軟體驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)制作和仿真分析＊

吳越

（安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)械有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，越來(lái)越多的機(jī)械裝備不斷投入生產(chǎn)使用，制造工藝、材料性能、控制技術(shù)也越來(lái)越成熟，越來(lái)越先進(jìn)，我們的生產(chǎn)生活也離不開各式各樣的機(jī)器人。但是傳統(tǒng)的機(jī)器人通常是由常規(guī)的鋼鐵等材料制作，其間通過(guò)剛性關(guān)節(jié)連接，柔性不夠，在安全性和適應(yīng)性上越來(lái)越不能滿足人們的要求。而使用能夠變形的材料而非鋼鐵等制作的一系列新型機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)更加柔和，動(dòng)作也更加順暢。

隨著研究的進(jìn)一步深入，軟體機(jī)器人的概念應(yīng)運(yùn)而生，依托于變形材料的發(fā)展、仿生學(xué)的設(shè)計(jì)、仿真分析技術(shù)的驗(yàn)證等，軟體機(jī)器人有了很大的發(fā)展。軟體機(jī)器人的最大特點(diǎn)就是制作材料的軟性或者彈性，其可以實(shí)現(xiàn)任意的變形，結(jié)構(gòu)連接更加柔順，通過(guò)一根管道輸入氣流等其他方式，配合結(jié)構(gòu)特征，就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。軟體機(jī)器人由于其本身的物理特性，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，人機(jī)交互更加安全，具有連續(xù)變形結(jié)構(gòu)，軟體機(jī)器人的柔順型和安全性等讓其有著廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。軟體機(jī)器人是一個(gè)新的領(lǐng)域，但是它的發(fā)展確實(shí)非常迅速。軟體機(jī)器人涉及材料學(xué)、生物工程學(xué)、機(jī)電控制等諸多學(xué)科，是多重學(xué)科的綜合體[1-4]。

軟體機(jī)器人的常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、繩拉驅(qū)動(dòng)、化學(xué)驅(qū)動(dòng)等，其中氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理簡(jiǎn)單、污染小、效率高、可靠性高，備受研究人員的歡迎。軟體機(jī)器人通常為多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即采用多驅(qū)動(dòng)單元組合陣列，通過(guò)控制小單元驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制軟體機(jī)器人。故本文由氣動(dòng)軟體機(jī)器人出發(fā)，研究單個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)、制作、變形仿真分析等，討論軟體機(jī)器人的發(fā)展。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器利用其獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)和特殊的材料特性，在受到氣體壓強(qiáng)作用時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生特定的形變，材料主要以各種類型的硅膠為主。為了實(shí)現(xiàn)軸向變長(zhǎng)的功能，本文氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如下，由于充氣過(guò)程中，徑向和軸向的作用面積的差異，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器不同部位的形變程度不同，產(chǎn)生外在的變長(zhǎng)現(xiàn)象[5]。當(dāng)保持氣壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器保持狀態(tài)，當(dāng)泄壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器由于材質(zhì)特性而恢復(fù)原狀。軟體驅(qū)動(dòng)器如圖1 所示，由兩個(gè)單側(cè)單元軟體結(jié)構(gòu)粘合而成，最大長(zhǎng)度為77 mm，最大直徑為36 mm，驅(qū)動(dòng)器采用兩部分分別倒模再粘合的方式制作，單側(cè)單元軟體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，根據(jù)模具制作中空形式的半圓柱形軟體驅(qū)動(dòng)器，利用粘合劑粘合。底部開一進(jìn)氣孔，接入氣管后封堵住氣管防止漏氣，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，改變氣壓大小氣壓完成相應(yīng)動(dòng)作。

圖1 軟體驅(qū)動(dòng)器

圖2 單側(cè)單元軟體結(jié)構(gòu)

