一種內(nèi)骨骼軟體手的抓取策略研究

武兆平， 李小寧

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

引言

機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)抓取操作。隨著生產(chǎn)力水平和勞動(dòng)效率的提高，混流柔性生產(chǎn)等新的制造技術(shù)對機(jī)械手功能多樣性提出了更高的要求，尤其是對不同形狀、不同質(zhì)量且易損傷物體的安全可靠抓取[1]。因此工業(yè)生產(chǎn)， 尤其是混流柔性生產(chǎn)需求一種靈活高效、通用性強(qiáng)、具有足夠夾持力的柔順機(jī)械手。近年來隨著新興學(xué)科軟體機(jī)器人的出現(xiàn)，為機(jī)械手的設(shè)計(jì)提供了新的靈感和思路[2-3]。軟體機(jī)械手作為軟體機(jī)器人的一個(gè)主要分支應(yīng)運(yùn)而生[4-6]。目前各類軟體機(jī)械手雖然具有柔順和適應(yīng)不規(guī)則形狀的優(yōu)點(diǎn)，但普遍存在抓持力不足的問題。大部分軟體手都是純軟體材料制作，其本身剛度小的性質(zhì)決定了抓持力較小，且在氣壓驅(qū)動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生各種不需要的變形，如徑向膨脹與不規(guī)則變形等[7-9]。為解決這一問題，本研究設(shè)計(jì)了一種新型關(guān)節(jié)式內(nèi)骨骼氣動(dòng)軟體機(jī)械手。

對設(shè)計(jì)的軟體機(jī)械手進(jìn)行實(shí)際抓取應(yīng)用是一項(xiàng)關(guān)鍵需求。為了使軟體機(jī)械手能夠安全可靠地抓取，其控制策略與抓取規(guī)劃的研究則尤其重要。軟體機(jī)械手的柔順性與形狀適應(yīng)性是其優(yōu)于傳統(tǒng)剛性機(jī)械手的最主要特點(diǎn)。不同于剛性機(jī)械手抓取物體時(shí)的硬指接觸形式，軟體手貼合物體表面，接觸耦合面積很大，且不是一般的點(diǎn)接觸，大部分情況下不能采用傳統(tǒng)的抓取穩(wěn)定性理論。目前針對軟體機(jī)械手的抓取策略研究較少，一般都是經(jīng)驗(yàn)抓持，或是參考傳統(tǒng)抓取理論，對其進(jìn)行提取、改造和優(yōu)化，針對具體的軟體手進(jìn)行抓取策略討論與分析。ZELANGO N等[10]總結(jié)了軟體手無傷抓持時(shí)的幾種力作用模式，并歸納了其模擬人手兩種抓持方式的機(jī)理，即精確抓持和力度抓持，為抓取規(guī)劃提供了最基本的理論依據(jù)。ZHOU X[11]等研究了軟體手爪在抓取過程中的一些力學(xué)機(jī)制，精確表明了抓取如何實(shí)現(xiàn)和抓取性能如何被系統(tǒng)參數(shù)影響。HOMBERG等[12]通過對軟體手內(nèi)部狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了軟體手的魯棒性抓取和對抓取物體觸覺識(shí)別的功能。ZHONG G等[13]對研制的具有中心真空吸盤的新型軟體機(jī)械手進(jìn)行了抓取模式的分析，和其他軟體手相比，該手爪具有更多的抓持模式和更大的操作空間，共有4種可轉(zhuǎn)換的抓取模式。王寧揚(yáng)等[14]針對研制的蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)軟體手進(jìn)行了抓取策略的研究，結(jié)合其運(yùn)動(dòng)特性和抓取特性，針對每個(gè)備選抓取點(diǎn)進(jìn)行抓取過程模擬，以確定最終的抓取形態(tài)。

