一種通用型負(fù)壓軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)與分析

張 波，曹淼龍，楊元健，CHIWAWA T A

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

引言

傳統(tǒng)意義上的機(jī)器人多由剛性材料制成，雖然工作速度快、效率高，但是運(yùn)動(dòng)靈活性有限，與環(huán)境相互作用的能力較差，安全性較低[1]。軟體機(jī)器人的靈感來(lái)源于自然界中柔軟的生物，如壁虎[2]、章魚(yú)[3-4]、蚯蚓[5]、青蛙等[6]，不僅能靈活改變自身形狀，實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作，而且能承受和吸收較大的能量沖擊。軟體機(jī)器人通常由柔性材料制成，具有柔順性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有廣闊的應(yīng)用前景[7]。

作為機(jī)器人的末端執(zhí)行器，軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)一直備受關(guān)注。軟體機(jī)械手主要有兩類：一類是夾持部分由柔性材料制成，并由外部驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)；另一類是夾持部分就是驅(qū)動(dòng)器本身。氣驅(qū)動(dòng)由于響應(yīng)時(shí)間短、輸出力大而被廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器[8]。氣驅(qū)動(dòng)有正壓驅(qū)動(dòng)和負(fù)壓驅(qū)動(dòng)兩種形式。正壓驅(qū)動(dòng)多用于多腔室型[9-10]和纖維增強(qiáng)型[11]軟體驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)充氣增壓產(chǎn)生不同程度的彎曲、扭轉(zhuǎn)。負(fù)壓驅(qū)動(dòng)多是利用顆粒塑形或吸盤(pán)產(chǎn)生內(nèi)外壓力差抓取物體，如BROWN E等[12-13]利用“顆粒堵塞”原理研發(fā)的軟體抓手通過(guò)抽氣的方式調(diào)節(jié)氣壓，可一次性穩(wěn)定抓取一個(gè)或多個(gè)不規(guī)則物體；陳幸等[14-16]設(shè)計(jì)制作了一種負(fù)壓吸盤(pán)，能夠包裹并貼合在物體表面，通過(guò)抽氣使腔室軟壁的表面產(chǎn)生吸力抓取物體；受吸盤(pán)和繩牽引的啟發(fā)，WU Peichen等[17-18]設(shè)計(jì)了一種負(fù)壓驅(qū)動(dòng)與線驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的吸附式夾持器，通過(guò)控制負(fù)壓大小和拉線行程夾持吸附物體。

目前所設(shè)計(jì)的負(fù)壓軟體機(jī)械手多數(shù)只具備夾持或吸附抓取功能，對(duì)不同形狀和紋理的物體難以實(shí)現(xiàn)通用，如圖1所示。

圖1 負(fù)壓軟體夾持器

結(jié)合現(xiàn)有軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)，基于3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制作了一種通用型負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)械手。該軟體機(jī)械手有兩個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)：一是手指和吸盤(pán)能夠獨(dú)立或組合工作，以適應(yīng)不同形狀和紋理的物體；二是雙腔室軟體驅(qū)動(dòng)器，提供驅(qū)動(dòng)力并削減收縮不均勻性。通過(guò)對(duì)不同影響因素下的軟體驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行仿真分析，優(yōu)選出合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)；對(duì)驅(qū)動(dòng)器的收縮和驅(qū)動(dòng)性能以及機(jī)械手的指尖力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試分析，并對(duì)該機(jī)械手進(jìn)行實(shí)物抓取試驗(yàn)。

1 軟體機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水母通過(guò)收縮外殼改變內(nèi)腔體積，以噴水推進(jìn)的方式進(jìn)行移動(dòng)。為模仿上述收縮擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)機(jī)理，利用柔性材料設(shè)計(jì)了一種嵌套式雙腔室軟體驅(qū)動(dòng)器并同其他組件拼裝成軟體機(jī)械手，如圖2所示。各組件均采用低成本的3D打印機(jī)制作，打印材料為熱塑性彈性體(TPE-83A)和聚丙交酯(PLA)。TPE材料柔順性好，用于制作軟體驅(qū)動(dòng)器、吸盤(pán)以及柔性墊片；PLA材料硬度和強(qiáng)度高，用于打印固定支撐結(jié)構(gòu)、連桿以及手指支撐結(jié)構(gòu)。

