仿鳥喙微型氣動軟體機械手爪的設計及優(yōu)化

方海峰，黃希，范紀華，陳立威，谷通順

(江蘇科技大學 機械工程學院,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

隨著機器人技術的不斷發(fā)展,仿生學在機器人領域發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。軟體機器人同樣是起源于仿生學,其與傳統(tǒng)的剛性機器人相比具有更好的適應性和柔順性,能夠完成易碎品、形狀不規(guī)則的物體以及活體生物的抓取。近幾年來,學者們通過自然界中的章魚、蛇、大象等生物的動作特點開展了相應的研究[2]。

從自然界的生物獲得靈感,國內外的學者研制了不同的軟體機械手爪。Cianchetti等[3]集成8個在徑向方向延伸的手臂和一個包含主要處理單元的中央主體,設計了一個八臂仿章魚軟機器人,使其不同表面上均具有良好的性能。Li等[4]通過建立具有可變剛度解耦機制的軟體仿魚的模型,以研究其身體剛度與游泳性能之間的關系。Giannaccini等[5]通過實驗特性與數(shù)學分析相結合,設計了一款輕巧、可靠性高的變剛度軟體機械臂。Li等[6]提出一種氣動折紙“魔球”柔性手爪,不僅可以實現(xiàn)多種物體的抓取還實現(xiàn)了物體軸向偏移抓取。石油大學的賈寶賢等[7]模仿蚯蚓在孔內蠕動的過程,設計了一種在孔內行走的機器人驅動裝置,該驅動裝置結構簡單,體積小、重量輕、柔韌性好、控制方便。上海交通大學的王緒等[8]按照尺蠖特有的Ω式蠕動運動方式,設計了一種能蠕動前進的模塊化軟體機器人,從而實現(xiàn)仿尺蠖蠕動前進運動。燕山大學的姚建濤等[9]基于自然界中彎曲蠕蟲的運動原理,借鑒其結構特點,設計一種雙腔結構的輪足式仿生蠕動軟體機器人。哈爾濱工業(yè)大學的樊繼壯等[10]結合軟體材料的優(yōu)勢特點和青蛙滑動推進的運動方式,設計了一款軟體仿蛙游動機器人關節(jié)式氣動致動器,從而實現(xiàn)仿蛙游動機器人的微小型化。以上所述的軟體機器人的設計均以模仿生物特性為目標,充分利用軟體材料的優(yōu)勢特點,在簡化機器人本體機構的同時使得機器人的環(huán)境適應性大大提高,進而拓寬了仿生機器人的應用領域范圍。

較于軟體機械手爪,傳統(tǒng)的剛性手爪容易造成抓持對象的損壞,且環(huán)境適應性差,抓取精度低;而真空吸盤的吸取不穩(wěn)定,無法進行遠距離傳輸,抓取成功率低。軟體機械手爪的出現(xiàn)解決了上述問題,并廣泛應用于汽車零部件、3C電子、食品、醫(yī)療、服裝、日化等多種行業(yè),其安全性高、通用性好、安裝簡單方便,彌補了剛性機械手爪和真空吸盤在某些場合所無法適用的空缺。

縱然如此,近年來對于仿生軟體機械手爪雖然有較多研究,但在微型物體的抓取領域鮮有涉及。本文以鳥喙為研究對象,為實現(xiàn)微型物體的穩(wěn)定抓取,設計了仿鳥喙微型氣動軟體機械手爪,以下簡稱為“柔喙”,然后對其彎曲特性進行了有限元仿真,并進行一定的優(yōu)化。最后通過彎曲特性實驗驗證仿真獲得的變形與實驗相一致,并通過抓取力測試及適應性實驗驗證手爪抓取的穩(wěn)定性和適應性。

1 結構設計與制備

1.1 動作原理

大自然中,啄木鳥體積較小,質量也僅60 g左右,卻能實現(xiàn)目標對象高頻率、高準確性的鉗取。啄木鳥在鉗取啄擊中,喙部在準備啄擊和啄擊階段都會張開,其夾持端呈錐形的結構使其能夠輕松地啄入樹干并且準確地咬緊小木塊,像鉗子一樣將小木塊從樹干上取下來。與此同時,在啄木鳥取食時,其喙部也能精確地將體積較小的蟲子拾取。對于啄木鳥的精確取食過程,極具仿生研究價值,可為微型軟體機械手爪提供新的思路[11]。

鳥喙結構如圖1所示,其分為驅動端和夾持端兩部分,驅動端通過嘴部肌肉控制兩喙的開合以完成取食動作,夾持端是接觸食物的部分,其形狀由外至內呈錐形,上寬下窄的形狀有助于實現(xiàn)食物的精確夾取。結合鳥喙的結構并進行機構優(yōu)化,初步確定如圖2所示的柔喙的總體結構設計方案,該柔喙同樣包括驅動端和和夾持端兩部分。

圖1 鳥喙結構

圖2 柔喙結構

在自然進化的過程中,因取食和筑巢等功能需求,鳥喙具有良好的力學性能,其結構是典型的輕質高強結構,其密度僅為0.1 g/cm3[12]。所以將柔喙設計成如圖3所示輕質的空腔結構并且選擇輸出力較大的氣動驅動方式。