軟體機(jī)械手將傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手的應(yīng)用范圍從結(jié)構(gòu)化環(huán)境中對剛性物體的抓取拓展到了對柔性的、表面形狀復(fù)雜的以及易碎物體的抓取中，這極大地豐富了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，但又對抓取策略提出了更高的要求。當(dāng)軟體機(jī)械手實(shí)際抓取目標(biāo)物體時(shí)，如何規(guī)劃抓取方式，保持抓持的安全可靠，是一個(gè)亟需解決的問題。

1 內(nèi)骨骼軟體手設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

氣動(dòng)純軟體手的優(yōu)點(diǎn)是柔順性，缺點(diǎn)是剛度低抓持力小。其動(dòng)作是通過氣壓作用使軟體材料的手指發(fā)生彎曲變形，即軟體材料是產(chǎn)生動(dòng)作的“執(zhí)行器”，具有柔順性的優(yōu)點(diǎn)；另一方面，軟體手抓取過程中的所有力也是靠軟體材料來承擔(dān)和傳遞，而軟體材料在承力和力傳遞的剛性方面顯然不如機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以在承力和力的傳遞方面是個(gè)弱點(diǎn)。如果能夠在結(jié)構(gòu)上仍然用軟體材料在氣壓作用下實(shí)現(xiàn)“動(dòng)作柔順驅(qū)動(dòng)”，而在承力和力的傳遞上采用剛性結(jié)構(gòu)，那么就可以保持柔順性的優(yōu)點(diǎn)，克服抓持力小的缺點(diǎn)。因此，考慮在結(jié)構(gòu)上把驅(qū)動(dòng)和承力的功能從1個(gè)部件承受分解開，由2個(gè)部件來分別承受，這是基本設(shè)計(jì)思路。

1.2 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用驅(qū)動(dòng)和承力功能分解的設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)該確定承力部件的結(jié)構(gòu)形式以及其與驅(qū)動(dòng)部件的機(jī)械結(jié)合方式，即結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方案。聯(lián)想到人手的結(jié)構(gòu)，除大拇指外的其余手指各有3根骨指，由近及遠(yuǎn)為近節(jié)指骨、中節(jié)指骨和遠(yuǎn)節(jié)指骨，指骨間以活動(dòng)關(guān)節(jié)形式連接，通過肌肉驅(qū)動(dòng)完成動(dòng)作。因此，如果參照人手結(jié)構(gòu)，將承力部件嵌入柔性驅(qū)動(dòng)部件，即手指肌肉內(nèi)部，充當(dāng)人手骨骼的功能，這樣就能如人手一般，由柔軟的肌肉驅(qū)動(dòng)并接觸抓取物體，內(nèi)部的剛體部件像骨骼一樣，傳遞和承受抓取時(shí)產(chǎn)生的力。相較于傳統(tǒng)的純軟體手爪驅(qū)動(dòng)與承力都由軟體材料本身承擔(dān)，設(shè)計(jì)內(nèi)骨骼的結(jié)構(gòu)可以承受與傳遞大部分抓取過程中產(chǎn)生的力，提高手爪抓取能力。

綜合分析，提出了一種關(guān)節(jié)式內(nèi)骨骼的結(jié)構(gòu)。軟體手爪的外部采用硅橡膠等軟體材料充當(dāng)手指的肌肉部分，作為驅(qū)動(dòng)單元，通過氣壓實(shí)現(xiàn)軟體材料的變形柔順驅(qū)動(dòng)；同時(shí)，在軟體材料內(nèi)腔預(yù)先嵌入串聯(lián)的多節(jié)剛性鉸鏈，起到手指內(nèi)骨骼的作用，鉸鏈骨骼能夠約束氣動(dòng)肌肉的變形方向并顯著提高其抓取力。

