繩驅(qū)動(dòng)仿生軟體機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與彎曲特性仿真①

楊 程, 韓迎鴿, 呂會(huì)梅

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南232001;2.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南232001)

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)在日常生產(chǎn)生活中的應(yīng)用愈發(fā)普遍。但是傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人由于結(jié)構(gòu)特性的原因[1],無法適應(yīng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境,不能夠勝任一些特殊領(lǐng)域的工作要求,因此,軟體機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生[2]。軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感主要是受到軟體動(dòng)物或動(dòng)物的軟體器官的啟發(fā),例如:大象鼻子、章魚觸手、蛇的軀干等[3];這類軟體仿生機(jī)械臂和傳統(tǒng)的剛性機(jī)械臂相比,軟體機(jī)械臂能更好的適應(yīng)特殊的工作環(huán)境,質(zhì)量輕便,具有更高的安全性并能在特定環(huán)境中完成一系列的抓持與探測(cè)任務(wù)[4,5]。軟體機(jī)器人技術(shù)經(jīng)過快速的發(fā)展,已經(jīng)有了多種不同的驅(qū)動(dòng)方式,如:流體驅(qū)動(dòng),線繩驅(qū)動(dòng),化學(xué)材料驅(qū)動(dòng)等[6]。在前人研究的基礎(chǔ)上,給出了一種基于繩驅(qū)動(dòng)的波浪狀軟體仿生機(jī)械臂,該機(jī)械臂的潛在應(yīng)用場(chǎng)景是精密儀器生產(chǎn)和深腔環(huán)境探測(cè)[7],目標(biāo)是提高軟體機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度,使其能夠有效解決目前繩驅(qū)動(dòng)圓柱形軟體機(jī)械臂彎曲性能不足和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力的問題,并且具備較好的負(fù)重能力,可以攜帶一定的抓取和探測(cè)設(shè)備;因此該軟體機(jī)械臂在未來的實(shí)際生產(chǎn)中具有較大的潛力。

1 軟體機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟體機(jī)械臂系統(tǒng)由軟體機(jī)械臂主體和外圍驅(qū)動(dòng)設(shè)備兩部分組成。將機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)設(shè)備安置在軟體機(jī)械臂主體以外,不僅確保了軟體機(jī)械臂材料本身的柔韌性,能更好的適用于復(fù)雜惡劣的的工作環(huán)境,而且能有效地做到軟體機(jī)械臂的輕量化。

1.1 軟體機(jī)械臂的主體

軟體機(jī)械臂的主體結(jié)構(gòu)由手臂主體、受力墊片、驅(qū)動(dòng)繩、固定卡扣四部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟體機(jī)械臂主體結(jié)構(gòu)圖

手臂主體是軟體機(jī)械臂中的重要柔性部件,結(jié)合柔順機(jī)構(gòu)學(xué)原理將手臂設(shè)計(jì)為圓柱波浪狀,通體采用硅膠澆筑制成;軟體機(jī)械臂全長(zhǎng)為150mm,外圈直徑為42mm,內(nèi)圈直徑為24mm,手臂兩個(gè)波峰間的距離為10mm,手臂的外壁厚度為2mm,軟體機(jī)械臂內(nèi)部距離圓心18mm處,沿機(jī)械臂縱軸設(shè)置有四個(gè)貫穿手臂的通孔,驅(qū)動(dòng)繩可以在手臂上的通孔內(nèi)運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)繩一端通過固定卡扣與軟體機(jī)械臂一端的受力墊片固連,在驅(qū)動(dòng)繩牽引過程中可以減小應(yīng)力集中所造成的手臂過度變形,另一端從軟體機(jī)械臂的末端穿出與外圍驅(qū)動(dòng)裝置相連。

1.2 軟體機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)裝置

軟體機(jī)械臂有驅(qū)動(dòng)繩穿出的一端固定在支架的下方,在軟體機(jī)械臂沒有受到驅(qū)動(dòng)繩牽引時(shí),機(jī)械臂由于重力原因呈自然下垂?fàn)顟B(tài),支架的上方分別設(shè)置有四個(gè)舵機(jī),四個(gè)滑輪,舵機(jī)與驅(qū)動(dòng)繩通過滑輪相連為軟體機(jī)械臂提供動(dòng)力;當(dāng)收到上位機(jī)發(fā)出的指令,舵機(jī)向控制的方向轉(zhuǎn)動(dòng),在舵機(jī)的帶動(dòng)下驅(qū)動(dòng)繩將縮短或伸長(zhǎng)一定的距離,驅(qū)動(dòng)繩的長(zhǎng)度變化帶動(dòng)軟體機(jī)械臂朝某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)并彎曲一定的弧度,通過控制四根驅(qū)動(dòng)繩的長(zhǎng)度變化量,就能使軟體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到期望的位姿。

2 分段恒曲率假設(shè)

