多指軟體機械手設(shè)計、仿真和試驗研究

褚凱梅， 楊 潔， 馮 凱， 趙 虎， 吳 杰

(南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇 南京 210037)

現(xiàn)有的機器人大多是用剛性材料制造而成，但剛性材料的特性導(dǎo)致其對環(huán)境的適應(yīng)能力低，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中不能很好地適應(yīng)環(huán)境的變化[1-2]。受到大自然中眾多軟體生物的啟發(fā)，伴隨著材料科學的快速發(fā)展，國內(nèi)外學者們將目光投向了軟體機器人領(lǐng)域[3]。軟體機器人采用軟體材料制成，在工作中對非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的適應(yīng)能力更強，在和人類的交互中也更為安全[4-5]。軟體機械手[6-10]作為軟體機器人領(lǐng)域的一個重要分支，它在諸多領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景。例如針對水果、雞蛋等外形多變[11]、表面易碎物品抓持裝置，在醫(yī)療領(lǐng)域所使用的輔助康復(fù)裝置和針對癱瘓患者使用的助力機構(gòu)等[12-16]，這些場合都要求機械手具有絕對的安全性能和良好的適應(yīng)能力[17]。近年來，國內(nèi)外學者對軟體機械手的研究已經(jīng)不僅僅局限于材料、結(jié)構(gòu)等基本的方向，在針對軟體機器人的驅(qū)動、傳感[18-20]、控制建模等方面也有了很大的進步，這些研究使得軟體機械手在越來越多的領(lǐng)域嶄露頭角，應(yīng)用前景一片光明。

1 軟體手指彎曲原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

軟體手指采用氣壓驅(qū)動原理，單指驅(qū)動模塊的彎曲原理如圖1所示，當向空腔內(nèi)充入氣體時，因為彈性形變層的形變大于應(yīng)變限制層，因此上下側(cè)產(chǎn)生形變差，導(dǎo)致驅(qū)動模塊產(chǎn)生彎曲[21]。

圖1 單指驅(qū)動模塊彎曲原理

基于上述氣壓驅(qū)動的原理，對軟體手指結(jié)構(gòu)進行初步設(shè)計。軟體手指分為三個部分，彈性形變層，空腔驅(qū)動層和應(yīng)變限制層，整體寬度為24 mm，共包含8個關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)寬度均為20 mm，中間5個關(guān)節(jié)長度均為為7 mm，前側(cè)關(guān)節(jié)長度為17 mm，末端關(guān)節(jié)長度為12 mm，關(guān)節(jié)間通過半徑為3 mm的半圓柱進行連接，內(nèi)部留有氣腔，在軟體手指末端留有半徑為1.8 mm的半圓柱孔，用于通入氣壓以控制軟體手指彎曲，軟體機械手單指模型如圖2所示。

圖2 軟體機械手單指模型

對軟體手指結(jié)構(gòu)中的壁厚b、間隙d和限制層厚度h進行參數(shù)的優(yōu)化，針對每個參數(shù)選擇三個不同的數(shù)據(jù)并進行建模，導(dǎo)入到ABAQUS內(nèi)進行仿真，比較在其他條件一致的情況下，該參數(shù)的改變對軟體手指彎曲性能的影響。軟體機械手單指模型剖面如圖3所示。

圖3 軟體機械手單指模型剖面

2 軟體手指的仿真分析

為了驗證所設(shè)計的軟體手指能夠?qū)崿F(xiàn)我們需要的彎曲性能，通過有限元軟件能夠?qū)ζ溥M行模擬。

首先在SolidWorks軟件內(nèi)對軟體手指單指模塊進行建模，注意模型必須是封閉的，然后將其導(dǎo)入ABAQUS內(nèi)，完成模型的創(chuàng)建。

創(chuàng)建和編輯材料。模型采用各向同性的非線性超彈性材料，應(yīng)變勢能采用2階Yeoh模型，系數(shù)為C10=0.11，C20=0.02[22]。

創(chuàng)建分析步。創(chuàng)建分析步step-1，選擇靜力通用類型，打開幾何非線性，增量步初始為0.01，最小為1E-059，最大為1，最大增量步數(shù)為1 000。

創(chuàng)建受力面和載荷。選擇該軟體手指氣腔的內(nèi)表面作為受力面，并在氣腔內(nèi)部選擇一個點，創(chuàng)建流體氣蝕區(qū)壓力，分別對受力面施加10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa和60 kPa的壓力。

設(shè)置邊界條件。選擇該軟體手指的一個面為邊界，完全固定，即完成邊界條件的設(shè)置。

劃分網(wǎng)格。首先對模型進行布種，然后對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

創(chuàng)建作業(yè)。創(chuàng)建作業(yè)，提交檢查并運行，并查看仿真結(jié)果。

所設(shè)計的軟體手指單指模塊壁厚為2.5 mm，限制層厚度為2 mm，關(guān)節(jié)間間隙為3 mm，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 軟體手指單指模塊有限元仿真結(jié)果

