PDMS/PTFE限制層材料軟體機(jī)械手設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

朱銀龍 楊梓康 趙 虎 王 旭 劉 英

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院, 南京 210037)

0 引言

軟體機(jī)器人是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域[1-2],主要采用柔性材料制作,具有良好的環(huán)境適應(yīng)性,可以替代傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人完成某些特定工作,在醫(yī)療康復(fù)、救援勘探、果蔬采摘等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景[3-4]。軟體機(jī)械手是軟體機(jī)器人的一個(gè)重要分支,相比于傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手,具有更好的人機(jī)交互性[5-7]。應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的夾持和搬運(yùn)作業(yè)時(shí),可有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。常見的軟體機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動(dòng),一般由兩個(gè)及以上軟體驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成[8-9]。氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器主要有氣動(dòng)網(wǎng)格型和纖維增強(qiáng)型兩種[10-12]。氣動(dòng)網(wǎng)格型驅(qū)動(dòng)器,具備響應(yīng)速度快、負(fù)載能力高、環(huán)境適用性強(qiáng)等特點(diǎn)[13-17]。但氣壓較高時(shí),驅(qū)動(dòng)器在徑向方向上會(huì)產(chǎn)生膨脹,影響驅(qū)動(dòng)器彎曲性能。

近年來(lái),學(xué)者采用各種方法如通過(guò)纖維纏繞驅(qū)動(dòng)器或加入紙張等材質(zhì)制造變剛度層以提高軟體機(jī)械手變形能力[18-23]。李健等[24]設(shè)計(jì)的草莓單指采摘軟體抓手,對(duì)單指抓手的上下端面進(jìn)行鋸齒狀處理,優(yōu)化了彎曲過(guò)程中產(chǎn)生的褶皺現(xiàn)象,在維持一定支撐力的同時(shí),提升了軟體機(jī)械手的彎曲能力。武兆平等[25]提出了一種嵌入鉸鏈連接剛性單元作為內(nèi)骨骼的柔性抓手,極好地兼顧了剛性和柔順性,增強(qiáng)了抓手的形狀適應(yīng)性和抓取能力。郭鐘華等[26]受草本植物莖與花冠結(jié)構(gòu)啟發(fā),設(shè)計(jì)了一種螺旋狀抓手的夾持器,通過(guò)逐個(gè)腔室嵌入筋板的方式提高了抓手的末端輸出力。JIANG等[27]設(shè)計(jì)的鏈?zhǔn)礁蓴_軟體機(jī)械手,其內(nèi)部嵌入鏈狀顆粒結(jié)構(gòu),且整個(gè)硅膠彈性體外部被纖維線包裹住,限制機(jī)械手的徑向變形,增強(qiáng)抓取能力。BERNAT等[28]設(shè)計(jì)的一種磁流變兩指軟抓手,使用硅膠、鐵粉等制成磁流變彈性體抓手,通過(guò)磁場(chǎng)作用控制抓手的開合,其優(yōu)點(diǎn)之一是在不受外部刺激時(shí)可以保持閉合狀態(tài)。GAO等[29]設(shè)計(jì)了一種由變剛度柔性驅(qū)動(dòng)器組成的抓手,可以對(duì)驅(qū)動(dòng)器施加負(fù)壓,提高了層狀結(jié)構(gòu)間的摩擦力,阻礙層與層之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而增加剛度和承載能力。然而這些方法都存在一些問(wèn)題,比如:纖維和紙張都是非超彈性材料,無(wú)法和驅(qū)動(dòng)器本身完全貼合,在整體充氣變形過(guò)程中,材料之間容易發(fā)生錯(cuò)動(dòng),同時(shí)容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文提出一種限制層材料為PDMS、PTFE的軟體驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)調(diào)節(jié)兩種材料的質(zhì)量比,改變軟體驅(qū)動(dòng)器的剛度,進(jìn)而改變軟體機(jī)械手的抓取能力?；赮eoh、Neo-Hookean模型和力矩平衡原理建立軟體驅(qū)動(dòng)器彎曲角度與氣壓之間的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)該模型,分析驅(qū)動(dòng)器限制層材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)彎曲角的影響。利用有限元仿真分析得到限制層材料的最佳質(zhì)量比。對(duì)不同限制層材料的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行彎曲性能測(cè)試,以驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性。