圖2 軟體機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

軟體驅(qū)動(dòng)器是由2個(gè)波紋管結(jié)構(gòu)嵌套組成，具有2個(gè)獨(dú)立腔室。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器在自然狀態(tài)下抽氣后，驅(qū)動(dòng)器整體產(chǎn)生收縮變形；當(dāng)驅(qū)動(dòng)器通氣后，驅(qū)動(dòng)器能夠利用彈性恢復(fù)到原始狀態(tài)。軟體驅(qū)動(dòng)器分為三部分，頂部包含固定和進(jìn)氣口兩部分，中間為收縮變形部分，底部為吸盤(pán)連接部分，結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖3所示，尺寸參數(shù)如表1所示。外部驅(qū)動(dòng)器為軟體機(jī)械手提供主要的收縮動(dòng)力。內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器一是削減收縮不均勻性；二是連通吸盤(pán)，提供吸附力。當(dāng)外部驅(qū)動(dòng)器單獨(dú)工作時(shí)，適用于抓取表面粗糙的物體；當(dāng)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)器同時(shí)工作時(shí)，吸盤(pán)吸附住物料光滑表面的同時(shí)借助手指支撐物體，承載更大的重量。

圖3 軟體驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)剖面示意圖

表1 軟體驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)表 mm

2 軟體驅(qū)動(dòng)器仿真分析

2.1 TPE材料

軟體機(jī)械手實(shí)現(xiàn)抓取的基礎(chǔ)是驅(qū)動(dòng)器能夠產(chǎn)生定向的大變形，故選材需擁有良好的彈性性能。TPE材料斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)420%，可以很好的滿足彈性要求，常作為汽車、航空航天、液壓等領(lǐng)域的防震和密封材料。

類橡膠材料在使用有限元方法進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，在受力過(guò)程中具有材料和幾何非線性特性及各向同性、不可壓縮的超彈性特征，因此需要建立材料本構(gòu)模型[19]。針對(duì)于TPE材料在實(shí)際工程應(yīng)用中，本研究采用Mooney-rivlin兩參數(shù)模型進(jìn)行求解[20]，本次仿真所設(shè)定的模型參數(shù)為C10=0.677，C01=1.621，密度ρ=1.14 g/cm3。

2.2 軟體驅(qū)動(dòng)器仿真分析

軟體驅(qū)動(dòng)器的收縮性能主要受波紋管結(jié)構(gòu)的數(shù)量n、壁厚t和內(nèi)外驅(qū)動(dòng)器直徑尺寸D1，D2的影響。為研究不同因素對(duì)驅(qū)動(dòng)器性能的影響，將驅(qū)動(dòng)器模型導(dǎo)入ABAQUS中，使用Mooney-rivlin本構(gòu)模型來(lái)表征材料的特性，網(wǎng)格劃分采用十節(jié)點(diǎn)二次四面體雜交單元類型(C3D10H)。

為充分利用軟體機(jī)械手的抓取范圍，所設(shè)計(jì)的軟體驅(qū)動(dòng)器在保證允許氣壓范圍內(nèi)不發(fā)生橫向變形條件下，還應(yīng)具備良好的收縮性和足夠的末端驅(qū)動(dòng)力。下面分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的軟體驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行仿真分析，以優(yōu)選驅(qū)動(dòng)器合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1)波紋管結(jié)構(gòu)數(shù)量對(duì)收縮量影響

為了解波紋管結(jié)構(gòu)的數(shù)量對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器收縮性能的影響，在其他條件不變的情況下，僅改變波紋數(shù)量進(jìn)行仿真分析。圖4為3種驅(qū)動(dòng)器在-0.02 MPa氣壓時(shí)的收縮量仿真云圖，圖5為3種軟體驅(qū)動(dòng)器-0.05～0 MPa氣壓下收縮量l變化曲線。

圖4 -0.02 MPa時(shí)各驅(qū)動(dòng)器收縮量仿真云圖

圖5 不同波紋數(shù)量下收縮量與氣壓關(guān)系曲線

通過(guò)圖4分析得出，4結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器受結(jié)構(gòu)剛度影響，收縮時(shí)容易發(fā)生不規(guī)則變形；8結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器在-0.02 MPa時(shí)達(dá)到最大收縮量30.71 mm。從圖5整體收縮量與氣壓關(guān)系曲線來(lái)看，4結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器收縮量較小，最大值僅有15.68 mm，且收縮趨勢(shì)逐漸平緩；6和8結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器都具有良好的收縮性，區(qū)別在于6結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器最大收縮量為35.44 mm，相比于8結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器收縮量略大。相同設(shè)計(jì)高度下，波紋數(shù)量過(guò)少會(huì)導(dǎo)致縱向剛度變大，氣壓越大收縮性能越差；數(shù)量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致每一個(gè)波紋管內(nèi)部收縮空間減小，影響收縮量。

