氣動柔性手腕結構設計與實驗研究

梁 正，武廣斌，王 佩，李名哲，孫 宇

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

人類手腕是典型的橢圓關節(jié)，可以繞兩個軸運動，可作屈、伸、外展、內(nèi)收及環(huán)轉(zhuǎn)運動.人類手腕作為靈活的轉(zhuǎn)動關節(jié)，在手抓取物體過程中起著非常重要的作用，手腕轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)位姿，聯(lián)動人手完成穩(wěn)定抓取，且能保持抓取動作姿態(tài)[1-4].機械手臂是各類服務機器人的關鍵執(zhí)行部件，腕關節(jié)對于確定機械臂末端執(zhí)行器的位姿及接觸狀態(tài)具有重要作用，其性能直接決定了整個機械臂的性能優(yōu)劣[5-6].為提高柔性手腕運動柔順性、控制精度以及環(huán)境適應性，各國學者經(jīng)過潛心研究，已研制出以電機驅(qū)動、人工肌肉驅(qū)動、液壓驅(qū)動及記憶合金驅(qū)動等多種驅(qū)動方式驅(qū)動剛性本體的機器人手腕[7-9].

本文氣動柔性手腕結構上采用氣動驅(qū)動器與球形制動器并聯(lián)的方式，實現(xiàn)了手腕末端的俯仰、橫擺運動，且有剛性骨架提升了本體的剛度和抗扭性能.手腕關節(jié)本體與驅(qū)動單元復合為一體，具有結構緊湊、安全清潔等優(yōu)點，同時能夠?qū)崿F(xiàn)關節(jié)驅(qū)動與制動聯(lián)動協(xié)調(diào)，具有剛?cè)峤Y合等特點.

1 氣動柔性手腕結構與功能

1.1 氣動柔性手腕整體結構與功能

氣動柔性手腕本體呈柱狀，整體結構高度對稱，如圖1所示，整體剛性支撐結構由上下端蓋、耳板、套筒、制動球、摩擦片組成，為手腕提供了良好的剛度和抗扭能力.手腕驅(qū)動機構由沿分布圓安裝的4個伸長型柔性驅(qū)動器組成，制動機構由2個制動器氣囊、1對摩擦片和制動球組成，制動器氣囊放置在套筒內(nèi).上、下端蓋均有其定位作用的安裝槽及用于固定連接的通孔，耳板和套筒安裝于槽內(nèi)與端蓋通過螺釘連接.各驅(qū)動器以端蓋中心為圓心，分布圓直徑為90 mm，制動球置于手腕軸線上，球心距上下端蓋60 mm，驅(qū)動器原長105 mm，其安裝在上下端蓋需預拉伸15 mm，驅(qū)動器端蓋有螺旋環(huán)形槽，與約束彈簧兩端旋緊配合.驅(qū)動器工作氣壓為0～0.37 MPa，制動器工作氣壓為0～0.4 MPa.

圖1 手腕整體結構

1.2 手腕驅(qū)動器與制動器氣囊結構與基本參數(shù)

圖2為驅(qū)動器，外部有約束彈簧，內(nèi)部嵌套氣動人工肌肉，人工肌肉為腔體硅膠管，一端密封，另一端連接進氣接口，通入壓縮氣體后可伸長.圖3為制動器氣囊，采用內(nèi)徑為20 mm、壁厚為2 mm、有效長度為25 mm的硅氟硅膠管.將上、下堵頭與膠管兩端連接形成密閉空腔；上、下堵頭各有不同大小螺紋孔，上堵頭與進氣接口連接，通過螺紋連接分別與端蓋和制動片固定連接，驅(qū)動器與制動器結構參數(shù)如表1所示.

圖2 氣動柔性驅(qū)動器

圖3 制動器氣囊實物

表1 驅(qū)動器與制動器結構參數(shù)

2 氣動柔性手腕實驗研究

2.1 手腕轉(zhuǎn)角實驗分析

實驗原理圖如圖4所示.

圖4 手腕端蓋轉(zhuǎn)角實驗原理圖

將手腕上端蓋和陀螺儀連接在一起，然后固定在實驗臺上，陀螺儀與單片機和計算機相連，如圖5所示.利用精密減壓閥調(diào)節(jié)驅(qū)動器內(nèi)氣壓值(0～0.34 MPa)，記錄間隔0.02 MPa的氣壓數(shù)值，并通過氣壓傳感器檢測通入的壓縮氣體，保證氣壓值的準確性.

圖5 手腕端蓋轉(zhuǎn)角實驗裝置

在不同實驗條件下進行實驗，各個實驗進行3組平行實驗，通入一側(cè)驅(qū)動器壓縮氣體，驅(qū)動器變形彎曲，上端蓋向未通入氣體一側(cè)轉(zhuǎn)動，如圖6所示，單片機將陀螺儀采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，利用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行處理，取各組實驗數(shù)值平均值得出上端蓋轉(zhuǎn)角-氣壓變化曲線，如圖7所示.