1 軟體機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作及建模

1.1 軟體機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)軟體機(jī)械手由安裝底座和3個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器組成,每個(gè)驅(qū)動(dòng)器根部連接著氣管,通過(guò)夾具圓周固定在安裝底座上,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該軟體驅(qū)動(dòng)器擁有良好的靈活性和剛度,組裝成的軟體機(jī)械手更容易抓取物體,且不易損壞物體的表面。

圖1 軟體機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of soft hand manipulator

氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器作為主要承力部分,結(jié)構(gòu)由應(yīng)變層和限制層構(gòu)成,灰藍(lán)色部分為應(yīng)變層,深藍(lán)色為限制層。上部應(yīng)變層是半圓形多腔室狀結(jié)構(gòu),間隙部分為矩形腔道,下部限制層為厚度均一的平板狀結(jié)構(gòu)。內(nèi)部腔室互相獨(dú)立均勻排列,并由限制層將應(yīng)變層封閉連接一體,整體通過(guò)驅(qū)動(dòng)器根部的氣管進(jìn)行充放氣。其半圓形腔室截面如圖2所示,R、h、r、t分別為截面半徑、截面高度、截面壁厚以及驅(qū)動(dòng)器限制層厚度。

圖2 腔室截面圖Fig.2 Section of chamber

1.2 軟體驅(qū)動(dòng)器制作流程

為了對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,根據(jù)以上分析得到的結(jié)構(gòu)和材料參數(shù),對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行實(shí)物制作,本文均采用軟材料固化成型法進(jìn)行制作,制作流程如圖3所示。

圖3 軟體驅(qū)動(dòng)器制作流程圖Fig.3 Flow chart of soft actuator production

1.3 軟體驅(qū)動(dòng)器彎曲變形數(shù)學(xué)建模

為了描述軟體驅(qū)動(dòng)器彎曲角度和充氣壓力之間的關(guān)系,需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)一步分析,并建立驅(qū)動(dòng)器變形的理論模型。當(dāng)對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器輸入氣壓P,腔室的應(yīng)變層發(fā)生膨脹變形,而底部限制層軸向應(yīng)變較小使得驅(qū)動(dòng)器向下均勻彎曲運(yùn)動(dòng),基于此變形特點(diǎn),采用分段常曲率模型來(lái)求解。即假設(shè)每對(duì)腔室的彎曲曲率恒定,各個(gè)獨(dú)立腔室彎曲后的圓弧段連接組成整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的彎曲圓弧段。每對(duì)腔室對(duì)應(yīng)一個(gè)彎曲角φ,驅(qū)動(dòng)器彎曲角為θ/2,建立的彎曲模型如圖4所示,包括幾何關(guān)系

圖4 變形前后軟體驅(qū)動(dòng)器示意圖Fig.4 Schematic of soft actuator before and after deformation

(1)

式中L0——驅(qū)動(dòng)器未變形狀態(tài)初始長(zhǎng)度

L——驅(qū)動(dòng)器充氣變形后的軸向長(zhǎng)度,該長(zhǎng)度與距限制層底面高度有關(guān)

ΔL——驅(qū)動(dòng)器變形前后的長(zhǎng)度變化量

ΔH——驅(qū)動(dòng)器水平方向截面相對(duì)于底面的偏移距離

θ——驅(qū)動(dòng)器變形狀態(tài)下的彎曲圓心角

a——一對(duì)腔室對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度

軟體驅(qū)動(dòng)器變形時(shí),應(yīng)變層變形遠(yuǎn)大于限制層。另外,軟硅膠是一種大變形不可壓縮材料,采用Yeoh形式的應(yīng)變能密度函數(shù)描述應(yīng)變層力學(xué)特性,其簡(jiǎn)化的典型二項(xiàng)參數(shù)形式為

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2

(2)

