氣撐式軟體末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與分析

張遠(yuǎn)飛，劉 勝，霍前俊，徐青瑜，張耀耀，李 旭

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，上海 201620)

引言

機(jī)械臂末端執(zhí)行器是自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的重要組成部分。傳統(tǒng)的末端執(zhí)行器多為剛性的機(jī)械抓手，其與被抓物體之間為多點(diǎn)的剛性抓取，但是這種剛性機(jī)械抓手不適合抓取易碎且形狀不規(guī)則的物體?；谲涹w機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者們開(kāi)始關(guān)注軟體抓手。軟體驅(qū)動(dòng)器是軟體抓手的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)形態(tài)多種多樣，如仿生象鼻、仿生海星、仿生章魚(yú)軟體末端執(zhí)行器等[1-2]。軟體驅(qū)動(dòng)器多為柔性材料制成，如硅膠材料、形狀記憶合金和電活性聚合物等[3-4]，且軟體驅(qū)動(dòng)器通常采用流體(如氣體、液體等)、電信號(hào)、溫度等作為驅(qū)動(dòng)方式[5-7]?？諝饩哂星鍧崯o(wú)污染且廉價(jià)易得的特點(diǎn)，因此氣壓驅(qū)動(dòng)的方式得到了更為廣泛的應(yīng)用。魏樹(shù)軍等[8]設(shè)計(jì)并制作了一種纖維增強(qiáng)型氣動(dòng)軟體抓手，能夠抓起各種形狀不規(guī)則的物體，但是其末端夾持力較小。曹毅等[9]設(shè)計(jì)了一種封閉式仿蛇形螺旋纏繞氣動(dòng)軟體夾持器，這種軟體夾持器提高了夾持力，但是其抓取的范圍較小。HAO Yufei等[10]設(shè)計(jì)了一種基于多腔型軟體驅(qū)動(dòng)器的多指型軟體抓手，并研究了軟體驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度等對(duì)其性能的影響。ILIEVSKI等[11]仿海星設(shè)計(jì)了一種采用對(duì)稱(chēng)式海星結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)軟體夾持器，可以實(shí)現(xiàn)包絡(luò)式地夾持物體。BROWN E等[12]通過(guò)在軟體驅(qū)動(dòng)器腔室內(nèi)部填充顆粒物設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)剛度可變的軟體夾持器，能夠很好的自適應(yīng)被抓物體的形狀。GALLOWAY等[13]基于多腔室型和纖維增強(qiáng)型軟體驅(qū)動(dòng)器制作了兩種水下抓取的軟體夾持器，能夠很好的抓取水下生物。

綜上，現(xiàn)有的軟體末端執(zhí)行器多為多腔型或纖維增強(qiáng)型軟體驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的多指型結(jié)構(gòu)，其軟體末端執(zhí)行器末端夾持力較小，且隨著單個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器中充入氣壓的不一致可能產(chǎn)生抓取的不平穩(wěn)性，不適用于夾持裝有液體的容器，且這種多指型軟體末端執(zhí)行器都是從物體的外部進(jìn)行抓取，難以適應(yīng)外形輪廓變化較大物體的抓取。

基于此，提出了一種氣撐式氣動(dòng)軟體末端執(zhí)行器，通過(guò)充氣膨脹的方式從容器內(nèi)部抓取不同口徑的容器。首先設(shè)計(jì)了氣撐式軟體末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，其次建立了其直徑變化和驅(qū)動(dòng)氣壓之間的理論模型，接著通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，最后通過(guò)將理論模型結(jié)果、有限元仿真結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果三者進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論模型的正確性。

圖1 軟體驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)圖

1 軟體末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟體末端執(zhí)行器包括連接部分和軟體驅(qū)動(dòng)器部分，軟體驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，所設(shè)計(jì)的軟體驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為簡(jiǎn)化有限元分析模型，省略了軟體驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的氣管通道。軟體驅(qū)動(dòng)器的外形為圓柱狀，內(nèi)部為圓柱狀氣囊，氣腔的上下兩側(cè)壁厚度較大，形成應(yīng)變限制層，氣腔的周側(cè)厚度較小，該結(jié)構(gòu)有利于膨脹變形。因此，當(dāng)通入氣壓時(shí)，氣腔的周側(cè)會(huì)優(yōu)先膨脹，氣腔的上下兩側(cè)由于厚度較大受到膨脹限制，從而使氣囊完成徑向膨脹，軟體驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