圖3 柔喙截面圖

以鳥喙為原型,初選柔喙總長為80 mm,寬為17 mm,指尖的長度為16 mm,兩指間距為2 mm,上端通氣孔的直徑為6 mm,其尺寸近似于鳥喙的實際尺寸。與此同時,模仿鳥喙指腔由外至內錐形的結構,使得指腔外側的彈性模量大于內側的彈性模量。因而在充入一定量的正壓后,兩指尖能像剪刀狀張開,反之,在充入一定量的負壓后實現(xiàn)指尖的閉合,從而完成整個抓取動作。

1.2 柔喙的制備

與哈佛大學軟驅動器的原理[13]類似,根據(jù)柔喙內部空腔的特點,選擇邵氏硬度較低,可制造性及彈性較好的雙組份硅橡膠Ecoflex 00-30材料[14]。與此同時,柔喙的模具采用模具澆注成型,如圖4所示。其中模具的制備采用相對常見的3D打印。

柔喙的制造過程分為以下幾個步驟:1)均勻涂抹凡士林脫模劑并完成模具的組裝;2)將硅橡膠Ecoflex 00-30材料A、B膠按照1:1均勻混合[15];3)對硅橡膠進行脫泡處理;4)澆注模具,分為兩個步驟進行澆注,即先對夾持端進行澆注,待固化后取出芯模;同理,對驅動端進行澆注,然后利用液態(tài)硅橡膠自身的粘性將驅動端與夾持端膠結為一體;5)靜置2～3 h直至膠化成型;6)脫模并修整。

圖4 制成的柔喙

2 有限元仿真與結構優(yōu)化

2.1 本構模型

為提高有限元仿真的準確性,首先應對柔喙材料的力學特性進行分析,由于柔喙的材料為硅橡膠,屬于典型的硅橡膠材料,其應變與應力之間存在高度非線性關系,一般采用應變能密度函數(shù)描述其力學性能[16]。

采用2階Yeoh本構模型對柔喙進行分析,該模型具有較好的適應性,是分析硅膠變形問題的首選本構模型[17],其應變能密度函數(shù)可表示為

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

(1)

式中:C10、C20為材料參數(shù)；I1為變形張量不變量。

(2)

式中:λ1、λ2、λ3分別是柔喙軸向、周向、徑向的主伸長比。

由于超彈性材料近似不可壓縮,所以λ1λ2λ3=1。并且柔喙在周向的變形可以忽略不計,即λ2=1,取軸向應變λ1=λ,則軸向變形張量不變量可表示為

(3)

將式(3)代入式(1),即得柔喙的二階Yeoh本構模型

(4)

2.2 有限元分析

采用ANSYS Workbench為仿真平臺,基于2階Yeoh模型建立柔喙變形的仿真模型。經(jīng)過查找文獻可知,應變能密度函數(shù)C10、C20和C30分別為0.573 82 MPa、-0.074 744 MPa和0.011 321 MPa,不可壓縮參數(shù)D1、D2和D3分別為0.01、0.1和0.5。設置好參數(shù)后,將材料賦予模型,并添加固定約束和施加載荷,對柔喙分別進行正壓測試和負壓測試,進而分析柔喙的彎曲變形情況[18]。

1) 正壓測試。對柔喙承受載荷的面賦予不同的氣壓并逐個求解。計算結果如圖5所示,圖5a)～圖5f)分別為壁厚1 mm充氣0.01 MPa、0.02 MPa、0.03 MPa、0.04 MPa、0.05 MPa和0.06 MPa時柔喙的變形狀況。從總應變圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著正壓的逐漸增大,柔喙的變形也逐漸增大,但是與此同時,柔喙產(chǎn)生的非理想變形也越來越大,當氣壓到達了0.06 MPa時,在圖5f)中可以看到1和2所標記處的非理想變形已經(jīng)特別明顯,影響了柔喙的正常夾取動作。

2) 負壓測試。給柔喙施加0.005 MPa的負壓,得到結果如圖6所示。

在-0.005 MPa壓力下,在圖6處的位置即出現(xiàn)了極大的收縮變形,說明柔喙的結構有待于進一步優(yōu)化。

綜上所述,基于正負壓測試的結果,發(fā)現(xiàn)柔喙存在的諸多問題:1)正壓下產(chǎn)生了過多的非理想形變;2)負壓的承載能力較弱,這也反映了柔喙結構有待改進。

2.3 結構優(yōu)化

由有限元分析可知,隨著壓強的逐漸增大,柔喙驅動端出現(xiàn)了非理想變形,極易造成柔喙的脫落,甚至飛出試驗臺。因此,考慮增加柔喙空腔的壁厚以減少非理想變形[19]。與此同時,對不同壁厚的柔喙分別做正壓測試,如圖7所示,相同氣壓的情況下,壁厚越小,指尖距越大。