其中

式中W——應(yīng)變能密度函數(shù)

λ1、λ2、λ3——軸向、徑向和厚度方向主拉伸比

C10、C20——硅橡膠材料的Yeoh模型材料參數(shù),由拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定

主應(yīng)力σiu可由應(yīng)變能函數(shù)對(duì)主伸長(zhǎng)比求偏導(dǎo)數(shù)得到,為

(3)

式中λiu——應(yīng)變層各方向上的拉伸比

p——靜水壓力,可通過(guò)不可壓縮條件確定

在驅(qū)動(dòng)器彎曲變形過(guò)程中,假設(shè)應(yīng)變層在徑向方向上沒(méi)有變形,所以存在徑向拉伸比λ2u為1,對(duì)應(yīng)其徑向應(yīng)力σ2u為0。因此,由式(3)可得靜水壓力p為

(4)

由于材料的不可壓縮假設(shè)和徑向應(yīng)變被忽略,驅(qū)動(dòng)器彎曲變形時(shí),硅膠層的厚度將減小。如果軸向拉伸比λ1u為λu,則對(duì)應(yīng)的應(yīng)變層周向拉伸比λ3u為1/λu。同時(shí)考慮到周向應(yīng)力σ3u遠(yuǎn)小于軸向應(yīng)力σ1u,可計(jì)算出軸向應(yīng)力σ1u為應(yīng)變層唯一主應(yīng)力σu。

從Yeoh模型中可以得到應(yīng)變層軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系為

(5)

其中

λu=L1/L0=(L0+θh′)/L0

式中L1——軟體驅(qū)動(dòng)器應(yīng)變層充氣變形后的軸向長(zhǎng)度

h′ ——腔室應(yīng)變層截面與限制層上表面之間的距離

σu——應(yīng)變層截面上產(chǎn)生的應(yīng)力

Neo-Hooken模型主要適用于小應(yīng)變變形,符合軟體驅(qū)動(dòng)器限制層的變形特性,因此針對(duì)限制層用Neo-Hooken模型。其應(yīng)變能密度函數(shù)W為

(6)

式中μ——材料初始剪切模量,由應(yīng)力應(yīng)變拉伸試驗(yàn)確定

假設(shè)限制層徑向應(yīng)變忽略不計(jì),同樣有徑向拉伸比λ2d為1?？紤]到限制層的拉伸范圍較小,其徑向應(yīng)力σ2d顯著小于σ1d。因此,σ1d被認(rèn)為是限制層唯一不消失的主應(yīng)力,以后記為σd。假設(shè)在驅(qū)動(dòng)器限制層厚度方向有一個(gè)消失應(yīng)力(即σ3d=0)[30],可通過(guò)式(6)推出驅(qū)動(dòng)器限制層關(guān)于Neo-Hooken模型的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系為

(7)

其中

λd=L2/L0=(L0+θt′)/L0

式中L2——軟體驅(qū)動(dòng)器限制層充氣變形后的軸向長(zhǎng)度

t′——腔室限制層截面與點(diǎn)O之間的距離

σd——限制層截面上產(chǎn)生的應(yīng)力

由軟體驅(qū)動(dòng)器充氣變形可知,充氣壓力P對(duì)腔室末端邊界存在驅(qū)動(dòng)力矩MP。驅(qū)動(dòng)器自身受力如圖4所示,應(yīng)變層部分應(yīng)力σu產(chǎn)生阻力矩Mσu,驅(qū)動(dòng)器限制層部分應(yīng)力σd產(chǎn)生阻力矩Mσd。假設(shè)驅(qū)動(dòng)器彎曲過(guò)程中,腔體截面的應(yīng)變層和限制層所受應(yīng)力分別保持一致。軟體驅(qū)動(dòng)器平衡狀態(tài)可通過(guò)MP=Mσu+Mσd表示。

充氣壓力P作用的驅(qū)動(dòng)力矩為

(8)

式中R′——腔室圓心至腔室邊緣的距離

α——應(yīng)變層氣壓作用點(diǎn)與腔室直徑夾角

驅(qū)動(dòng)器應(yīng)變層部分阻力矩為

(9)

