仿生章魚爪氣動螺旋軟體驅動器仿真及實驗

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620)

引言

軟體機器人是從仿生學的角度，基于自然界中的生物，如毛毛蟲[1]、海星[2]和章魚[3]等設計出的一種具有連續(xù)變形結構和高自由度的新型機器人。軟體機器人通常由低楊氏模量的柔性材料[4]制成，涉及材料學，力學等學科，同時還與3D打印技術[5]、傳感技術[6]及智能新型材料驅動[7]等先進技術相結合，逐漸成為了國內(nèi)外機器人領域的研究熱點之一。由于自然環(huán)境中的空氣具備易獲取、質(zhì)量輕、無污染等性質(zhì)，氣動驅動[8]被廣泛應用于軟體機器人。目前常用的氣動軟體驅動器包括纖維增強型驅動器[9-10]和多腔室型驅動器[11-12]，其中多腔室型軟體驅動器能夠通過簡單的控制產(chǎn)生復雜的運動，如雙向彎曲、三維彎曲、伸長和扭轉等，因此具有很大的應用前景。

BOBAK M等[13]在2014年設計了一種快速驅動的多腔室型軟體驅動器，由內(nèi)嵌氣道網(wǎng)絡的可延展部分和不可延展的限制層組成，從此開辟了多腔室型軟體驅動器的研究道路。研究人員為探究多腔室型軟體驅動器的最佳參數(shù)，做了大量的工作，如腔室的高度和數(shù)量[13]，驅動器的厚度[14]、形狀[15]都對其本身的變形能力有著顯著的影響。JOHANNES T B等[16]對比三種橫截面形狀的軟體驅動器，包括矩形，圓形和半圓形形狀，具有半圓形截面的致動器在較小的壓力下更容易彎曲。谷國迎團隊[17]分析了腔室角度對軟體驅動器在三維空間中運動和變形的影響，當腔室角度增加時，相同氣壓下，驅動器的彎曲能力降低，扭轉能力增加。

目前氣動軟體驅動器的截面形狀研究多針對橫截面形狀，縱截面形狀卻少有涉及。本研究分析了縱向截面對軟體驅動器彎曲性能的影響，將其與腔室角度結合，提出并設計0°PN和60°PN兩種多腔室型仿生章魚爪軟體驅動器。利用3D打印技術制作模具，使用硅橡膠材料澆注成型，通過有限元仿真和實驗方法研究兩種軟體驅動器在不同氣壓下的彎曲和力學性能。

1 軟體驅動器的結構設計

1.1 軟體驅動器的縱向截面分析

前人的研究證實了半圓形橫截面的驅動器在較小的壓力下更容易彎曲[16]。而關于縱向截面對軟體驅動器的影響少有涉及。圖1展示了兩種不同縱向截面的軟體驅動器，由帶有腔室的頂層和較厚的底層組成，頂層包括多個腔室以及每個腔室內(nèi)壁之間的間隙，各腔室由氣路連接。

圖1 不同縱向截面軟體驅動器

為遵循單一變量原則，圖1中軟體驅動器a和b的橫截面形狀均為半圓形，寬度、長度、橫截面積和壁厚是相同的。如圖1a所示，軟體驅動器a的縱向截面為等腰梯形形狀，其腔室置于底層內(nèi)部。如圖1b所示，軟體驅動器b的縱向截面為波紋形狀，其腔室置于底層外部。

利用Abaqus軟件對軟體驅動器a和b進行有限元仿真分析，施加相同的內(nèi)部壓強，有限元分析云圖結果如圖2所示。

圖2 不同縱向截面軟體驅動器的有限元分析結果

圖2中，在相同內(nèi)部壓強下，驅動器b的彎曲能力優(yōu)于驅動器a，因此選擇軟體驅動器b作為最佳結構。

1.2 0°PN和60°PN的結構設計

調(diào)整軟體驅動器b的腔室角度，使腔室與驅動器長邊成60°角，其他參數(shù)不變，從而實現(xiàn)三維空間上的彎曲和扭轉運動。為方便區(qū)分，將調(diào)整前的軟體驅動器定義為0°PN(Pneumatic Network)，調(diào)整后的驅動器定義為60°PN，外觀及內(nèi)部結構如圖3所示。