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

如圖2所示為連接部分的結(jié)構(gòu)圖，該部分主要用于連接軟體驅(qū)動(dòng)器與末端固定平臺(tái)，在連接裝置內(nèi)部側(cè)壁上設(shè)計(jì)有螺旋槽，且其上部有防止軟體驅(qū)動(dòng)器受力脫落的倒錐形設(shè)計(jì)，在倒錐形上均布6個(gè)扇形槽，這樣的設(shè)計(jì)有利于在將軟體驅(qū)動(dòng)器與連接裝置連接時(shí)硅膠能夠充分填充在縫隙之間，增大軟體驅(qū)動(dòng)器與連接裝置之間的接觸力。

圖2 軟體執(zhí)行器連接部分結(jié)構(gòu)圖

2 軟體驅(qū)動(dòng)器理論模型

2.1 硅膠材料本構(gòu)模型

硅膠材料是一種超彈性材料，其材料特性和幾何性能在外力作用下呈非線性。目前有40余種超彈性材料的本構(gòu)模型[14-16]。這些超彈性材料本構(gòu)模型可以分為兩類(lèi)[17]，一類(lèi)是如TRELOAR[18]、ARRUDA等[19]基于分子網(wǎng)絡(luò)的熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)理論的本構(gòu)模型；另一類(lèi)是如RIVLIN等[20]、YEOH等[21]基于現(xiàn)象學(xué)的唯象理論的本構(gòu)模型。其中，YEOH模型適用于比較大變形的分析且其形式比較簡(jiǎn)單[22-23]。因此，選用YEOH模型來(lái)構(gòu)建硅膠材料的應(yīng)變應(yīng)力之間的非線性關(guān)系，其經(jīng)典的二階應(yīng)變能密度函數(shù)可以表示為[24]:

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

(1)

式中,C10，C20為材料常數(shù)，可以通過(guò)單軸拉伸測(cè)得；I1為變形張量不變量。

(2)

式中，λ1，λ2，λ3分別是氣囊的長(zhǎng)、寬、高(X，Y，Z)方向的主拉伸比。

(3)

2.2 軟體驅(qū)動(dòng)器數(shù)學(xué)模型

軟體驅(qū)動(dòng)器上側(cè)和下側(cè)為應(yīng)變限制層，其厚度較大，故模型可以簡(jiǎn)化為如圖3所示。

圖3 軟體驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化模型圖

軟體驅(qū)動(dòng)器上下層的厚度較大，假設(shè)上下層硅膠材料無(wú)形變，故變形后的模型可以等效為圓形，且設(shè)變形后的圓心角為θ。

未變形前的硅膠材料體積為：

(4)

未變形前的氣腔體積為：

(5)

變形后的氣腔體積為：

(6)

假設(shè)不考慮軟體驅(qū)動(dòng)器自身的重力且無(wú)其他外力作用，由虛功原理可知，驅(qū)動(dòng)器氣壓p所做的功全部轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)器變形后儲(chǔ)存在硅膠材料中的彈性勢(shì)能，則有：

(7)

將式(7)兩端對(duì)θ求導(dǎo)，得到驅(qū)動(dòng)氣壓p與氣囊彎曲角度θ之間的理論關(guān)系式：

(8)

設(shè)氣腔膨脹后的徑向長(zhǎng)度為L(zhǎng)，由變形后的幾何關(guān)系可以得到L=2(R+r1)，則可得到變形后氣腔徑向長(zhǎng)度L和氣囊彎曲角度θ之間的關(guān)系為：

(9)

由式(8)、式 (9)可知當(dāng)確定所需變形后氣腔徑向長(zhǎng)度L后便可以確定所需驅(qū)動(dòng)氣壓p的大小。

3 有限元仿真分析

以0.01 MPa氣壓為梯度分別向氣腔內(nèi)通入氣壓，使用ABAQUS有限元進(jìn)行分析，如圖4為有限元仿真分析位移云圖。

由圖4可以看出，氣腔膨脹變形后徑向變形接近對(duì)稱(chēng)，變形后類(lèi)似一個(gè)球體。通入不同氣壓變形后的氣腔徑向最大長(zhǎng)度L如表2所示。當(dāng)氣壓達(dá)到0.05 MPa 時(shí)，氣腔膨脹后的最大徑向長(zhǎng)度約為40 mm，具有較好的變形效果。

4 末端執(zhí)行器制作

軟體末端執(zhí)行器的軟體部分通過(guò)3D打印模具，硅膠澆注成型得到，連接部分直接通過(guò)3D打印得到。其中，軟體驅(qū)動(dòng)器和其連接部分通過(guò)硅膠澆注連接。使用Creo三維制圖軟件繪制模具模型，如圖5所示，軟體驅(qū)動(dòng)器的模具分為上下兩個(gè)部分。