驅(qū)動(dòng)器限制層部分阻力矩為

(10)

由式(8)～(10)可得充氣壓力P與軟體驅(qū)動(dòng)器彎曲角θ/2之間的關(guān)系為

(11)

設(shè)置氣壓范圍為0～40 kPa,將限制層材料參數(shù)μ和結(jié)構(gòu)參數(shù)r、t、R、h、L0代入式(11),利用Matlab求解得到不同參數(shù)對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器彎曲性能的影響,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和限制層材料的軟體驅(qū)動(dòng)器理論彎曲角Fig.5 Theoretical results of bending properties of soft actuator structure parameters and limiting layer materials

由圖5a可見,Neo-Hooken模型中所用的材料初始剪切模量μ直接影響軟體驅(qū)動(dòng)器的彎曲角。當(dāng)

μ較小時(shí),說(shuō)明限制層材料易拉伸、剛度較低。圖5b、5c表明,較小的腔室壁厚r和限制層厚度t,無(wú)法抑制驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部氣壓,導(dǎo)致整體更容易彎曲。由圖5d、5e可見,隨著腔室直徑R和腔室高度h的增大,氣體作用在腔室截面上的表面積相應(yīng)增大,有利于驅(qū)動(dòng)器彎曲。由圖5f可見,驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度對(duì)驅(qū)動(dòng)器的彎曲影響較大。在同一氣壓情況下,L0與彎曲角成正比。根據(jù)理論分析結(jié)果確定軟體驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù),如表1所示。

表1 軟體驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Geometrical parameters of soft actuator

在不改變結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下,通過(guò)改進(jìn)限制層材料來(lái)提升軟體驅(qū)動(dòng)器的性能。

2 軟體驅(qū)動(dòng)器有限元分析

硅膠材料的本構(gòu)模型采用唯象模型表述材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系,通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)獲取材料參數(shù)。使用Dragon Skin 20制作軟體驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)變層,根據(jù)文獻(xiàn)[31]獲得Dragon Skin 20硅膠材料在Yeoh模型中的材料參數(shù)C10=0.11、C20=0.02。

考慮到高氣壓下,硅膠材料的限制層極易產(chǎn)生不必要的氣球效應(yīng),因此需要一種變形小、剛度大的材料進(jìn)行改進(jìn)。選擇聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作限制層。但是,Dragon Skin 20的應(yīng)變層與PDMS的限制層粘合性較差。借鑒以往研究[32],在PDMS中加入一定比例碳基材料可以獲得良好的柔性敏感材料。嘗試在PDMS中摻雜聚四氟乙烯(PTFE)來(lái)增強(qiáng)與硅膠材料的粘合性。針對(duì)不同質(zhì)量比例PDMS/PTFE制作的啞鈴狀拉伸樣品,通過(guò)多次單軸拉伸試驗(yàn),找出2種材料的最佳質(zhì)量比。拉伸樣品采用GB/T 528—2009中啞鈴狀2型尺寸,如圖6所示。依據(jù)GB/T 528—2009選取試驗(yàn)機(jī)拉伸速率500 mm/min,試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示限制層材料應(yīng)力與應(yīng)變呈近似線性關(guān)系。

圖6 拉伸試驗(yàn)機(jī)與拉伸樣品Fig.6 Tensile testing machine and tensile sample

圖7為不同質(zhì)量比樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,當(dāng)限制層采用純PDMS時(shí)(預(yù)聚物與固化劑質(zhì)量比為5∶1),材料剛度相對(duì)較小,在應(yīng)變超過(guò)0.58,未摻雜PTFE的樣品應(yīng)力出現(xiàn)陡降,原因是樣品被拉斷失去張緊力,力瞬間下降。應(yīng)變相同時(shí),PDMS/PTFE質(zhì)量比8∶1的樣品應(yīng)力大于PDMS/PTFE質(zhì)量比4∶1的樣品。可見,在PDMS中加入PTFE可改變限制層材料剛度,采用質(zhì)量比8∶1的PDMS/PTFE限制層滿足抑制軟體驅(qū)動(dòng)器限制層膨脹的要求。