2)壁厚對(duì)收縮量的影響

為了解不同壁厚對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器收縮性能的影響，選擇波紋數(shù)量為6，壁厚分別為0.8，1.2，1.6 mm的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行仿真分析。為模擬實(shí)際抓取過(guò)程中驅(qū)動(dòng)器的受力情況，將底部固定，分析比較相同負(fù)壓下各驅(qū)動(dòng)器的形變。圖6為-0.05 MPa氣壓時(shí)各驅(qū)動(dòng)器的形變?cè)茍D，圖7為-0.05～0 MPa氣壓范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)器收縮量的變化曲線。

圖6 -0.05 MPa時(shí)各驅(qū)動(dòng)器仿真形變?cè)茍D

圖7 不同壁厚下收縮量與氣壓關(guān)系曲線

由圖6可知，在有負(fù)載的情況下，腔內(nèi)氣壓-0.05 MPa 時(shí)壁厚為0.8 mm的驅(qū)動(dòng)器橫向變形過(guò)大，表面向內(nèi)凹陷，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)器的末端驅(qū)動(dòng)力過(guò)小，不足以提供較大的支撐力。由圖7可知，在-0.05～0 MPa 氣壓范圍內(nèi)，壁厚為1.2 mm和1.6 mm的驅(qū)動(dòng)器均未發(fā)生明顯形變，說(shuō)明在允許的氣壓范圍內(nèi)二者均符合條件。但由于壁厚過(guò)大，1.6 mm驅(qū)動(dòng)器的收縮性能受限，-0.05 MPa時(shí)收縮量?jī)H為24.65 mm。

3)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)器直徑尺寸對(duì)收縮量的影響

為了解內(nèi)外驅(qū)動(dòng)器直徑D1，D2對(duì)驅(qū)動(dòng)器收縮量的影響(內(nèi)外驅(qū)動(dòng)器直徑越大，波紋深度越小)，在波紋數(shù)量為6、壁厚為1.2 mm情況下，分別對(duì)直徑為A(D1=22 mm，D2=52 mm)，B(D1=18 mm，D2=48 mm)和C(D1=14 mm，D2=44 mm)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行仿真分析。圖8為-0.02 MPa氣壓時(shí)各驅(qū)動(dòng)器收縮量云圖，圖9為-0.05～0 MPa氣壓范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)器收縮量的變化曲線。

圖8 -0.02 MPa時(shí)各驅(qū)動(dòng)器收縮量仿真云圖

圖9 不同驅(qū)動(dòng)器直徑下收縮量與氣壓關(guān)系曲線

由圖8得出，施加相同負(fù)壓，A驅(qū)動(dòng)器收縮量較小，說(shuō)明內(nèi)外驅(qū)動(dòng)器直徑尺寸對(duì)收縮量有較大影響。隨著直徑尺寸減小，驅(qū)動(dòng)器的收縮量增加，即內(nèi)外驅(qū)動(dòng)器直徑尺寸與收縮量成反比。由圖9可知，當(dāng)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)器直徑減小到一定值后，驅(qū)動(dòng)器收縮量達(dá)到最大(B與C驅(qū)動(dòng)器均達(dá)到最大收縮量)。

綜合上述，對(duì)不同影響因素下的軟體驅(qū)動(dòng)器仿真分析可知，軟體驅(qū)動(dòng)器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍：4

3 軟體機(jī)械手試驗(yàn)研究

3.1 軟體機(jī)械手制作

根據(jù)有限元仿真優(yōu)選的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用3D打印機(jī)將各組件打印成型并組裝起來(lái)，完成整體軟體機(jī)械手的制作，如圖10所示。

圖10 制作過(guò)程和組裝后的軟體機(jī)械手

3.2 軟體機(jī)械手性能測(cè)試試驗(yàn)

本次試驗(yàn)所使用的控制系統(tǒng)為基于dSPACE RT1104的PWM閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)輸出的PWM脈動(dòng)信號(hào)控制氣泵電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)軟體驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部氣壓大小。試驗(yàn)所用的主要儀器有：微型雙用氣泵(-0.08～0.12 MPa)、壓力表(-0.1～0.15 MPa)、薄膜壓力傳感器(0～19.6 N)、電子測(cè)力計(jì)(0～30 N)、拉線位移傳感器(0～600 mm)以及節(jié)流閥，整體試驗(yàn)臺(tái)架如圖11所示。試驗(yàn)主要對(duì)軟體機(jī)械手的性能進(jìn)行了研究。

