基于光反饋柔性氣動(dòng)手爪設(shè)計(jì)與研究

曾 敏

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車輛工程系，山西 太原 030600)

引言

隨著自動(dòng)化浪潮的發(fā)展，機(jī)器人相關(guān)技術(shù)得到了深入發(fā)展，尤其在剛性機(jī)器人領(lǐng)域，出現(xiàn)了眾多功能可靠、操作精度高的末端執(zhí)行器。但剛性末端執(zhí)行器與非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的匹配兼容性，尤其是在果蔬分揀等易損、易碎物品夾持領(lǐng)域略顯不足[1-2]?，F(xiàn)代生產(chǎn)線上經(jīng)常有機(jī)器手夾持不同形狀或材料的物品，因此對(duì)生產(chǎn)線機(jī)器人末端夾持器的通用性和適應(yīng)性提出了越來(lái)越高的要求。常見的機(jī)械式夾具由于效率不高，且容易對(duì)目標(biāo)物造成表面損傷，顯然已經(jīng)不能滿足種類眾多的自動(dòng)化產(chǎn)線需求。

氣動(dòng)軟體柔性手爪作為近年來(lái)新興的重要末端夾持器，能夠適應(yīng)多種產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)柔順夾持，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值[3-4]。文力團(tuán)隊(duì)[5]研制的氣動(dòng)軟體手爪，通過(guò)控制小氣室的氣體壓力實(shí)現(xiàn)手爪的開合，有效抓取直徑為30～100 mm，但是由于柔性手爪沒有反饋傳感器只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的開合抓取。王正等[6]研制了一種纖維增強(qiáng)型軟體手爪，通過(guò)徑向纏繞纖維約束膨脹特性提高手爪夾持器的彎曲角度。張麗麗等[7]設(shè)計(jì)了一種三指柔性?shī)A持器，抓取重量達(dá)到500 g，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)氣壓的檢測(cè)與反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)物體直徑識(shí)別，但是由于柔性手爪在與目標(biāo)物接觸后位移不再隨氣壓的變化而變化，存在一定的缺陷。涂琴等[8]研制了一種多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)建立驅(qū)動(dòng)氣壓與負(fù)載的關(guān)系，對(duì)抓持特性進(jìn)行了研究，為不同用途的軟體驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與控制提供了參考。徐青瑜等[9]基于章魚仿生學(xué)設(shè)計(jì)制作了一種螺旋軟體驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)改變腔室結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三維空間的扭轉(zhuǎn)，提升了軟體驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力，并對(duì)驅(qū)動(dòng)氣壓與位移曲線進(jìn)行了研究。楊孟濤等[10]設(shè)計(jì)了一種組合式氣動(dòng)柔性機(jī)械手，通過(guò)多段組合的形式實(shí)現(xiàn)不同手指段的彎曲變形。

氣動(dòng)軟體夾持器主要通過(guò)內(nèi)部氣體壓強(qiáng)的變化或環(huán)境條件變化來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力[11]。目前軟體手爪為中空結(jié)構(gòu)，主要材料為硅橡膠，制造工藝多為分體制造，黏接而成，容易出現(xiàn)黏接缺陷[12]。

針對(duì)傳統(tǒng)夾持器存在的不足，采用低溫石蠟可熔支撐腔，并結(jié)合3D打印技術(shù)制作了質(zhì)量?jī)H為15 g的一體式柔性手爪；通過(guò)光感知反饋方式實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)手爪的位置反饋及對(duì)目標(biāo)物尺寸的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了柔性?shī)A持器低成本閉環(huán)反饋控制方案。

1 柔性手爪設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)作原理

柔性手爪采用硅橡膠為原材料，具有較高柔性及拉伸強(qiáng)度，在外界條件下通過(guò)形變實(shí)現(xiàn)彎曲或伸長(zhǎng)動(dòng)作。本研究設(shè)計(jì)的氣動(dòng)柔性手爪分為氣室變形層和柔性彎曲層，通過(guò)對(duì)柔性手爪氣室層和柔性彎曲層處設(shè)計(jì)不同的壁厚及澆筑不同配比的硅膠溶液，實(shí)現(xiàn)手爪不同位置處的剛度變化。柔性手爪內(nèi)部分為氣室層和彎曲層，其中剛度較小的氣室變形層的膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于柔性彎曲層，當(dāng)內(nèi)部氣室通入有壓氣體時(shí)，小氣室變形層在氣壓作用下向四周膨脹，由于腔室之間相互緊鄰，內(nèi)壁膨脹，使其相互推壓，導(dǎo)致小氣室層長(zhǎng)度方向優(yōu)先變化，使得手爪向內(nèi)彎曲；當(dāng)手爪內(nèi)部成負(fù)壓狀態(tài)時(shí)，由于小氣室內(nèi)的空氣被抽出，并且氣室層的剛度小于柔性變形層，因此手爪將向反向彎曲，手爪彎曲原理如圖1所示。