軟體手指的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先確定了手指的輪廓外形。軟體手指的外形仿照章魚等軟體生物的觸手形式，由指尖以一定角度向末端尺寸漸變增大，呈現(xiàn)順滑的錐形結(jié)構(gòu)。內(nèi)骨骼的也相應(yīng)地遵循手指的外形輪廓，結(jié)構(gòu)尺寸從指處出往后遞增，并限制了手指整體形狀。當(dāng)軟體手抓取物體時(shí)，一般手指前端與目標(biāo)物體的接觸較多，較小的截面尺寸使得軟體手指更易彎曲，動(dòng)作更加靈活。

手指由多個(gè)指關(guān)節(jié)串聯(lián)鏈接而成，每個(gè)指關(guān)節(jié)相同的結(jié)構(gòu)與工作原理。單個(gè)指關(guān)節(jié)由3部分構(gòu)成：

(1) 由鉸鏈串聯(lián)鏈接的剛性內(nèi)骨骼；

圖1 軟體手指整體結(jié)構(gòu)圖

(2) 軟體硅膠驅(qū)動(dòng)層；

(3) 均勻嵌入軟體硅膠驅(qū)動(dòng)層中的纖維加強(qiáng)層。

指關(guān)節(jié)氣腔充氣后，氣壓力作用在內(nèi)骨骼的剛性端面上，使關(guān)節(jié)產(chǎn)生沿軸向的伸展變形，由于關(guān)節(jié)底部鉸接的結(jié)構(gòu)，使內(nèi)骨骼在底部變形只能產(chǎn)生繞鉸接點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)；而關(guān)節(jié)上部沒有軸向剛性約束僅有硅膠的柔性約束，所以可以產(chǎn)生一定程度的軸向伸展，形成了關(guān)節(jié)的彎曲，而纖維加強(qiáng)層的作用是約束硅膠的徑向膨脹變形，使充氣量能高效地實(shí)現(xiàn)硅膠層的軸向伸展。

為了獲得更多的形狀控制可能性，完成更多的動(dòng)作以抓取不同形狀、尺寸的目標(biāo)物體，整個(gè)軟體手指分為相對獨(dú)立的3指段，每個(gè)指段由5個(gè)相互連通的指關(guān)節(jié)組成，指關(guān)節(jié)間相互以鉸鏈形式串聯(lián)鏈接，在外力作用下可以旋轉(zhuǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)的骨骼結(jié)構(gòu)，其旋轉(zhuǎn)角度為-45°～180°。每個(gè)指段的彎曲變形為各個(gè)指關(guān)節(jié)的作用之和，軟體手指彎曲變形如圖2所示。

圖2 手指彎曲變形示意圖

1.3 柔性彎曲傳感器的集成

本研究所設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)式內(nèi)骨骼氣動(dòng)軟體機(jī)械手具有位置傳感功能。在軟體手指中植入了柔性彎曲傳感器。傳感器采用了Flex Sensor。根據(jù)手指的結(jié)構(gòu)尺寸，選擇了flex2.2″型號(hào)，如圖3所示。傳感器以一定的安裝方式嵌入手指底部的硅膠層中，可以隨手指一起彎曲動(dòng)作。每個(gè)指段下方各集成了1片柔性彎曲傳感器，可以有效的完成對各指段彎曲角度的信號(hào)采集，

圖3 Flex Sensor柔性彎曲傳感器

為之后的軟體手控制打下基礎(chǔ)。

1.4 三指軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)

在完成了軟體機(jī)械手的核心部件，即軟體手指的結(jié)構(gòu)方案后，應(yīng)基于軟體手指進(jìn)一步完成整個(gè)軟體手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軟體手采用常用的三指結(jié)構(gòu)，控制簡單靈活，可以對目標(biāo)物體完成可靠的抓取。軟體機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由3根軟體手指與中央連接手掌構(gòu)成。手掌采用剛性材料，保持足夠剛度的同時(shí)較為輕便。手掌為3D打印一體成型，具有流線型的外表與完備的內(nèi)部流道，方便手指氣管以及傳感器信號(hào)線的布置連接，隱藏式布線設(shè)計(jì)使得走線有序整潔，軟體手美觀、一體化。手掌根部設(shè)計(jì)有法蘭安裝孔，方便軟體手與操作臺(tái)或者操作機(jī)械臂連接使用。