3 軟體手指的制備工藝

所涉及的軟體手指整體均由硅膠制作而成，利用模具進行澆注，其制作過程包括硅膠的配置，澆注，取模，修剪等多個環(huán)節(jié)。軟體手指制作的工藝流程如圖6所示。

圖6 軟體手指制作工藝流程

軟體手指制作的具體操作步驟如下：

(1)將各個模具內(nèi)壁清理干凈，確保其平整，避免影響手指成型；

(2)將Dragon Skin 20的兩種組分按照1∶1的比例混合并攪拌均勻；

(3)將配置好的硅膠放入真空攪拌機內(nèi)攪拌均勻，去除硅膠內(nèi)的氣泡；

(4)將脫泡處理后的硅膠緩慢且均勻地倒入軟體手指的底座模具中，然后慢慢地將上端蓋模具蓋上，輕輕按壓確保完全貼合，靜置4 h左右；

(5)取模，對多余的硅膠進行修剪處理，檢查手指整體是否無氣泡；

(6)將蠟放入烘箱融化，并同時將蠟?zāi)Ｄ＞叩膬蓚€部分對齊并用封條固定；

(7)將熔化好的蠟取出，快速且均勻地倒入模具中，靜置2小時左右；

(8)取模，將蠟?zāi)７湃胲涹w手指內(nèi)，并將其整個放回底座模具內(nèi)，將限制層模具蓋上；

(9)同(2)(3)第二次配置硅膠；

(10)將脫泡處理后的硅膠緩慢而均勻地倒入限制層模具內(nèi)，確保表面平整，靜置4小時左右；

(11)取模，檢查手指整體是否無氣泡；

(12)將軟體手指放入烘箱內(nèi)加熱，待蠟融化后將其完全擠出，取出軟體手指清洗干凈并晾干；

(13)將軟體手指與氣動接口連接，通入氣壓檢查其氣密性；

實際操作中的主要制作步驟如圖7所示。

圖7 主要制作步驟

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

所設(shè)計的三指軟體機械手采用氣壓驅(qū)動，氣壓的來源是氣泵，控制系統(tǒng)采用STM32單片機，控制該三指軟體機械手對待抓取物體進行抓取，總體方案框圖如圖8所示。

圖8 總體方案框圖

在針對該三指軟體機械手所設(shè)計的控制總體方案中，氣動回路包括了氣泵、電磁閥和調(diào)壓閥，最終將氣源傳遞至軟體驅(qū)動器，其氣動回路流程圖如圖9所示。

圖9 氣動回路流程圖

當需要使用所設(shè)計的多指軟體機械手抓取物體時，STM32單片機發(fā)出高電平信號，通過三極管放大電流使繼電器低壓端閉合，繼而吸合高壓端接通電磁閥控制電路。繼電器在該方案中起到隔離高低壓的作用，對該電路有開關(guān)和保護作用，然后信號傳遞到電磁閥。電磁閥在該方案中起到控制線路通斷的作用。打開氣泵，氣源通過電磁閥傳遞到調(diào)壓閥，調(diào)到合適的氣壓后輸出給軟體驅(qū)動器，將待抓取物體抓起。所有部件選型完成后進行試驗平臺的搭建，試驗平臺如圖10所示。

圖10 試驗平臺

5 多指軟體機械手試驗研究分析

5.1 單指模塊彎曲角度試驗

為了測試在實際應(yīng)用中驅(qū)動氣壓對軟體手指單指驅(qū)動模塊的影響，進行單指彎曲角度試驗。搭建試驗平臺，檢查氣密性，通過固定支架將其固定到試驗平臺上；分別調(diào)節(jié)氣壓至10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa和60 kPa，每次調(diào)整氣壓都需等待氣壓值穩(wěn)定5 s左右；待氣壓值穩(wěn)定后，使用量角器對軟體手指的彎曲角度進行測量，記錄每個氣壓所對應(yīng)的彎曲角度數(shù)據(jù)，并對所有數(shù)據(jù)進行整理，與仿真所得的數(shù)據(jù)進行對比。軟體手指單指模塊彎曲試驗結(jié)果如下圖11所示：