圖1 柔性手爪彎曲原理

由于氣室層和柔性彎曲層具有不同的剛度延展性，通過(guò)對(duì)手爪內(nèi)部氣室層進(jìn)行正壓和負(fù)壓狀態(tài)的控制，可使手爪向不同的方向彎曲。由于硅橡膠材料具有較好的柔順性和彈力，可以使用較低的氣壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以采用微型氣泵作為動(dòng)力，在一定程度上擺脫了氣源的限制，使得軟體手指既可以完成規(guī)定的動(dòng)作，又十分的便攜安全。

1.2 模具設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)柔性手爪制作過(guò)程分為兩步進(jìn)行，首先通過(guò)外殼模具及硬性支撐件制作柔性手爪的氣室變形層，待硅膠溶液固化后將結(jié)構(gòu)支撐件取出，再與柔性彎曲層進(jìn)行黏接操作。該方式屬于分層制作，在交接面存在分層現(xiàn)象，易出現(xiàn)破損導(dǎo)致氣密性降低，從而影響手爪的抓持效果。

為改善以上不足，采用低溫石蠟支撐實(shí)現(xiàn)手爪的一體化成型設(shè)計(jì)。對(duì)于蠟芯模具的選材，考慮到石蠟熔化時(shí)溫度在45 ℃左右，蠟芯模具的材料必須能夠耐溫60 ℃以上，綜合考慮選擇耐溫90 ℃以上的ABS工程材料并通過(guò)3D打印成型，如圖2所示為石蠟芯3D模型。

圖2 石蠟芯模具

首先將熔化的低溫石蠟液體注入到石蠟芯模具中，待溫度降至室溫后將石蠟芯從模具中取出，放入手爪模具中，手爪模具如圖3所示，并通過(guò)3D打印制作。

圖3 手爪模具

柔性手爪的氣室形狀、分布結(jié)構(gòu)、硅膠材料配比、壁厚、耐壓參數(shù)等對(duì)柔性手爪的彎曲性能具有一定影響。因此，氣動(dòng)柔性手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分考慮相關(guān)因素，各氣腔之間的連接部分為氣道，手爪模具和石蠟支撐芯的參數(shù)如表1所示。

表1 模具參數(shù)表

1.3 柔性手爪制備

硅膠溶液的屬性對(duì)柔性手爪的制備過(guò)程及使用條件具有較大的影響，因此選擇合適的硅膠溶液至關(guān)重要。本研究選用一種高柔韌性、自脫泡的A/B混合硅橡膠溶液，室溫下即可固化，并且在溫度范圍-65～200 ℃時(shí)可長(zhǎng)期使用并保持柔軟彈性性能，是制作氣動(dòng)柔性手爪的理想材料。通過(guò)調(diào)配A，B兩種溶液的比例可以在一定程度上對(duì)成型后的硅膠硬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且其自脫泡能力，避免了手爪內(nèi)部氣泡造成漏氣的風(fēng)險(xiǎn)。

首先向石蠟芯模具中注射液態(tài)石蠟制備氣動(dòng)軟體夾持器的內(nèi)部氣室結(jié)構(gòu)，然后將制備好的支撐蠟芯裝入硅膠手爪模具中，蠟芯側(cè)邊的金屬棒固定孔剛好與手爪模具的孔位相配合，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。然后向手爪模具中注入混合后的硅膠溶液，首先按照A∶B=1∶1的比例進(jìn)行氣室層的澆筑，待手爪的氣室層充滿后，更換A∶B=1.4∶1的比例進(jìn)行柔性彎曲層澆筑，直至將溶液澆筑至設(shè)定的刻度標(biāo)識(shí)；然后將模具上蓋扣合，并用夾具加緊。靜止8 h后，將模具打開，取出一體式柔性手爪模型，此時(shí)蠟芯已封入手爪中。隨后將手爪放置在70 ℃的熱水中，使手爪內(nèi)的石蠟熔化后用注射器吸出，最后得到具有中空氣室的柔性手爪，通過(guò)組裝即可實(shí)現(xiàn)不同的夾持器結(jié)構(gòu)，制備過(guò)程如圖4所示。

