氣壓驅(qū)動(dòng)仿生柔性機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

于有河 李 建 周 燕 張釗萁

（北京工商大學(xué)，北京 100048）

0 引言

軟體機(jī)器人是從仿生學(xué)的角度，基于自然界中的生物，如大象、海星和章魚等設(shè)計(jì)出的一種具有連續(xù)變形結(jié)構(gòu)和高自由度的新型機(jī)器人。機(jī)器人的本體通常是利用柔性材料制作，通常認(rèn)為是楊氏模量低于人類肌肉的材料，一般有介電彈性體（DE）、離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料（IPMC）、形狀記憶合金（SMA）、形狀記憶聚合物（SMP）等。區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)，軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要取決于所使用的智能材料，根據(jù)響應(yīng)的物理量暫時(shí)分為幾類：電場(chǎng)、壓力、磁場(chǎng)、光、溫度、化學(xué)反應(yīng)。仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作涉及材料學(xué)、力學(xué)等多種學(xué)科，同時(shí)還與3D打印技術(shù)、傳感技術(shù)及智能新型材料驅(qū)動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，逐漸成為國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。

本文模擬章魚觸手運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款柔性機(jī)械臂。不同于常見軟體機(jī)器人采用柔性材料實(shí)現(xiàn)變形和多自由度，本設(shè)計(jì)采用多關(guān)節(jié)構(gòu)造，不同關(guān)節(jié)間采用不同方向的鉸鏈布局，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在不同方向的彎曲運(yùn)動(dòng)；多關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)變形可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)部分采用電磁閥控制的氣缸，利用氣體的可壓縮性實(shí)現(xiàn)部分柔性。機(jī)械臂末端安裝柔性仿生機(jī)械爪，從而使其能夠?qū)崿F(xiàn)物體的抓取。為了滿足氣動(dòng)軟體機(jī)器人的靈活利用以及多場(chǎng)景工作的需求，將柔性機(jī)械臂安裝在電驅(qū)動(dòng)小車上。

1 柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

1.1 機(jī)器人整體布局設(shè)計(jì)

本研究主要關(guān)注多自由度柔性機(jī)械臂和氣動(dòng)手爪，為了擴(kuò)大機(jī)械臂作業(yè)空間，其整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分布如圖1所示。

圖1 機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)示意

將其連接在一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)上，平臺(tái)為一遙控電動(dòng)小車，本文不作具體介紹。柔性機(jī)械臂和移動(dòng)平臺(tái)之間通過舵機(jī)和固定梁連接，氣動(dòng)手爪固定于機(jī)械臂末端。

作為核心部件的機(jī)械臂共有6個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)一致，串行連接。相鄰關(guān)節(jié)間有120°夾角。機(jī)械臂末端連接一氣動(dòng)機(jī)械爪，用于抓取物體。獨(dú)立關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械臂單個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 彎曲運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

每個(gè)獨(dú)立關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，當(dāng)氣缸內(nèi)部充氣時(shí)，活塞伸長(zhǎng)，使上層板繞合頁(yè)軸翻轉(zhuǎn)一定的角度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂向特定方向彎曲?；钊谐淘酱?，翻轉(zhuǎn)角度越大。由于各關(guān)節(jié)之間120°夾角放置，因此可實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向彎曲運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)關(guān)節(jié)一氣缸伸長(zhǎng)時(shí)，機(jī)械臂彎曲情況如圖3所示。其他關(guān)節(jié)彎曲情況類似。