圖4 3指軟體機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)圖

3根軟體手指沿中央連接手掌周向均布，其具體安裝尺寸如圖5所示。手指間周向間隔為120°。手指的軸線與手掌軸心線的夾角設(shè)為35°，為軟體手的初始張開角度。連接手掌整體呈圓柱狀，其頂部截面直徑為120 mm。

2 軟體手自主抓取策略

2.1 抓取原理與假設(shè)條件

機(jī)械手的抓取主要分為指尖抓取與包絡(luò)抓取。其中指尖抓取是指軟體機(jī)械手手指指尖接觸被抓取物體表面，把物體夾住，物體依靠手指指端實(shí)現(xiàn)對物體的穩(wěn)定抓持，為點(diǎn)接觸形式。指尖抓取方式靈活度較大，有較好的抓取精度，涉及位置和力兩個(gè)方面的規(guī)劃問題，能夠?qū)崿F(xiàn)對物體靈活可靠的操作，但抓取力較小，且控制較難，運(yùn)算復(fù)雜。當(dāng)軟體機(jī)械手執(zhí)行包絡(luò)抓取時(shí)，所有手指和手掌均可參與對物體的抓取。此種抓取具有較好的穩(wěn)定性和魯棒性，缺點(diǎn)是靈活性較小，但是具有較好的抓持穩(wěn)定性，并且能夠提供較大的抓取力。由于軟體手具有優(yōu)異的柔順性，與目標(biāo)物體耦合面積大，適應(yīng)物體形狀的特性，因而適合采用包絡(luò)抓取理論來分析。

圖5 手指與手掌安裝尺寸圖(mm)

包絡(luò)抓取控制策略的目的是使手指能夠以較快的速度接近物體，且以合適的力來抓取物體，如果用力太大，會(huì)使易碎物品損壞，太小則會(huì)夾不住物體或者物體在抓取過程中滑落。要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，只有從一個(gè)較小的力開始，逐漸增大，直到物體與手指間沒有相對滑動(dòng)為止，這時(shí)應(yīng)該是最小的抓取力。

軟體手由于本身的高柔順性，因自身或是外力作用而產(chǎn)生彈性變形，與目標(biāo)物體的接觸形式為軟接觸，耦合面形式復(fù)雜多樣。由于接觸類型一般為面接觸，無法如指尖抓持一樣確定接觸點(diǎn)位置而進(jìn)行精確建模。因此，包絡(luò)抓取時(shí)，本研究不考慮力的規(guī)劃，從手指實(shí)時(shí)位置的角度進(jìn)行探討，并進(jìn)行了如下假設(shè)條件。

(1) 軟體手位于被抓取目標(biāo)物體正上方，即距離目標(biāo)物體幾何中心距離，已經(jīng)處于最佳抓取姿態(tài)；

(2) 為了較少控制量，軟體手采用三手指對稱抓取方式，即軟體手3根不同手指相同位置處的指段保持相同輸入壓力，即接入同一氣路；

(3) 信號(hào)處理的速度足夠快，能夠滿足控制算法判定需求。

2.2 基于實(shí)時(shí)位置檢測的壓力補(bǔ)償包絡(luò)抓取算法

包絡(luò)抓取模式下，軟體機(jī)械手需要對具體參數(shù)未知的目標(biāo)物體進(jìn)行自主抓取，進(jìn)行力封閉規(guī)劃是不可行的。因而需要一種簡單、快捷、可靠的抓取方案來進(jìn)行抓取操作，本研究考慮從間接檢測的角度來進(jìn)行控制，并通過相關(guān)規(guī)則來判定抓取的可靠性。