2 軟體驅(qū)動(dòng)器的制作

氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器最重要的一環(huán)就是材料的選擇，硅膠的材質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工作特性至關(guān)重要。目前廣泛使用的材料之一是ECOFLEX 硅膠，其固化快、延展性高，有著極大的變形能力，力學(xué)特性優(yōu)良，但是價(jià)格較高。常規(guī)的室溫硫化硅橡膠價(jià)格較低，固化時(shí)不放熱不膨脹，力學(xué)特性較好。軟體驅(qū)動(dòng)器往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，制作方式異于常規(guī)零部件，通常使用3D 打印或者倒模，而3D 打印由于通常使用材料是金屬、樹脂等，無(wú)法制作復(fù)雜硅膠模型，所以本文驅(qū)動(dòng)器采用硅膠倒模的方式制作。硅膠澆筑倒模技術(shù)成熟，即通過(guò)驅(qū)動(dòng)器模型尺寸設(shè)計(jì)相應(yīng)的模具形狀和尺寸，將澆筑倒模原料（硅膠及固化劑等）倒入模具，一定時(shí)間后固化脫模，即可得到所需實(shí)體[6]。

2.1 混合

根據(jù)驅(qū)動(dòng)器實(shí)體模型預(yù)估所需硅膠的質(zhì)量，防止因?yàn)檫^(guò)多而導(dǎo)致浪費(fèi)或者過(guò)少而導(dǎo)致二次添加產(chǎn)生不良影響。估算質(zhì)量后，留取一定的合理余量，按照硅膠A 和硅膠B 質(zhì)量比為1∶1 倒入攪拌容器，用攪拌棒攪拌至混合均勻。在此過(guò)程中，硅膠中會(huì)混合少量的氣泡，為了使驅(qū)動(dòng)器質(zhì)地均勻，要盡量減少氣泡的介入，攪拌時(shí)攪拌棒應(yīng)該按照固定的方向攪拌，防止過(guò)多氣泡產(chǎn)生進(jìn)而造成不利影響。

2.2 注模

硅膠混合攪拌完成后，選擇合適的模具作為主模具，如圖3 所示，緩慢勻速地倒入適量的硅膠，不可注滿，此時(shí)將腔室形成模具與其配合，如圖4 所示，靜置數(shù)小時(shí)等待固化，為了實(shí)體完全穩(wěn)定，時(shí)間可適當(dāng)延長(zhǎng)。

圖3 主模具

圖4 腔室形成模具

2.3 脫模

拆卸模具過(guò)程應(yīng)緩慢，防止黏連撕裂，先拆腔室形成模具，再取出軟體驅(qū)動(dòng)器。

3 有限元分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

ABAQUS 具有較全面且人性化的三維建模功能，同時(shí)具有外部導(dǎo)入三位模型的功能[7-10]。建立硅膠的超彈性材料和布料的屬性，其中硅膠的材料常量依據(jù)文獻(xiàn)分別選取C10=0.11，C20=0.02，其他參數(shù)均為0。定義材料屬性的截面特征，賦予界面材料屬性。仿真分析設(shè)置有縱向彎曲和無(wú)縱向彎曲兩組。將底面的位置定義六個(gè)自由度下的全約束，內(nèi)部所有空腔內(nèi)表面定義壓強(qiáng)載荷，確定壓強(qiáng)范圍。本文采用四面體網(wǎng)格劃分，定義四面體網(wǎng)格類型。定義網(wǎng)格大小，根據(jù)尺寸大小，采用2 mm 的網(wǎng)格大小對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，最終形成40 597 個(gè)四面體網(wǎng)格。

3.2 計(jì)算結(jié)果

圖5、圖6 分別表示有縱向彎曲和無(wú)縱向彎曲時(shí)，軟體驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部充氣不同氣壓值下的變形情況。從結(jié)果來(lái)看，內(nèi)部壓強(qiáng)不斷增大后，氣囊膨脹持續(xù)增大，向底部彎曲變化愈發(fā)厲害，彎曲角度隨之變大。

圖5 有縱向彎曲時(shí)的軟體驅(qū)動(dòng)器充氣變形

圖6 無(wú)縱向彎曲時(shí)的軟體驅(qū)動(dòng)器充氣變形

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)硅膠結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及有限元分析，得到了軟體驅(qū)動(dòng)器在不同氣壓下的變形。和剛性機(jī)器人相比，軟體材料的由于其獨(dú)特的材料特性，使得軟體驅(qū)動(dòng)器的安全性得到了很大的提升，并且軟體驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)簡(jiǎn)單的氣壓差就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜靈活運(yùn)動(dòng)，未來(lái)軟體驅(qū)動(dòng)器有著廣闊的發(fā)展前景。