由于軟體機(jī)械臂通體由硅膠澆筑而成,相比于傳統(tǒng)的機(jī)械臂而言,沒有關(guān)節(jié)變量的概念,軟體機(jī)械臂通過控制四根驅(qū)動(dòng)繩的長(zhǎng)度變化量來達(dá)到理想的位姿,而僅僅通過驅(qū)動(dòng)繩的長(zhǎng)度變化量無法對(duì)軟體手臂直接進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)表示,因此對(duì)軟體機(jī)械臂的整體結(jié)構(gòu)做了一定的簡(jiǎn)化。雖然軟體的機(jī)械臂沒有類似于傳統(tǒng)剛性機(jī)械臂那樣的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),但是在軟體機(jī)械臂受到一定的驅(qū)動(dòng)力而沒有發(fā)生劇烈變形時(shí),可以假設(shè)在軟體機(jī)械臂上任意一小段變形程度都比較小,可以將這一小段近似看成是一段受力均勻的圓弧,而整個(gè)軟體機(jī)械臂都是由這樣的小段圓弧組合而成。基于這樣的原理,學(xué)者們提出了分段恒曲率的假設(shè)[8,9],分段恒曲率假設(shè)需滿足以下兩個(gè)條件:

(1)軟體機(jī)械臂以恒定曲率彎曲;

(2)軟體機(jī)械臂在彎曲時(shí)忽略重力引起的形變。

由分段恒曲率假設(shè)可以得出,軟體機(jī)械臂是由一系列的彎曲圓弧構(gòu)成,而每一段彎曲圓弧都有三個(gè)參數(shù)所表示,即:圓弧的曲率k i、圓弧彎曲的平面角φi,弧長(zhǎng)l i。如下圖2所示,圓弧線o i-1o i是分段圓弧的中心線,z i-1過o i-1點(diǎn)與中心線相切,x i-1為o i-1點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)繩1所在點(diǎn)連線的方向,y i-1的方向?yàn)閛 i-1點(diǎn)與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)繩4在截面所在點(diǎn)的連線方向。圓弧所在的平面與x i-1軸正方向的夾角為彎曲平面角φi,r i為圓弧到中心點(diǎn)的曲率半徑,θi表示該段圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角。坐標(biāo)系o i-1x i-1y i-1經(jīng)過一系列的坐標(biāo)變換可以得到坐標(biāo)系o i x i y i,將所有分段圓弧按照上述變換規(guī)則層層遞推,便能推導(dǎo)出軟體機(jī)械臂末端位姿到基坐標(biāo)系的位置關(guān)系。

圖2 分段恒曲率假設(shè)條件下第i段軟體機(jī)械臂

3 有限元仿真分析驗(yàn)證

(1)使用建模軟件Solidworks對(duì)軟體機(jī)械臂本體進(jìn)行實(shí)體建模,軟體機(jī)械臂本體各尺寸的參數(shù)如表1所示。

表1 軟體機(jī)械臂本體的尺寸參數(shù)

(2)將繪制好的機(jī)械臂導(dǎo)入到WORKBENCH中進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)繩在不同長(zhǎng)度變化量時(shí)帶動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的變化情況,考慮到機(jī)械臂本體由超彈材料硅膠澆筑而成,所以選擇超彈材料中的YEOH-3模型進(jìn)行仿真,YEOH-3超彈材料的基本設(shè)置參數(shù)如下表2所示。

表2 YEOH-3超彈材料的基本參數(shù)

(3)在軟體機(jī)械臂彎曲運(yùn)動(dòng)中,只需一根驅(qū)動(dòng)繩提供有效動(dòng)力,軟體機(jī)械臂就能沿驅(qū)動(dòng)繩的方向彎曲;在仿真分析中主要驗(yàn)證了一根驅(qū)動(dòng)繩作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況,在仿真分析過程中將連接支架的一段手臂設(shè)置為固定,再分別對(duì)驅(qū)動(dòng)繩添加不同的位移量,為了提高仿真分析的效率與準(zhǔn)確性,對(duì)仿真模型做了一些結(jié)構(gòu)優(yōu)化。如圖3為驅(qū)動(dòng)繩長(zhǎng)度變化量為60mm時(shí)軟體機(jī)械臂的應(yīng)力云圖和彎曲變形云圖。

圖3 軟體機(jī)械臂應(yīng)力云圖與變形云圖

如圖4為軟體機(jī)械臂在驅(qū)動(dòng)繩長(zhǎng)度變化量分別為40mm和60mm時(shí),機(jī)械臂的整體變形量以及驅(qū)動(dòng)線繩所受到的力,從圖中可以看出機(jī)械臂的整體變形量和驅(qū)動(dòng)繩所受反力的變化趨勢(shì)一致,恰好吻合了剛度一致的特性。

圖4 機(jī)械臂變形量與驅(qū)動(dòng)繩受力情況

4 結(jié) 語

提出了一種基于繩驅(qū)動(dòng)的仿生軟體機(jī)械臂,首先簡(jiǎn)要介紹了該仿生軟體機(jī)械臂主體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其整體外圍驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)造,然后基于軟體機(jī)械臂無傳統(tǒng)關(guān)節(jié)變量的情況引入了分段恒曲率的理論假設(shè),并分析確定了小段機(jī)械臂圓弧的相關(guān)理論參數(shù),給出驅(qū)動(dòng)繩在長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)每一小段的偏轉(zhuǎn)和彎曲狀態(tài)變量,最后對(duì)該模型進(jìn)行了彎曲特性仿真,分析對(duì)比了驅(qū)動(dòng)繩在不同長(zhǎng)度變化量時(shí)軟體機(jī)械臂的變形情況,該仿真結(jié)果顯示了本文提出的軟體機(jī)械臂模型具有良好的彎曲性能以及承載能力,對(duì)于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的作業(yè)與探測(cè)具有重要意義。