假設(shè)在一次抓取試驗(yàn)中，軟體機(jī)械手從初始狀態(tài)開始動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)至接觸目標(biāo)物體，并繼續(xù)加壓抓緊物體到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，然后在三自由度直角工作臺(tái)中由初始工位搬運(yùn)被抓取物體至目標(biāo)工位。在整個(gè)抓取試驗(yàn)過程中，手指各指段的彎曲角度從初始值開始變化至完成抓取操作到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，如果抓取過程發(fā)生擾動(dòng)，或者抓取失敗，則手指也會(huì)脫離穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生偏移，相應(yīng)的各指段彎曲角度值也會(huì)發(fā)生改變。因此，考慮從機(jī)械手開始動(dòng)作起，實(shí)時(shí)監(jiān)測手指各指段位置，即實(shí)時(shí)采集彎曲角度信號(hào)，通過控制算法判定機(jī)械手的當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)需要對手指指段腔室內(nèi)的氣壓力進(jìn)行補(bǔ)償，完成軟體手整個(gè)“運(yùn)動(dòng)—抓取—搬運(yùn)”操作流程?；趯?shí)時(shí)位置檢測的壓力補(bǔ)償包絡(luò)抓取算法流程如下所述。

Step1：軟體手處于最佳抓取位置，手指各指段開始輸入氣壓，3根手指相同位置的指段由同一路流道供氣，軟體手三手指對稱抓?。?/p>

Step2：以采樣頻率f實(shí)時(shí)采集手指各指段彎曲傳感器信號(hào)，選定1個(gè)判定時(shí)長tc，則在1個(gè)判定時(shí)長控制器共采集tc*f個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。從剛輸入氣壓，手指開始運(yùn)動(dòng)的0時(shí)刻起，對每個(gè)采集數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行判定。判定規(guī)則為計(jì)算第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所對應(yīng)的角度值與第(i+tc*f)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所對應(yīng)的角度值之差θm，并與設(shè)定角度差值θd1以及θd2比較，其中θd1>θd2。

若θm滿足：

θm>θd1且θm>θd2

(1)

則這個(gè)過程為手指彎曲動(dòng)作過程，角度變換速率大于設(shè)定值，且手指處于正角速度狀態(tài)，即彎曲角度增大。系統(tǒng)判定手指處于前期運(yùn)動(dòng)接近目標(biāo)物體階段。θd1與θd2的值由大量試驗(yàn)設(shè)定，θd1由手指一般運(yùn)動(dòng)角速度確定，θd2由彎曲傳感器測量精度確定；

Step3：保持手指各指段充氣狀態(tài)，繼續(xù)計(jì)算θm，并與θd1以及θd2比較。

若θm滿足：

θm<θd1且θm>θd2

(2)

則判定手指剛開始與目標(biāo)物體發(fā)生接觸，是軟體手的抓取接觸過程；

Step4：繼續(xù)充氣，同時(shí)計(jì)算θm與|θm|。

若|θm|滿足：

|θm|<θd2

(3)

則判定手指已經(jīng)完全接觸了目標(biāo)物體。定義此時(shí)手指腔室內(nèi)氣壓為pf，繼續(xù)向手指輸入設(shè)定好的初始預(yù)加載氣壓力pd，通過氣壓傳感器反饋控制。初始預(yù)加載氣壓值需要預(yù)先估算，主要由目標(biāo)物體的重量決定。完成預(yù)加載氣壓輸入后，手指腔室內(nèi)氣壓為：

p=pf+pd

(4)

Step5：關(guān)閉高速開關(guān)閥，暫停氣壓輸入，控制三自由度直角工作臺(tái)豎直方向動(dòng)作，通過調(diào)節(jié)控制工作臺(tái)氣缸輸入流量，給軟體手一個(gè)極小的向上運(yùn)行趨勢；