圖4 有限元分析位移云圖

表2 軟體驅(qū)動(dòng)器膨脹后參數(shù)

圖5 軟體驅(qū)動(dòng)器模具圖

所設(shè)計(jì)的模具由上部分和下部分組成，其中上部分模具主要由頂層、底層和中間層組成。如圖6所示為打印的模具實(shí)體。

將圖6中底層和中間層裝配好后，再把硬度為Shore A=35±5的半透明硅膠液體與固化劑按照100 ∶(2.5±1)的比例混合后注入其中，然后將頂層裝配到中間層上，靜止3～5 h固化后取出上部分軟體驅(qū)動(dòng)器實(shí)體。在下部分模具中注入混合好后的硅膠液體，將固化后得到的上部分軟體驅(qū)動(dòng)器實(shí)體的開(kāi)口端置于下部分模具中，靜止3～5 h后固化。如圖7所示為澆注完成后的軟體驅(qū)動(dòng)器實(shí)體。

圖6 軟體驅(qū)動(dòng)器模具實(shí)體圖

將得到的軟體驅(qū)動(dòng)器置于連接裝置中，向其中澆注混合好的硅膠液體，靜止3～5 h固化得到軟體末端執(zhí)行器，如圖8所示。最后將得到的圖8所示的軟體末端執(zhí)行器與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相連。

圖7 軟體驅(qū)動(dòng)器實(shí)體圖

圖8 軟體末端執(zhí)行器圖

5 軟體末端執(zhí)行器的實(shí)驗(yàn)研究

5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括支座、電源、氣泵 、PU氣管、氣壓表、電磁閥、調(diào)速器、卷尺等，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。

圖9 軟體末端執(zhí)行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

其中，支座用于支撐軟體末端執(zhí)行器，電磁閥用于調(diào)節(jié)控制輸入氣壓，卷尺用于測(cè)量不同氣壓下軟體末端執(zhí)行器膨脹后的直徑。

5.2 膨脹變形實(shí)驗(yàn)

以0.01 MPa氣壓為梯度，從0 MPa開(kāi)始依次向軟體末端執(zhí)行器中通入氣壓，待氣壓穩(wěn)定以后使用卷尺測(cè)量軟體驅(qū)動(dòng)器膨脹變形后的直徑，多次測(cè)量后取平均值。通入不同氣壓變形后的氣腔徑向最大長(zhǎng)度Lmax如表3所示。

表3 軟體驅(qū)動(dòng)器膨脹后參數(shù)

將理論模型、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合對(duì)比分析，如圖10為三者擬合曲線圖?？梢钥闯?，理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的軌跡之間的誤差較小，理論模型與有限元仿真的軌跡之間的誤差較大。造成誤差的原因可能是在仿真時(shí)硅膠材料參數(shù)設(shè)定有一些誤差，且驅(qū)動(dòng)器實(shí)體在制作的過(guò)程中可能與設(shè)計(jì)參數(shù)存在著一定的誤差，但是總體上三者的軌跡趨勢(shì)是一致的，因此通過(guò)將理論曲線、仿真曲線、實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線三者進(jìn)行擬合對(duì)比，可以驗(yàn)證所提出的理論模型的正確性。

圖10 擬合曲線圖

5.3 抓取實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試所設(shè)計(jì)的氣撐式軟體末端執(zhí)行器的抓取不同口徑容器的能力，進(jìn)行了抓取測(cè)試。如圖11所示為抓取不同口徑容器的抓取圖。

如圖11所示，所設(shè)計(jì)的氣撐式軟體末端執(zhí)行器不僅能夠有效地抓取口徑不同的容器，也能夠有效地抓取方形開(kāi)口的包裝盒和矩形槽耳麥。因此，所設(shè)計(jì)的執(zhí)行器能夠適應(yīng)各種開(kāi)口物體的抓取，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖11 實(shí)物抓取圖

6 結(jié)論

(1) 建立了氣撐式軟體驅(qū)動(dòng)器的膨脹理論模型，并制作了軟體驅(qū)動(dòng)器實(shí)體；通過(guò)將理論模型曲線、仿真曲線、實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了所提出來(lái)的理論模型的正確性；

(2) 進(jìn)行了不同口徑容器的抓取，抓取結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的氣撐式軟體末端執(zhí)行器能夠很好的抓取不同口徑的容器，能夠做到無(wú)損外表面的抓取，且可以適應(yīng)各種不同形式開(kāi)口物體的抓取，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為工業(yè)抓取提供了一種新的方式和思路。