圖7 應(yīng)力與應(yīng)變拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Results of stress and strain tensile test

使用ABAQUS軟件對(duì)3種質(zhì)量比的樣品進(jìn)行評(píng)估,得到在Neo-Hooken模型下的材料屬性。純PDMS的限制層材料C10為0.667。質(zhì)量比8∶1和4∶1的C10分別為0.962、0.841。使用SolidWorks軟件建立三維模型并導(dǎo)入ABAQUS,接著將得到的限制層材料參數(shù)導(dǎo)入到有限元模型中,得到氣壓0～40 kPa下PDMS/PTFE質(zhì)量比對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器彎曲性能的影響,結(jié)果如圖8所示。

圖8 軟體驅(qū)動(dòng)器性能對(duì)比Fig.8 Performance comparison of soft actuator

由圖8可知,隨著氣壓增大,未使用PDMS/PTFE限制層材料的軟體驅(qū)動(dòng)器,整體彎曲趨勢(shì)逐漸降低。在氣壓20 kPa下,4種限制層材料軟體驅(qū)動(dòng)器彎曲性能差異最大。

軟體驅(qū)動(dòng)器限制層優(yōu)化前后仿真對(duì)比如圖9所示。圖9a為氣壓取40 kPa時(shí)Yeoh模型的純硅膠軟體驅(qū)動(dòng)器彎曲狀態(tài)仿真,在內(nèi)部壓力下徑向膨脹較大,充氣前后限制層底面偏移尺寸為7.38 mm。純硅膠軟體驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部無(wú)法承受較大氣壓,其整體徑向變形嚴(yán)重,出現(xiàn)明顯的氣球效應(yīng)。單獨(dú)對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器的限制層使用Neo-Hookean模型,材料參數(shù)C10設(shè)置為0.962,圖9b為氣壓取40 kPa時(shí)優(yōu)化軟體驅(qū)動(dòng)器彎曲狀態(tài)仿真,充氣前后底面偏移尺寸為4.62 mm。仿真結(jié)果表明,PDMS/PTFE質(zhì)量比8∶1的樣品限制層有較高的初始剪切模量,可以有效約束驅(qū)動(dòng)器限制層膨脹,從而提升性能。

圖9 軟體驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化前后的仿真對(duì)比Fig.9 Simulation comparison of soft actuator before and after optimization

3 軟體機(jī)械手試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)主要包括氣路系統(tǒng)和電路系統(tǒng),其原理如圖10所示。系統(tǒng)由壓力泵、油霧分離器、單片機(jī)、比例閥、電磁閥等部件組成。其中,氣路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器腔室的充放氣,電路系統(tǒng)則控制各個(gè)氣動(dòng)元件。試驗(yàn)中,通過(guò)空氣壓縮機(jī)、油霧分離器過(guò)濾干燥壓縮空氣,并調(diào)節(jié)減壓閥氣體壓力至50 kPa,以免充入氣壓過(guò)高,破壞軟體驅(qū)動(dòng)器。選取計(jì)算機(jī)作為上位機(jī),利用LabView圖形化編程軟件制作控制界面,通過(guò)單片機(jī)串口對(duì)下位機(jī)發(fā)送指令,控制兩位三通電磁閥的通斷,氣體充入軟體驅(qū)動(dòng)器,使其彎曲,并使用電氣比例閥控制氣壓。

圖10 軟體驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)原理圖Fig.10 Principle of soft actuator test1.氣源 2.油霧分離器 3.減壓閥 4.電磁閥 5.電氣比例閥 6.軟體驅(qū)動(dòng)器 7.繼電器 8.上位機(jī)

根據(jù)圖10試驗(yàn)原理搭建平臺(tái),如圖11所示。試驗(yàn)中,將驅(qū)動(dòng)器整體固定在坐標(biāo)紙上,通過(guò)單片機(jī)控制比例閥氣壓,從而控制軟體驅(qū)動(dòng)器在氣壓0～40 kPa范圍內(nèi)彎曲運(yùn)動(dòng)。