圖4 柔性手爪制備過(guò)程

2 柔性手爪控制研究

2.1 亮度檢測(cè)原理

在柔性手爪的指尖位置嵌入有直徑3 mm的發(fā)光二極管，通過(guò)柔性層中的橢圓形貫穿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光線傳播，在柔性手爪根部安裝有亮度檢測(cè)模塊，可對(duì)到達(dá)柔性手爪尾部的光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)柔性手爪處于自然伸直狀態(tài)時(shí)，發(fā)光二極管與光強(qiáng)檢測(cè)模塊正相對(duì)，此時(shí)柔性手爪尾端檢測(cè)到的光線強(qiáng)度最強(qiáng)，隨著手爪的彎曲，手爪根部的光強(qiáng)不斷減弱。因此通過(guò)檢測(cè)手爪彎曲層中的光線強(qiáng)度，建立光線強(qiáng)度與彎曲之間的數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)手爪彎曲狀態(tài)的感知與反饋，手爪光強(qiáng)檢測(cè)反饋原理如圖5所示。

圖5 亮度檢測(cè)原理

2.2 光強(qiáng)與彎曲數(shù)學(xué)模型

為建立光強(qiáng)與柔性手爪彎曲狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，搭建了如圖6所示的單手指實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，主要包括柔性手爪、微型氣泵、電磁閥、電源、Arduino控制器、光強(qiáng)檢測(cè)模塊等。

圖6 柔性手爪測(cè)試平臺(tái)

單根柔性手爪的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框架如圖7所示，驅(qū)動(dòng)模塊采用L298模塊，通過(guò)PWM調(diào)壓技術(shù)，可對(duì)微型氣泵的輸出流量及驅(qū)動(dòng)氣壓進(jìn)行在線調(diào)節(jié)。通過(guò)二位三通電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)充氣和放氣的控制，從而實(shí)現(xiàn)柔性手爪彎曲和張開。通過(guò)光強(qiáng)檢測(cè)模塊與Arduino連接實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的反饋。

圖7 柔性手爪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖

不同彎曲角度時(shí)手爪具有特定的彎曲狀態(tài)，當(dāng)對(duì)柔性手爪進(jìn)行充氣時(shí)手爪進(jìn)行彎曲，通過(guò)在坐標(biāo)紙上記錄不同位置與水平線的夾角以及對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)，從而得出光強(qiáng)與彎曲角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)彎曲實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10次抓取，并將光強(qiáng)檢測(cè)模塊讀數(shù)進(jìn)行取平均值處理，不同彎曲角度對(duì)應(yīng)的電壓值如表2所示。

表2 光強(qiáng)檢測(cè)數(shù)據(jù)與彎曲角度對(duì)應(yīng)關(guān)系

為了得出不同彎曲角度與光強(qiáng)檢測(cè)模塊讀數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)在MATLAB的擬合工具箱中進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合，得到了如圖8所示的擬合曲線。

圖8 光強(qiáng)數(shù)據(jù)與彎曲角度擬合曲線

通過(guò)選取不同的擬合方程，最終得到彎曲角度與光強(qiáng)檢測(cè)模塊之間的對(duì)應(yīng)方程，如式(1)：

A1=17.97U3-171.6U2+552.3U-575.5

(1)

式中，A1—— 手爪末端彎曲角度，(°)

U—— 檢測(cè)到的電壓值，V

2.3 手爪控制策略

柔性手爪的智能控制抓取是指在抓取過(guò)程中不需外界手動(dòng)輸入，通過(guò)對(duì)光強(qiáng)檢測(cè)模塊的讀數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，根據(jù)光強(qiáng)的變化情況對(duì)手爪彎曲角度及抓取狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)根據(jù)光強(qiáng)的變化情況智能判斷單次抓取操作是否完成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泵的啟?？刂?，通過(guò)控制算法與機(jī)械手臂配合可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的尺寸判斷以及自動(dòng)分揀動(dòng)作，尤其在自動(dòng)化的果蔬產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)及分裝操作，具有較大的實(shí)用價(jià)值。根據(jù)目標(biāo)物抓取前是否需要對(duì)抓取姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，可將其抓取過(guò)程進(jìn)行細(xì)化處理，其控制流程如圖9所示。