圖11 軟體手指單指模塊彎曲角度試驗

將試驗所得的數(shù)據(jù)與仿真所得的數(shù)據(jù)進行比較，并繪制成折線圖，其結(jié)果如圖12所示。

圖12 實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比圖

通過試驗圖可以看出，軟體手指在氣壓逐漸增大時并沒有出現(xiàn)嚴重的膨脹，但通過折線圖可以看出實際測得的彎曲角度與仿真出的彎曲角度相差較大，其原因如下：

因試驗需要，我們在進行該彎曲角度試驗時對軟體手指的末端關(guān)節(jié)進行了固定，對該軟體手指的正常彎曲造成了一定的影響，為驗證這一原因，在ABAQUS軟件中同樣對手指的最后一個關(guān)節(jié)進行固定，其他參數(shù)保持不變，將得到的結(jié)果與之前的仿真結(jié)果進行對比，其結(jié)果如圖13所示。

圖13 仿真結(jié)果對比

從圖中可以看出，限制末端關(guān)節(jié)后，彎曲角度明顯減小，故而證明在實際的試驗中，對末端關(guān)節(jié)的限制確實對軟體手指彎曲角度有較大的影響；

在試驗過程中使用橡膠軟管對氣泵與調(diào)壓閥之間，調(diào)壓閥與軟體手指的氣動接口之間進行連接，在傳輸途中，可能仍舊會存在漏氣的情況，且氣壓會產(chǎn)生一定的損耗，導(dǎo)致軟體手指的彎曲角度小于仿真結(jié)果；

仿真時對與軟體手指的材料性能都設(shè)定為理想狀態(tài)，但在實際的試驗中，材料的彈性等性質(zhì)與仿真所設(shè)定的理想狀態(tài)可能有所出入，從而導(dǎo)致軟體手指彎曲角度小于仿真結(jié)果。

5.2 單指模塊末端力試驗

為了能夠測試所設(shè)計的三指軟體機械手所能夠夾持物體的重量范圍，進行軟體手指單指模塊末端力試驗，采用上節(jié)所設(shè)計的固定支架固定軟體手指，并使用測力計對軟體手指末端所產(chǎn)生的力進行測量，其試驗裝置如圖14所示。

圖14 軟體手指單指模塊末端力試驗裝置

將軟體手指與氣動接口連接固定，檢查氣密性，通過固定支架將其固定到試驗平臺上，在試驗過程中，將測力計的測頭與軟體手指末端始終保持垂直，目的是為了測取在該氣壓下軟體手指末段能產(chǎn)生的最大的力。打開氣泵，分別調(diào)節(jié)氣壓至10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa和60 kPa，每次調(diào)整氣壓都需等待氣壓值穩(wěn)定5 s左右，在氣壓值穩(wěn)定后，讀取測力計上的數(shù)值并記錄。多次試驗取平均值，以保證試驗數(shù)據(jù)的準確性。將試驗數(shù)據(jù)進行整理并繪制成折線圖，其結(jié)果如圖15所示。

圖15 單指模塊末端力試驗結(jié)果

從該折線圖中我們可以發(fā)現(xiàn)軟體手指單指模塊的末端力與氣壓近乎成一種線性關(guān)系，對數(shù)據(jù)點進行擬合，可以得到如圖所示直線，其中決定系數(shù)R2=0.978 5，擬合精度較高。決定系數(shù)R2為回歸平方和與總離差平方和的比值，表示總離差平方和中可以由回歸平方和解釋的比例，其表明該組數(shù)據(jù)的擬合精度，該值越大越好，值越大說明對模型的擬合越精確，一般認為R2值大于0.8的模型擬合優(yōu)度較好。得出該擬合后的直線后，就可以在抓取物體前大致估算出所需要通入的氣壓，能夠保證該三指軟體機械手在不損壞待抓取物體的前提下能順利將其抓起。

5.3 多指軟體機械手的應(yīng)用試驗

為了測試所設(shè)計的多指軟體機械手是否能夠適應(yīng)不同的物體大小并進行夾持，設(shè)計了三指軟體機械手的抓取試驗，分別對圣女果、荔枝、油桃、檸檬和蘋果等水果進行抓取，能夠保持穩(wěn)定且不對被抓取物體產(chǎn)生擠壓使其表面受損。

多指軟體機械手抓取試驗的被抓取物體試驗參數(shù)及實物抓取如圖16所示：

圖16 三指軟體機械手抓取試驗

在本次試驗中，分別對五種不同質(zhì)量、不同外表形狀的水果進行了抓取，在60 kPa氣壓以內(nèi)，該三指軟體機械手最多能夠抓取260 g左右的物體，在嘗試抓取更重的水果時，該三指軟體機械手在60 kPa的氣壓下已經(jīng)不能穩(wěn)定的抓取。

從試驗中可以看出，本文所設(shè)計的三指軟體機械手在抓取物體時可以根據(jù)被抓取對象表面形狀的不同來適應(yīng)，從而能夠更加穩(wěn)定地抓取物體，同時，因為該軟體手指是整體均由硅膠制成，對所抓取物體具有很好的保護作用，在實際應(yīng)用中可以很好地降低被抓取水果的受損率。