圖3 軟體驅動器b的外觀及內(nèi)部結構

圖3中，0°PN的腔室方向垂直于驅動器的長邊，α=90°，60°PN的腔室方向與驅動器的長邊成60°角，α=60°。當改變腔室角度后，由于驅動器長度L不變，腔室個數(shù)會隨著角度的增加而減少。具體結構參數(shù)見表1。

表1中，軟體驅動器腔室內(nèi)壁厚度t1比外壁厚度t3小，表面積大，當腔室通入空氣時，內(nèi)部壓強的增加使內(nèi)壁優(yōu)先膨脹；通過增加底層材料的厚度來限制底層延伸，從而使軟體驅動器向底層方向彎曲。基于仿生章魚爪的設計，軟體驅動器的末端寬度W1=8 mm，頂端寬度W2=16 mm。當輸入相同氣壓時，末端較小的橫截面積能夠提供較大的末端輸出力，大大提高抓取能力；波紋形狀的縱向截面增加了接觸面積和接觸點，使接觸應力減小，保證被抓物體的表面不被損壞。從而使軟體驅動器實現(xiàn)更大的彎曲運動。

表1 軟體驅動器的結構參數(shù)

2 軟體驅動器的有限元分析

為研究0°PN和60°PN兩種軟體驅動器的力學特性，使用Abaqus軟件對所設計的軟體驅動器進行有限元仿真分析。0°PN和60°PN軟體驅動器均由硅橡膠制成，屬于大變形力學行為，因此使用Yeoh模型作為硅橡膠的本構模型[18-19]，仿真過程中設定材料參數(shù)為C10=0.11,C20=0.01。用材料的單軸拉伸數(shù)據(jù)繪制應力-應變曲線，并在Abaqus軟件中與Yeoh模型曲線擬合，擬合結果如圖4所示。

圖4 單軸拉伸實驗數(shù)據(jù)與Yeoh模型擬合結果

圖4中擬合結果顯示Yeoh本構模型與實驗數(shù)據(jù)基本吻合，精度較高。

2.1 軟體驅動器的彎曲性能分析

分別對0°PN和60°PN軟體驅動器進行不同氣壓下的彎曲性能有限元分析，圖5所示，為0°PN和60°PN內(nèi)部壓強設定0.01 MPa時的云圖結果。

圖5 0°PN和60°PN的有限元分析云圖結果

圖5中可以看出，0°PN和60°PN的位移變化由頂端向下依次增大。0°PN僅有彎曲運動，而60°PN顯示出三維方向上的彎曲扭轉運動。

仿真過程中在軟體驅動器縱向截面上設置多個參考點，通過分析參考點的位移變化，繪制0°PN和60°PN在不同壓強下的位移變化曲線。0°PN的仿真位移變化曲線如圖6所示。

圖6 0°PN的仿真位移變化曲線

圖6中，當0°PN內(nèi)部施加載荷為0.01 MPa時，達到最大彎曲程度，位移變化隨著壓強的增加顯著增大，同時驅動器伴有徑向伸長。

60°PN能夠實現(xiàn)彎曲扭轉運動，仿真位移變化曲線如圖7所示。

圖7 60°PN的仿真位移變化曲線

圖7a中x-y軸方向的位移變化表示60°PN彎曲運動；圖7b中x-z軸方向的位移變化表示其扭轉運動。當60°PN內(nèi)部施加載荷為0.015 MPa時，達到最大彎曲扭轉程度。與0°PN相比，相同氣壓下的扭轉程度增大，彎曲程度減小。

2.2 軟體驅動器的力學性能分析

將兩種軟體驅動器頂端和末端固定，設定內(nèi)部壓強并分析末端面對應的輸出力，得到0°PN和60°PN的壓強-末端輸出力曲線，如圖8所示。

圖8 0°PN和60°PN的仿真壓強-末端輸出力曲線

圖8中，0°PN和60°PN的末端輸出力均隨著輸入氣體壓強的增加而增大。如圖8a所示，0°PN承載的最大壓強為0.01 MPa，對應末端輸出力為1.1 N。如圖8b，60°PN承載的最大壓強為0.015 MPa，對應末端輸出力為2.1 N，是0°PN的1.9倍。

3 軟體驅動器的實驗研究

3.1 軟體驅動器的制作

兩種軟體驅動器0°PN和60°PN使用模具澆鑄法制備，制備材料為肖氏硬度35°的硅橡膠。首先用Solidworks軟件設計模具的三維模型，通過3D打印得到模具。50 g硅膠原液和1 mL固化劑混合均勻，緩慢注入型腔模具和底層模具中，室溫靜置直至硅膠固化，得到軟體驅動器頂層和底層部分。將二者緊密貼合，得到軟體驅動器，制作過程如圖9所示。