圖9 控制流程圖

根據(jù)目標(biāo)物抓取時(shí)是否需將手爪調(diào)整至特定姿態(tài)才能進(jìn)行有效抓取，可將柔性手爪的抓取過(guò)程分為兩個(gè)步驟：首先是接觸目標(biāo)物前，根據(jù)目標(biāo)物尺寸或特定抓取姿態(tài)，在光強(qiáng)閉環(huán)反饋下對(duì)手爪末端位置和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，以達(dá)到特定的抓取姿態(tài)；當(dāng)手爪與目標(biāo)物接觸后與物體發(fā)生自適應(yīng)貼合直至彎曲狀態(tài)不再發(fā)生變化，此時(shí)通過(guò)額外增加充氣時(shí)間的方式以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前抓取狀態(tài)和抓緊力的保持，并根據(jù)光強(qiáng)檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋當(dāng)前手爪角度。對(duì)單手爪的實(shí)際角度與目標(biāo)角度對(duì)比結(jié)果如圖10所示，從圖中可以看出通過(guò)光強(qiáng)反饋對(duì)實(shí)際角度的控制與期望角度具有較好的擬合。

圖10 手爪期望角度與實(shí)際角度

3 抓取試驗(yàn)

采用三根柔性手爪與環(huán)形連接法蘭組裝完成三指柔性?shī)A持器樣機(jī)，為對(duì)三指柔性?shī)A持器的抓取性能進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了如圖11所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要由電源適配器、Arduino控制器、三指柔性?shī)A持器，光強(qiáng)檢測(cè)模塊及氣動(dòng)回路控制系統(tǒng)組成。

圖11 三指柔性?shī)A持器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

對(duì)直徑φ為15，35，55，75 mm的圓球進(jìn)行了抓取實(shí)驗(yàn)，每組進(jìn)行10次抓取操作，并將測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際尺寸進(jìn)行了對(duì)比，不同尺寸下誤差率為2%～6.7%，具有較高的識(shí)別精度。直徑為15 mm的測(cè)試結(jié)果如圖12所示，從圖中可以看出識(shí)別直徑在實(shí)際直徑尺寸上下波動(dòng)，其范圍為-0.5～1 mm。直徑為35 mm的測(cè)試結(jié)果如圖13所示，從圖中可以看出識(shí)別直徑在實(shí)際直徑尺寸上下波動(dòng)，其范圍為-1～1.2 mm。

圖12 直徑15 mm測(cè)試結(jié)果

圖13 直徑35 mm測(cè)試結(jié)果

直徑為55 mm的測(cè)試結(jié)果如圖14所示，從圖中可以看出識(shí)別直徑在實(shí)際直徑尺寸上下波動(dòng)，其范圍為-1.2～1.9 mm。直徑為75 mm的測(cè)試結(jié)果如圖15所示，可以看出識(shí)別直徑在實(shí)際尺寸上下波動(dòng)，其范圍為-1.5～2 mm。

圖14 直徑55 mm測(cè)試結(jié)果

圖15 直徑75 mm測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)常見的物品及易損、易碎物體進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)，對(duì)三指柔性?shī)A持器的抓取能力及安全性能進(jìn)行驗(yàn)證。選定的抓取目標(biāo)物包括生雞蛋、玻璃杯、硅膠球、小盆栽等物品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。通過(guò)抓取試驗(yàn)可知，設(shè)計(jì)的三指柔性?shī)A持器具有質(zhì)量輕、抓重大、安全性高、自適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且通過(guò)光強(qiáng)-彎曲數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性手爪彎曲狀態(tài)的反饋與控制，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物尺寸的識(shí)別及有效的分揀。

圖16 柔性?shī)A持器抓取實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

本研究采用石蠟熔融與3D打印技術(shù)，通過(guò)剛?cè)峥煽刂涡荆瑢?shí)現(xiàn)柔性手爪的一體成型，避免了傳統(tǒng)制作方式上下分型面導(dǎo)致壽命較短的缺陷，并且提高了柔性手爪的使用性能。通過(guò)光強(qiáng)反饋控制方式，建立了光強(qiáng)-彎曲數(shù)學(xué)模型，解決了目前柔性手爪采用彎曲傳感器成本高、嵌入困難的問題。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，該控制方式具有較高的控制精度，同時(shí)可對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行有效的尺寸識(shí)別與自動(dòng)化產(chǎn)線的快速分揀動(dòng)作，物體尺寸識(shí)別誤差率為2%～6.7%。通過(guò)對(duì)不同的物品的抓取實(shí)驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)光感知柔性氣動(dòng)手爪具有質(zhì)量輕、成本低、便攜性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)為柔性手爪的低成本閉環(huán)反饋控制方式提供新的思路。