Step6：在td時(shí)長內(nèi)，繼續(xù)計(jì)算θm與|θm|，td為抓取穩(wěn)定判定時(shí)間，預(yù)設(shè)為2 s。共有3種狀況進(jìn)行分析。

(1) 若 |θm|始終小于θd2，則判定抓取穩(wěn)定，提高軟體手向上運(yùn)動(dòng)速度，搬運(yùn)目標(biāo)物體。期間繼續(xù)保持位置實(shí)時(shí)監(jiān)測，判定抓取是否穩(wěn)定或者受到干擾；

(2) 若檢測到|θm|大于θd2，且θm小于0，則判定手指有了脫離目標(biāo)物體回復(fù)運(yùn)動(dòng)的趨勢，立即恢復(fù)充氣，由氣壓傳感器反饋控制輸入一個(gè)迭代氣壓值pm進(jìn)行補(bǔ)償，pm的值預(yù)設(shè)為5 kPa。此時(shí)手指腔室內(nèi)的氣壓：

p=pf+pd+pm

(5)

并跳轉(zhuǎn)至Step6繼續(xù)進(jìn)行判定，若|θm|還是大于θd2，繼續(xù)輸入一個(gè)迭代氣壓值pm，循環(huán)此步驟。則抓取穩(wěn)定時(shí)手指腔室氣壓為：

p=pf+pd+n×pm

(6)

其中，n為氣壓的迭代補(bǔ)償次數(shù)。

(3) 若檢測到θm有一個(gè)巨大的變化值，則判定手指完全脫離了目標(biāo)物體，該次抓取失敗，則跳轉(zhuǎn)Step1進(jìn)行重抓取，重抓取過程中預(yù)加載氣壓值設(shè)定為初始預(yù)加載氣壓值pd加上(n+2)個(gè)迭代氣壓值，即：

pd2=pd+(n+2)×pm

(7)

以上就是軟體手基于實(shí)時(shí)位置檢測的壓力補(bǔ)償包絡(luò)抓取算法流程，其中的各項(xiàng)設(shè)定值可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改，以獲得更好的抓取效果。

2.3 手指初始預(yù)加載氣壓估算

在軟體手基于位置檢測的壓力補(bǔ)償包絡(luò)抓取算法中，初始預(yù)加載氣壓值是一個(gè)很重要的設(shè)定參數(shù)，是手指剛接觸到目標(biāo)物體后，對物體施加的預(yù)抓取力，在此基礎(chǔ)上通過算法判定決定是否進(jìn)行壓力補(bǔ)償。如果預(yù)加載氣壓值設(shè)定過小，抓取較重物體則會(huì)增加迭代次數(shù)，增加運(yùn)算量與運(yùn)算時(shí)間，且可能導(dǎo)致進(jìn)行多次重抓取。如果預(yù)加載氣壓值設(shè)定過大，則有可能會(huì)損壞易碎易損目標(biāo)物體，且不是最小抓取力。因此，為了簡化控制過程，減少計(jì)算時(shí)間，提高抓取效率與抓取成功率，需要對目標(biāo)物體參數(shù)進(jìn)行一定的評估。

根據(jù)一般的抓取經(jīng)驗(yàn)，對一個(gè)任意形狀物體的特征屬性進(jìn)行模糊評判，將物體本身的特征用3個(gè)屬性來描述：形狀、體積和重量。物體的形狀可以分為細(xì)長、中等和扁平。物體體積則是與軟體手操作空間相比較，分為三類：較大、中等和較小。同樣將物體的重量和軟體手的最大抓取重量相比較，得到重量的5個(gè)分類：很重、較大、中等、較小和很小。

這里主要需要考慮的是目標(biāo)物體的重量。根據(jù)物體材質(zhì)和大概尺寸，估算物體大概重量。將估算質(zhì)量代入物體重量的5個(gè)分類中。每個(gè)重量分類對應(yīng)一個(gè)初始預(yù)加載氣壓值。根據(jù)大量的試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定了手指各指段的預(yù)初始預(yù)加載氣壓值，如表1所示。