圖9 兩種軟體驅動器的制作

3.2 軟體驅動器的彎曲實驗

在進行軟體驅動器彎曲實驗之前，對彎曲角度和扭轉角度的選取進行說明，如圖10所示。

圖10 彎曲角度和扭轉角度的定義

圖10中，把軟體驅動器的頂端與末端連成一條直線。0°PN垂直于坐標紙放置，當0°PN彎曲時，該直線與豎直方向形成的角度θ被定義為彎曲角度。60°PN平行于坐標紙放置，方向朝上，當60°PN扭轉時，該直線與豎直方向形成的角度β被定義為扭轉角度。

實驗步驟：

(1) 對兩種軟體驅動器進行彎曲實驗研究，搭建實驗平臺如圖11所示。

圖11 軟體驅動器實驗裝置平臺

圖11中，使用微型隔膜泵(DC12 V)作為氣源，用PU軟管分別連接軟體驅動器和氣壓表，直流電機調(diào)速閥控制隔膜泵的氣體輸出壓強。

(2) 調(diào)速閥控制氣體壓強，測量0°PN和60°PN軟體驅動器在不同氣壓下的彎曲或扭轉角度，由于0°PN和60°PN軟體驅動器能承載的最大壓強不同，采用不同的初始壓強和壓強增量對它們進行測試。彎曲試驗結果如圖12所示。

圖12 兩種軟體驅動器的彎曲實驗結果

(3) 為準確獲取兩種軟體驅動器的彎曲角度和扭轉角度，在實驗過程中使用相機進行同步圖像采集，繪出壓強-彎曲/扭轉角度曲線。0°PN的壓強-彎曲角度曲線如圖13所示。60°PN的壓強-彎曲/扭轉角度曲線如圖14所示。

圖13 0°PN的壓強-彎曲角度曲線

圖13和圖14對比可知，內(nèi)部氣壓為0.006 MPa時，0°PN彎曲角度為70°，60°PN彎曲角度為68°，扭轉角度為42°，如圖14a，60°PN內(nèi)部氣壓大于0.006 MPa 后，彎曲角度增加緩慢。實驗結果與仿真結果一致，60°PN與0°PN相比，隨著壓強的增加，扭轉程度增大，彎曲程度減小。

3.3 軟體驅動器力與氣壓的關系

對兩種軟體驅動器進行了不同氣壓下的末端輸出力實驗。使用相同的實驗平臺和方法，將軟體驅動器頂端和末端部位固定，在末端位置設置FSR402力傳感器，當向腔室輸入氣體時，力傳感器會反饋驅動器末端輸出力的值。繪制0°PN和60°PN的壓強-末端輸出力曲線，如圖15所示。

圖14 60°PN的壓強-彎曲/扭轉角度曲線

圖15 兩種軟體驅動器的壓強-末端輸出力曲線

圖15中，0°PN輸入氣壓為0.01 MPa時，達到最大彎曲程度，末端輸出力為1.2 N；60°PN輸入氣壓為0.015 MPa時，達到最大彎曲扭轉程度，末端輸出力為2.2 N，是0°PN的1.8倍。

4 結論

(1) 本研究通過分析縱向截面形狀對軟體驅動器彎曲性能的影響，確定了驅動器的優(yōu)選結構，從而設計并制作了0°PN和60°PN兩種多腔室型仿生章魚爪軟體驅動器;

(2) 使用Abaqus軟件對兩種軟體驅動器進行了有限元仿真研究，確定了制作材料硅橡膠的本構模型，模擬其彎曲和力學性能;

(3) 對兩種軟體驅動器開展了不同氣壓下的彎曲試驗、末端輸出力的測量試驗，實驗與仿真結果一致，誤差僅為4.5 %。輸入氣壓越高，0°PN和60°PN軟體驅動器的彎曲/扭轉角度越大，末端輸出力也越大。60°PN隨著輸入氣壓增大彎曲成螺旋狀，相比0°PN，隨著壓強的增加，60°PN的扭轉程度增加，彎曲程度減小。值得一提的是，60°PN的氣壓承載能力是0°PN的1.5倍，最大末端輸出力是0°PN的1.8倍。