軟體執(zhí)行器中氣體的充放過程。軟體執(zhí)行器控制界面如圖8所示。

圖8 軟體執(zhí)行器控制界面

4 實驗結(jié)果

按以上設(shè)計，搭建的實驗控制臺如圖9所示。

圖9 實驗控制臺

軟體執(zhí)行器的彎曲角度大小與所沖入空腔的壓強有正相關(guān)的關(guān)系，隨著壓強的不斷增大，執(zhí)行器的彎曲角度也不斷增大。如圖10所示，將軟體執(zhí)行器垂直固定在角度板上。通入氣體，軟體執(zhí)行器彎曲角度為其自由端在彎曲平面內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度，即軟體執(zhí)行器充氣之后與未充氣執(zhí)行器其軸線所成的夾角α.

圖10 執(zhí)行器彎曲角度示意圖

借助空氣壓縮機提供壓力，控制節(jié)流閥的開關(guān)大小，輸入氣壓從小逐漸增大，當往軟體執(zhí)行器中通入壓力氣體的時候，軟體執(zhí)行器產(chǎn)生彎曲運動，記錄彎曲角度和壓強的關(guān)系。其彎曲角度和壓強的關(guān)系為圖11所示，當執(zhí)行器中的壓強越大，其彎曲角度也更大，彎曲速率也更大，也就是說軟體執(zhí)行器對越高的壓強更加敏感，在氣壓達到4 kPa的時候，軟體執(zhí)行器膨脹到幾乎極限，繼續(xù)增壓，軟體執(zhí)行器可能輝損壞，因此該4 kPa是目前執(zhí)行器所能承受的最大壓強，實驗證明該執(zhí)行器可以實現(xiàn)多角度的彎曲變形。

圖11 執(zhí)行器彎曲角度和壓強的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文研制了一種氣壓驅(qū)動的單腔室軟體執(zhí)行器，其上方是變形層，下方是限制層，兩者設(shè)計厚度不一，實現(xiàn)彎曲變形。首先通過有限元分析軟件模擬了執(zhí)行器的變形狀況，對執(zhí)行器進行了優(yōu)化處理，接著搭建氣動控制平臺，給執(zhí)行器空腔中充入不同壓強的氣體實現(xiàn)其不同角度的彎曲，實驗表明可以實現(xiàn)預(yù)期效果，證明執(zhí)行器的彎曲可行性。本人是對軟體機器人的基礎(chǔ)探索，但目前該技術(shù)還是起步階段，尚未形成成熟的理論和工藝流程，在數(shù)學(xué)建模，力學(xué)分析，制造加工，電子控制等方面還有更加廣闊的應(yīng)用前景。