表1 手指各指段初始預(yù)加載氣壓值 kPa

對于估算好大概重量的目標(biāo)物體，根據(jù)設(shè)定好的手指各指段初始預(yù)加載壓力值，進(jìn)行包絡(luò)抓取試驗(yàn)。

3 手爪試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

3.1 抓取控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

對內(nèi)骨骼軟體手進(jìn)行抓取試驗(yàn)，驗(yàn)證抓取算法的可行性以及抓取性能。通過硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)及控制算法的協(xié)調(diào)配合，即可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的抓取操作。搭建了軟體機(jī)械手抓取氣動(dòng)回路、硬件回路以及軟件控制平臺(tái)，如圖6所示，并采用設(shè)計(jì)的算法完成了軟體機(jī)械手的抓取控制。

圖6 軟體手抓取控制平臺(tái)原理圖

氣控回路中空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣經(jīng)過油霧分離器及減壓閥處理后進(jìn)入電磁閥組。二位三通電磁閥組控制手指腔室的充放氣狀態(tài)，高速開關(guān)閥組通過控制氣體輸出流量驅(qū)動(dòng)手各指段。工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的主機(jī)，通過PCI總線數(shù)據(jù)采集控制板卡控制光耦隔離電路輸出，進(jìn)而控制電磁換向閥組的方向切換以及高速開關(guān)閥組的PWM波占空比，從而控制軟體手運(yùn)動(dòng)。手指指段彎曲角度通過嵌入的柔性彎曲傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測反饋；手指各指段腔室內(nèi)氣壓由壓力傳感器采集。軟體手的所有傳感信息經(jīng)過數(shù)據(jù)采集控制板卡輸送進(jìn)工控主機(jī)控制系統(tǒng)，完成閉環(huán)控制。

軟體手抓取控制系統(tǒng)在Simulink/RTW環(huán)境下搭建。抓取時(shí)，首先根據(jù)目標(biāo)物體的大致重量以及尺寸估算，給定手指接觸目標(biāo)位置后的初始輸出壓力迭加值，進(jìn)行抓取并實(shí)時(shí)檢測手指位置狀態(tài)，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整手指各指段壓力值，進(jìn)行包絡(luò)抓取。

3.2 抓取試驗(yàn)結(jié)果與分析

對研制的軟體機(jī)械手進(jìn)行了包絡(luò)抓取試驗(yàn)。選取了9種日常生活中常見的物品作為抓取對象，其尺寸、質(zhì)量、材質(zhì)等參數(shù)如表2所示，并依次標(biāo)注了序號(hào)。

表2 抓取試驗(yàn)物體參數(shù)

采用設(shè)計(jì)的控制算法對這9種目標(biāo)物體進(jìn)行了自主抓取，抓取試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 軟體手包絡(luò)抓取試驗(yàn)結(jié)果

待抓取成功且穩(wěn)定后， 記錄了手指各指段腔室內(nèi)

表3 包絡(luò)抓取不同目標(biāo)物體指段內(nèi)氣壓值 kPa

的氣壓值，如表3所示。

同時(shí)，對這9中物品進(jìn)行了多次重復(fù)性抓取試驗(yàn)，測試本研究設(shè)計(jì)的自主抓取算法的成功率。每樣物品進(jìn)行了30次抓取試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。分析可以發(fā)現(xiàn)，對于具有一定弧度的物品，手爪的抓取成功率很高，接近100%。手爪可以較好地適應(yīng)物體的表面形狀，有助于抓取成功。而對于柱形或方形物品，手爪的接觸位置如果沒有選取好，則會(huì)降低一定的成功率，容易產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致抓取失敗。另外對于較重的物品，其抓取成功率較較小質(zhì)量的物品略低。從整體看，手爪自主包絡(luò)抓取成功率在90%以上。