圖11 軟體驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)平臺(tái)Fig.11 Soft actuator test platform

3.2 驅(qū)動(dòng)器彎曲角試驗(yàn)

通過(guò)坐標(biāo)紙,每5 kPa記錄一次不同限制層材料驅(qū)動(dòng)器的彎曲角度,氣壓0～40 kPa下4種不同限制層材料的軟體驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。針對(duì)限制層材料為PDMS的軟體驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行彎曲角試驗(yàn),當(dāng)充入氣壓超過(guò)40 kPa時(shí),驅(qū)動(dòng)器應(yīng)變層和限制層結(jié)合處發(fā)生破裂,無(wú)法承受較大氣壓。在氣壓30～40 kPa區(qū)間,純硅膠軟體驅(qū)動(dòng)器彎曲性能逐漸減弱,其內(nèi)部氣體大部分消耗在驅(qū)動(dòng)器的膨脹。而PDMS/PTFE限制層的軟體驅(qū)動(dòng)器的彎曲角度近似線性增大。將限制層PDMS/PTFE質(zhì)量比為8∶1的驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果、有限元仿真進(jìn)行對(duì)比,如圖13所示。其結(jié)果可見,不同氣壓的作用下,驅(qū)動(dòng)器的理論值和試驗(yàn)值較為吻合。理論、仿真與試驗(yàn)的變化趨勢(shì)大致相同,三者數(shù)據(jù)最大偏差不到5%,但在壓力超過(guò)15 kPa后,仿真、試驗(yàn)結(jié)果漸漸低于理論結(jié)果。原因?yàn)轵?qū)動(dòng)器應(yīng)變層硅膠材料在承受較大氣壓時(shí)出現(xiàn)徑向變形現(xiàn)象,導(dǎo)致仿真、試驗(yàn)彎曲角較小。

圖12 不同氣壓下4種軟體驅(qū)動(dòng)器的彎曲性能曲線Fig.12 Bending performance of four kinds of soft actuators under different air pressures

圖13 理論、仿真與試驗(yàn)的彎曲角度對(duì)比Fig.13 Comparison of bending angle between theory, simulation and test

3.3 最大末端力試驗(yàn)

軟體機(jī)械手對(duì)物體的穩(wěn)定抓取,需要每個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器能夠保持穩(wěn)定的末端力,所以對(duì)4種驅(qū)動(dòng)器分別做最大輸出力試驗(yàn)。為了準(zhǔn)確地測(cè)量驅(qū)動(dòng)器的末端力,將FGJ-5型數(shù)字測(cè)力儀(0.01 N)與未充氣的驅(qū)動(dòng)器末端垂直相連并固定在平臺(tái)上,每5 kPa記錄一次測(cè)力計(jì)的數(shù)值,如圖14所示。結(jié)果可知,限制層PDMS/PTFE質(zhì)量比為8∶1的驅(qū)動(dòng)器末端力最大,氣壓40 kPa下,可達(dá)2.45 N,與純硅膠驅(qū)動(dòng)器相比[33],相同氣壓下末端力最大可提升0.67 N。

圖14 不同氣壓下軟體驅(qū)動(dòng)器的最大輸出力Fig.14 Maximum output force of soft actuator under different air pressures

3.4 實(shí)物抓取試驗(yàn)

抓取能力是評(píng)判機(jī)械手性能的重要標(biāo)準(zhǔn),抓取方式有指尖抓取和包絡(luò)抓取,如圖15所示。指尖抓取只能簡(jiǎn)單地接觸物體表面,其抓取能力取決于驅(qū)動(dòng)器的輸出力和驅(qū)動(dòng)器與物體之間的接觸面狀態(tài)。由于接觸面積小,接觸面摩擦力很難與物體自身重力平衡,因此指尖抓取能力只能針對(duì)體積和質(zhì)量較小的物體。包絡(luò)抓取時(shí),物體與驅(qū)動(dòng)器的接觸面積較大,且驅(qū)動(dòng)器的末端輸出力直接抵抗物體的自身重力,適用于抓取體積、質(zhì)量較大的物體。