圖6 0.34 MPa時手腕轉(zhuǎn)動狀態(tài)

同側(cè)兩驅(qū)動器氣壓值/MPa圖7 端蓋轉(zhuǎn)角-氣壓實驗曲線

從圖7可以看出，隨著向同側(cè)驅(qū)動器通入的壓縮氣體氣壓值增大，上端蓋轉(zhuǎn)角非線性增加.當氣壓值達到0.34 MPa時，手腕端蓋轉(zhuǎn)角可達41°.

2.2 手腕制動理論與實驗分析

制動器受力模型如圖8所示，向制動器氣囊通入壓縮氣體，氣囊膨脹變形產(chǎn)生軸向驅(qū)動力Fd，進而推動摩擦片施加于制動球Fp，摩擦片與制動球無間隙.

圖8 制動器受力分析

由受力分析可得：Fp=Fd，

(1)

式中，F(xiàn)p為軸向推力；Fd為軸向驅(qū)動力.

Fd=P·S，

(2)

式中，為制動器變形不均勻系數(shù)，與硅膠管氣囊和端蓋套筒接觸狀態(tài)有關；P=P0-Patm為壓力差；P0為硅膠管內(nèi)部氣壓；Patm為硅膠管外部大氣壓.

在工作狀態(tài)下，制動器軸向伸長，內(nèi)部硅膠管變形過程中，硅膠管外壁與套筒內(nèi)徑有一定間隙，實際設計套筒內(nèi)徑為25 mm.通入硅膠管氣囊壓縮氣體，內(nèi)徑變大，硅膠管厚度變薄，膠管外壁受套筒限制，其外徑尺寸與套筒內(nèi)徑近似相同，彈性體變形前后體積不變，其橫截面積將發(fā)生變化.因此，驅(qū)動器軸向變形有一定幾何非線性.

(3)

(4)

則可知上、下制動器共同工作時，摩擦力Ff為：

Ff=2μ·Fd，

(5)

式中，μ為摩擦片與制動球的摩擦系數(shù).

Mf=R·Ff，

(6)

式中，Mf為制動器提供的制動力矩；R為制動球半徑.

將式(4)、(5)代入式(6)，

(7)

測量制動器氣囊在氣壓值0～0.4 MPa范圍內(nèi)的軸向驅(qū)動力.實驗過程中使用的實驗設備由氣源、精密減壓閥、數(shù)顯式推拉力計、固定座、XY工作臺和氣壓傳感器等組成.實驗方法是將制動器一端與固定座連接，固定座套筒內(nèi)徑為25 mm，與制動器套筒內(nèi)徑一致，固定座安裝在XY工作臺上，將測力計固定在XY工作臺上，實驗過程中制動器始終處于原長狀態(tài)，調(diào)節(jié)滑臺使測力計頂端與制動器上端蓋接觸，逐步提高氣壓值，測量過程均采取面接觸測量.實驗原理圖如圖9所示，根據(jù)實驗原理搭建實驗系統(tǒng)裝置，見圖10.

圖9 制動器驅(qū)動力-氣壓實驗原理

圖10 制動器驅(qū)動力-氣壓實驗裝置

將在不同氣壓值下(0～0.4 MPa)的實驗數(shù)據(jù)進行處理，氣壓間隔0.02 MPa遞增，可得到制動器軸向驅(qū)動力的變化曲線，如圖11所示.

由圖11可知，制動器的軸向力隨氣壓值的增加而逐漸增大，且呈現(xiàn)出線性變化.當氣壓值達到0.4 MPa時，制動器軸向驅(qū)動力Fd為107 N.制動器在不同氣壓下的制動力矩實驗數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到制動力矩經(jīng)驗公式(擬合誤差0.025 N·m)：

Mf=2.05P-0.05 .

(8)

氣壓值/MPa圖11 制動器驅(qū)動力-氣壓曲線圖

圖12為制動器制動力矩實驗-氣壓實驗與理論曲線，從圖中可以看出，制動器制動力矩隨氣壓增加而增大，趨勢呈正相關.理論曲線與實驗數(shù)據(jù)趨勢吻合，具有較好一致性，說明理論模型能較好地描述制動器制動力矩特性.實驗進行初期，通入氣體未完全充滿氣囊，氣囊存在自身變形阻力，造成制動器驅(qū)動力增長速率較慢.

氣壓值/MPa圖12 制動器制動力矩-氣壓實驗與理論曲線

3 結 論

(1)基于伸長型柔性驅(qū)動器，設計了一種剛性較好的氣動柔性手腕，并制作了樣機.

(2)利用陀螺儀進行了手腕端蓋轉(zhuǎn)角實驗，處理數(shù)據(jù)得到了端蓋轉(zhuǎn)角-氣壓實驗曲線，當同側(cè)兩驅(qū)動器腔內(nèi)氣壓值為0.34 MPa時，手腕端蓋轉(zhuǎn)角為41°.

(3)建立了柔性手腕制動器理論模型，通過實驗驗證了制動器理論模型的正確性.當制動器氣囊腔內(nèi)氣壓值為0.4 MPa，軸向推力可達107 N，得到了制動力矩經(jīng)驗公式Mf=2.05P-0.05.