圖3 機(jī)械臂關(guān)節(jié)一氣缸伸長(zhǎng)時(shí)示意圖

1.3 伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

伸縮運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是靠多個(gè)關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械臂共有6個(gè)獨(dú)立關(guān)節(jié)，相鄰關(guān)節(jié)成120°夾角，前3個(gè)關(guān)節(jié)與后3個(gè)關(guān)節(jié)間具有空間位置相似性。針對(duì)前3個(gè)關(guān)節(jié)（后3個(gè)關(guān)節(jié)類似），當(dāng)它們相對(duì)各自轉(zhuǎn)軸做合適的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)相互抵消，表現(xiàn)為空間直線運(yùn)動(dòng)，也就是機(jī)械臂的伸長(zhǎng)（同時(shí)會(huì)有徑向偏移，偏移尺寸較小，在此忽略）。前3個(gè)關(guān)節(jié)各旋轉(zhuǎn)特定角度時(shí)，機(jī)械臂變形情況如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂關(guān)節(jié)一、二、三伸長(zhǎng)時(shí)示意圖

1.4 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

由于機(jī)械臂各獨(dú)立關(guān)節(jié)間夾角均為120°，只能朝向特定角度彎曲。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂多向彎曲運(yùn)作，擴(kuò)大作業(yè)空間，團(tuán)隊(duì)為機(jī)械臂增加了回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。設(shè)計(jì)將機(jī)械臂安裝在舵機(jī)上，舵機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過89C51主控芯片控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度和角速度，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂轉(zhuǎn)向的控制?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，既增加了機(jī)械臂的自由度，又可以在某些情況下替代移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，完成搬運(yùn)操作，大大提高了工作效率。

圖5 舵機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.5 爪部設(shè)計(jì)

氣動(dòng)五指機(jī)械爪主要是利用中間一系列的連桿鉸鏈配合，將小型氣缸的氣缸桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械爪的抓取運(yùn)動(dòng)。當(dāng)氣缸桿向外部伸長(zhǎng)時(shí)，機(jī)械爪呈張開形式；當(dāng)氣缸桿向內(nèi)收縮時(shí)，機(jī)械爪呈抓握形式。機(jī)械爪的抓取角度取決于氣缸桿的伸縮長(zhǎng)度，圖6展示了機(jī)械爪放松與抓取時(shí)的狀態(tài)。

圖6 氣動(dòng)機(jī)械爪兩種狀態(tài)

2 柔性機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 常用驅(qū)動(dòng)方式比較

2.1.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，或者通過諸如減速的機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，以完成所需的位置、速度、加速度或其他指標(biāo)。該方式具有環(huán)保、整潔、控制方便、運(yùn)動(dòng)精度高、維護(hù)成本低和驅(qū)動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)。使用的電機(jī)有4種類型：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和線性電機(jī)。

2.1.2 液壓驅(qū)動(dòng)方式

液壓驅(qū)動(dòng)器使用液體作為介質(zhì)來(lái)傳遞力，并使用液壓泵使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)模式是成熟的驅(qū)動(dòng)模式，它具有易于控制的壓力和流量、高剛性、不可壓縮的液壓油、簡(jiǎn)單穩(wěn)定的調(diào)速、方便的操作和控制以及廣泛的無(wú)級(jí)調(diào)速（調(diào)速范圍高達(dá)2000:1）等特點(diǎn)，并且使用較小的驅(qū)動(dòng)力或扭矩便可獲得更大的動(dòng)力。然而，由于流體流動(dòng)阻力、溫度變化、雜質(zhì)、泄漏等的影響，工件的穩(wěn)定性和定位精度不準(zhǔn)確，并且還會(huì)造成環(huán)境污染，增加了維護(hù)技術(shù)要求。因此，該方式經(jīng)常用于需要較大輸出力和低運(yùn)動(dòng)速度的場(chǎng)合。在電驅(qū)動(dòng)技術(shù)成熟之前，液壓驅(qū)動(dòng)是使用最廣泛的驅(qū)動(dòng)方法[2]。

2.1.3 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器使用空氣作為工作介質(zhì)，并使用氣源發(fā)生器將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器完成預(yù)定的運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)具有節(jié)能簡(jiǎn)單、時(shí)間短、動(dòng)作快、柔軟、重量輕、產(chǎn)量/質(zhì)量比高、安裝維護(hù)方便、安全、成本低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于空氣的可壓縮性，要實(shí)現(xiàn)高精度、快速響應(yīng)的位置和速度控制并不容易，而且還會(huì)降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的剛性。