圖11 試驗(yàn)臺(tái)架

1)軟體驅(qū)動(dòng)器收縮量測(cè)試試驗(yàn)

為驗(yàn)證軟體驅(qū)動(dòng)器仿真結(jié)果，對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器的收縮性能進(jìn)行測(cè)試，記錄每增加-0.005 MPa時(shí)的收縮量。將仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線比較分析，如圖12所示。

圖12 驅(qū)動(dòng)器仿真與實(shí)際測(cè)試收縮量對(duì)比曲線

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試可知，在-0.05 MPa氣壓下該驅(qū)動(dòng)器的最大收縮量為36.72 mm，就仿真結(jié)果相比，誤差僅為1.28 mm，且整體收縮趨勢(shì)相同，可驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2)驅(qū)動(dòng)器末端驅(qū)動(dòng)力和指尖力測(cè)試試驗(yàn)

為測(cè)試所設(shè)計(jì)軟體機(jī)械手的力學(xué)性能，將薄膜壓力傳感器分別貼在各個(gè)指尖，并使指尖接觸到物體表面；用不可變形細(xì)線將驅(qū)動(dòng)器底部與電子測(cè)力計(jì)相連，并使細(xì)線處于張緊狀態(tài)。緩慢增大氣壓至-0.05 MPa，記錄每增加-0.005 MPa時(shí)各指尖力和末端驅(qū)動(dòng)力大小，繪制成曲線如圖13所示。

圖13 驅(qū)動(dòng)器末端驅(qū)動(dòng)力F1及指尖力F2與氣壓的關(guān)系曲線

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，在-0.05 MPa下，最大指尖力為4.86 N，驅(qū)動(dòng)器最大末端驅(qū)動(dòng)力為22.53 N。從指尖力曲線中可以看出，整體趨勢(shì)都是隨著負(fù)壓絕對(duì)值增大而增大的，由于該軟體機(jī)械手各組件均由低成本的3D打印機(jī)制作，結(jié)構(gòu)精度有限，故各指尖力有一定誤差。末端驅(qū)動(dòng)力較大，說(shuō)明吸盤(pán)可以吸附起的物體質(zhì)量較大。從整體曲線圖中可以看出，末端驅(qū)動(dòng)力越大則指尖力越大，驅(qū)動(dòng)器末端驅(qū)動(dòng)力與指尖力成正比關(guān)系。

3.3 軟體機(jī)械手實(shí)物抓取試驗(yàn)

為測(cè)試軟體機(jī)械手的抓取性能，選擇不同大小和形狀的物體進(jìn)行抓取試驗(yàn)，抓取結(jié)果如圖14所示。抓取結(jié)果顯示，外部驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)時(shí)，該機(jī)械手適用于抓取不同形狀、表面粗糙的物體；內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)時(shí)，可吸附并提起表面光滑、質(zhì)量更大的物體；當(dāng)二者結(jié)合共同工作時(shí)，可用于抓取0～300 g范圍內(nèi)不同大小、形狀和紋理的物體。

圖14 抓取試驗(yàn)

4 結(jié)論

(1)本研究通過(guò)模仿水母的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，提出并設(shè)計(jì)了一種基于3D打印技術(shù)的多功能負(fù)壓軟體機(jī)械手。所設(shè)計(jì)的軟體機(jī)械手通過(guò)手指和吸盤(pán)實(shí)現(xiàn)抓取，二者可獨(dú)立或組合操作。對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)軟體機(jī)械手進(jìn)行性能測(cè)試分析及實(shí)物抓取試驗(yàn)；

(2)影響軟體驅(qū)動(dòng)器性能的主要因素為波紋管結(jié)構(gòu)數(shù)量n、壁厚t和內(nèi)外驅(qū)動(dòng)器直徑D1，D2，通過(guò)對(duì)不同影響因素下的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行仿真分析可知，波紋數(shù)量、壁厚和內(nèi)外驅(qū)動(dòng)器直徑對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器的收縮性能影響較大，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍為4

(3)后續(xù)研究中將使用機(jī)械臂操控，并在抓取試驗(yàn)中增加一臺(tái)高清攝像機(jī)，對(duì)被抓取的物體進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)識(shí)別空間中的不同物體，并根據(jù)它們的位置、大小和形狀來(lái)進(jìn)行選擇，該算法還將指定最適合的抓取方式，以便單獨(dú)或同時(shí)使用手指和吸盤(pán)來(lái)抓取和處理對(duì)象。