圖15 指尖抓取和包絡(luò)抓取測(cè)試Fig.15 Fingertip grasp and envelope grasp test

選擇限制層PDMS/PTFE質(zhì)量比為8∶1軟體驅(qū)動(dòng)器組成軟體機(jī)械手。為了驗(yàn)證氣動(dòng)軟體機(jī)械手兩種抓取方式的可行性,選擇不同形狀、大小的物體進(jìn)行抓取試驗(yàn)。如圖16所示,將制作的3個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器通過(guò)法蘭盤組合一體,并安裝在DOBOT Magician機(jī)械臂上,調(diào)節(jié)比例閥氣壓控制機(jī)械手抓取獼猴桃、橙子、酸奶、潔面乳。

圖16 軟體機(jī)械手抓取試驗(yàn)Fig.16 Soft manipulator grasping test

由于被抓物體的形狀、大小、表面粗糙度不同,直接影響軟體機(jī)械手的抓取試驗(yàn)結(jié)果。圖16a、16b為指尖抓取方式抓取,兩種水果質(zhì)量接近,但是獼猴桃比橙子表面粗糙,軟體機(jī)械手易于指尖抓取起獼猴桃,充入氣壓分別為14、18 kPa。圖16c、16d為包絡(luò)抓取方式。

為了消除物體外在特征對(duì)抓取結(jié)果的影響,選擇以抓砝碼的方式確定軟體機(jī)械手的最大負(fù)載能力,如圖17所示。通過(guò)控制比例閥輸出氣壓,每10 kPa 軟體機(jī)械手分別以指尖抓取、包絡(luò)抓取的方式抓住載物盤,載物盤中加裝有不同質(zhì)量的砝碼,直至其與機(jī)械手發(fā)生滑移,最終測(cè)出在氣壓0～40 kPa下軟體機(jī)械手的負(fù)載能力,其抓取質(zhì)量如表2所示。

表2 抓取質(zhì)量與所需氣壓Tab.2 Grab mass and required air pressure

圖17 氣動(dòng)軟體機(jī)械手負(fù)載能力試驗(yàn)Fig.17 Load capacity test of pneumatic soft manipulator

4 結(jié)論

(1)基于Yeoh模型、Neo-Hooken模型、力矩平衡原理建立了驅(qū)動(dòng)器彎曲角度與充氣壓強(qiáng)之間的理論模型,分析了限制層材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其彎曲性能的影響,并將理論結(jié)果與有限元仿真值、試驗(yàn)值對(duì)比驗(yàn)證,偏差在5%以內(nèi),結(jié)果說(shuō)明理論模型具有較好的準(zhǔn)確性。

(2)對(duì)不同質(zhì)量比的PDMS/PTFE混合材料進(jìn)行研究,結(jié)果表明PDMS/PTFE質(zhì)量比8∶1的材料彈性模量大,不易拉斷,適宜制作驅(qū)動(dòng)器的限制層。利用ABAQUS對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行有限元分析,仿真結(jié)果表明,限制層材料為PDMS、PTFE的軟體驅(qū)動(dòng)器,徑向膨脹現(xiàn)象不明顯,整體剛度大,提升了高氣壓下的彎曲性能。

(3)搭建測(cè)試軟體驅(qū)動(dòng)器的試驗(yàn)平臺(tái),得到不同氣壓下4種驅(qū)動(dòng)器的最大輸出力。結(jié)果表明,采用PDMS/PTFE限制層的軟體驅(qū)動(dòng)器輸出力最大,相比于純硅膠驅(qū)動(dòng)器,輸出力最大可提升0.67 N。選擇該型驅(qū)動(dòng)器組成三指軟體機(jī)械手,完成指尖、包絡(luò)方式抓取物體,并利用抓砝碼的方式測(cè)試出機(jī)械手的最大負(fù)載能力。限制層PDMS/PTFE質(zhì)量比8∶1的軟體驅(qū)動(dòng)器極大提升了機(jī)械手的抓取性能。