表4 軟體手自主包絡(luò)抓取成功率

試驗(yàn)結(jié)果表明：內(nèi)骨骼軟體手能夠在較大范圍內(nèi)可靠夾持各種不同形狀、不同重量的物體，且能適應(yīng)金屬、塑料等不同材質(zhì)的目標(biāo)物體，能安全可靠夾持水果等食品以及玻璃等易碎物品，保護(hù)物體表面、避免劃痕和損傷。抓取整體成功率在90%以上，因此，研制的關(guān)節(jié)式內(nèi)骨骼氣動(dòng)軟體手可應(yīng)用于混流柔性生產(chǎn)中。

3.3 手爪驅(qū)動(dòng)力與承力測試

為了體現(xiàn)新型內(nèi)骨骼軟體手在承力方面的性能優(yōu)劣，與純軟體手進(jìn)行了對比試驗(yàn)。為此設(shè)計(jì)了一款相同規(guī)格的純軟體手。其具有相同的結(jié)構(gòu)尺寸，包括手指長度、周向尺寸等。該軟體手指只有1個(gè)腔室，由氣壓整體驅(qū)動(dòng)。對其氣壓驅(qū)動(dòng)下的承力進(jìn)行了測量。這里定義手爪承力即為可以抓取的最大物品重量，并與本研究提出的內(nèi)骨骼軟體手進(jìn)行了對比分析，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 手爪驅(qū)動(dòng)與承力對比

從表中可以看出，在最大驅(qū)動(dòng)氣壓150 kPa時(shí)，純軟體手的最大承力約為10 N，而內(nèi)骨骼軟體手最大承力為35 N。這主要是由于新型軟體手的內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)，手指與被抓取物間的接觸力通過內(nèi)骨骼傳遞到末端手掌基座，而不是直接由軟體手指本身來承擔(dān)，因此內(nèi)骨骼軟體手的承力功能較純軟體手顯著增大了。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)混流柔性生產(chǎn)對機(jī)械手提出的性能要求，提出了一種新型的驅(qū)動(dòng)與承力功能分解的關(guān)節(jié)式內(nèi)骨骼氣動(dòng)軟體機(jī)械手。軟體手指外部采用周向均勻纏繞纖維的軟體硅橡膠作為手指肌肉，通過氣壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生軸向拉伸而實(shí)現(xiàn)柔順的彎曲變形動(dòng)作；手指內(nèi)部植入通過鉸鏈鏈接的剛性單元充當(dāng)手指的內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)。這種新結(jié)構(gòu)剛?cè)岵?jì)，避免了軟體肌肉既承擔(dān)驅(qū)動(dòng)功能又承擔(dān)承力功能的固有缺陷，在保持軟體手柔順性的同時(shí)顯著提高了抓持能力。

(2) 為了對軟體手進(jìn)行有效的控制，研究了軟體機(jī)械手的抓取策略。分析了兩種抓取方式，其中對于包絡(luò)抓取模式，提出了一種基于實(shí)時(shí)位置檢測的壓力補(bǔ)償算法，并通過估算手指各指段的初始預(yù)加載氣壓值，提高了抓取成功率與抓取效率。并對軟體手進(jìn)行了實(shí)物抓取試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，軟體手可以對柔軟、不規(guī)則、易損易碎物體進(jìn)行安全可靠抓取，驗(yàn)證了抓取控制算法的有效性。此外，進(jìn)行了手爪的驅(qū)動(dòng)力與承力測試，結(jié)果顯示內(nèi)骨骼軟體手的承力較純軟體手有了顯著提高，驗(yàn)證了內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

研究結(jié)果表明，本研究提出的新型關(guān)節(jié)式內(nèi)骨骼氣動(dòng)軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)與自主抓取策略是成功的，可應(yīng)用于混流柔性生產(chǎn)中，具有工程應(yīng)用價(jià)值。