圖7 不同壁厚柔喙指尖距的變化情況

為進一步測量柔喙的抓取范圍,分別進行不同壁厚的壓力測試,如圖8a)，圖8b)，圖8c)所示,隨著壁厚的增加,柔喙驅動端的非理想變形雖有一定的改善,但抓取力也相應減弱。如圖8d)，圖8e),在負壓的情況下,在圖示① ② 處會出現(xiàn)應力集中的情況。為解決上述問題,考慮將驅動端的空腔填充以減小非理想形變,并且將夾持端等壁厚設計成變壁厚的結構[20]。

圖8 不同壁厚有限元分析結果

改進前后的柔喙剖視圖如圖9所示,除了將驅動端薄壁進行了填充,夾取端之間指尖的變壁厚設計,考慮到制作的問題,還對通氣孔末端也進行了優(yōu)化,使得結構更顯得簡潔實用。

圖9 改進前后的結構對比圖

同樣,對改進后的結構進行壓力測試。如圖10a)所示,同樣在0.06 MPa的壓力下,優(yōu)化后的模型的不必要變形明顯減少。如圖10b)所示,在充入負壓時,基本不會出現(xiàn)非理想變形,且變形主要集中在指尖,從而實現(xiàn)柔喙的穩(wěn)定抓取。

圖10 優(yōu)化后模型有限元分析結果

3 試驗驗證

在對結構進行優(yōu)化之后,為對前述設計和仿真內容進行驗證,分別進行兩部分的試驗:1)柔喙彎曲變形試驗:測試柔喙的彎曲變形能力,并對運動仿真方法進行驗證;2)柔喙的抓取能力測試:驗證柔喙手指抓取的穩(wěn)定性。

3.1 柔喙彎曲變形試驗

為滿足試驗要求,搭建如圖11所示的試驗平臺。將柔喙安裝在測力支架的頂部,驅動端與導氣管連接,導氣管依次連接氣源、調壓閥、真空發(fā)生器、壓力表。通過調壓閥充入不同的壓力,用坐標紙記錄不同壓力下柔喙指尖距的變化情況如圖12所示。

圖11 試驗平臺

圖12彎曲變形試驗

經(jīng)過上述試驗,結果如圖13所示,總體看來,有限元分析的結果和試驗測試的結果誤差較小,在指尖距達到最大位移8.92 mm,與仿真結果10.06 mm相比,相對誤差為11.3%,驗證了仿真結果的準確性。造成仿真結果與試驗結果誤差的原因可能是:柔喙模具的結構參數(shù)同設計參數(shù)存在一定大小的誤差;試驗中的條件不能與仿真中設置的邊界條件完全一致;忽略了重力的作用。

圖13 有限元分析與試驗的結果對比

3.2 柔喙抓取能力測試

在進行彎曲特性試驗后,能夠確定柔喙的抓取范圍。為充分驗證柔喙的抓取能力,進一步進行抓取能力的測試[21],如圖14所示。首先將測力計的測力端與柔喙指尖接觸,然后將測力計的示數(shù)歸零,再給柔喙施加一定的負壓,勻速轉動上升裝置,讀取測力計所記錄的最大值[22],即可得到一定壓力下夾緊力的值。重復這個過程,得到柔喙抓取力的大小。

圖14 抓緊力測量試驗

通過更改氣壓值,獲取了一系列的值,并把試驗所獲取的數(shù)據(jù)記錄在表1中。

表1 不同氣壓下測力計示數(shù)

通過測力計,得到的是柔喙和金屬掛鉤間的滑動摩擦力,通過已有文獻可知,橡膠與鋼鐵的滑動摩擦因數(shù)為0.65～0.80之間,暫取摩擦因數(shù)為0.70,當壓力為-0.07 MPa時,柔喙所能抓取的物體的質量大約為0.175 kg,即175 g。

3.3 柔喙適應性試驗

柔喙設計的初衷旨在設計一種能夠抓取多種微型物體的柔性夾爪,對不同微型物體抓取的適應性,是衡量手爪抓取性能的重要指標。為了驗證柔喙的適應性,故選取表2所示的微型物體進行測試。

表2 微型物體參數(shù)

通過控制正負壓,用柔喙夾爪對上述微型物體進行適應性抓取試驗,如圖15展示了柔喙對不同微型物體的抓取,進一步說明了柔喙對于3C電子產(chǎn)品、珠寶產(chǎn)品、微型零部件等體積較小且形狀不規(guī)則的物體具有良好的適應性。

圖15 不同微型物體適應性試驗

4 結論

1) 基于鳥喙的結構,提出了仿鳥喙微型氣動軟體機械手爪的結構,并3D打印模具通過澆注成型進行了手爪的制備。

2) 通過超彈性材料的本構模型對手爪進行有限元分析,并在變壁厚以及驅動端填充方面對手爪進行優(yōu)化。通過優(yōu)化后手爪彎曲變形仿真,驗證了優(yōu)化后柔喙的合理性。

3) 通過彎曲變形試驗分析,并將其與仿真結果進行對比,驗證了仿真的有效性;通過抓取力測試試驗,驗證了柔喙抓取的穩(wěn)定性;通過適應性試驗,驗證了柔喙對體積較小形狀不規(guī)則的物體具有良好的適應性。