2.2 彎曲與伸縮關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)

近年來(lái)，人們已經(jīng)利用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的靈活性來(lái)開發(fā)在康復(fù)、護(hù)理和協(xié)助方面與人類協(xié)作的機(jī)器人[3]。本文研究設(shè)計(jì)的仿生柔性機(jī)械臂要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、便于攜帶、易于拆卸，且對(duì)位置和速度精度要求較高。綜合以上3種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合仿生柔性機(jī)械臂的實(shí)際情況，本研究選擇氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。驅(qū)動(dòng)部分主要構(gòu)成包括氣泵、管路、氣缸與電磁閥。

氣泵，即“空氣泵”，從一個(gè)封閉空間排除空氣或從封閉空間添加空氣的一種裝置。氣泵種類繁多，而本設(shè)計(jì)只需采用微型氣泵即可滿足要求。微型氣泵是指體積小巧，工作介質(zhì)為氣態(tài)，主要用于氣體采樣、氣體循環(huán)、真空吸附、真空保壓、抽氣、打氣、增壓等的氣體輸送裝置[4]。微型氣泵的優(yōu)點(diǎn)：體積小巧、噪聲小、功耗小、易于操作、便于攜帶、免維護(hù)、可24 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，還允許介質(zhì)富含水汽。最重要的是，微型氣泵是干式、無(wú)油的，無(wú)須真空泵油或潤(rùn)滑油，所以不會(huì)污染工作介質(zhì)，不會(huì)干擾對(duì)介質(zhì)的分析，而且價(jià)格相對(duì)便宜得多。

為了使結(jié)構(gòu)在抓取重物或受自身重力的影響時(shí)不會(huì)發(fā)生形變、能夠恢復(fù)原狀，需要結(jié)構(gòu)之間是剛性連接，同時(shí)驅(qū)動(dòng)部分也要滿足在抓取物體時(shí)能夠使結(jié)構(gòu)彎曲伸縮到達(dá)指定位置，在抓取物體后能夠使變形部分通過驅(qū)動(dòng)部分恢復(fù)原狀。因此，設(shè)置氣缸為驅(qū)動(dòng)部分，當(dāng)抓取物體時(shí)，進(jìn)氣口打開，出氣口封閉，由于氣缸內(nèi)部氣壓比氣缸外部氣壓大，活塞向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)恢復(fù)原狀時(shí)，進(jìn)氣口封閉，出氣口打開，活塞由于氣缸外部氣壓大于氣缸內(nèi)部氣壓而使活塞向下運(yùn)動(dòng)。

電磁閥選用兩位三通先導(dǎo)式電磁閥。將氣泵通過氣管與電磁閥連接，再將電磁閥通過氣管與氣缸連接。使用控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)氣泵和電磁閥的啟動(dòng)與停止，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，氣泵啟動(dòng)，電磁閥導(dǎo)通。機(jī)械臂每節(jié)由單獨(dú)的氣缸控制，每個(gè)電磁閥分別由一個(gè)開關(guān)控制，通過氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)使機(jī)械臂張開以實(shí)現(xiàn)彎曲，彎曲角度的大小取決于兩個(gè)活塞向上運(yùn)動(dòng)的行程。氣缸在機(jī)械臂上呈螺旋式每節(jié)相隔120°排列從而實(shí)現(xiàn)多角度彎曲。氣管分布在機(jī)械臂周圍，以便于機(jī)械臂靈活運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂頭部裝有一個(gè)氣動(dòng)手爪，當(dāng)機(jī)械臂到達(dá)被抓取物體附近時(shí)，氣動(dòng)手爪張開，抓取物體，通過氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)、舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到所要求的位置，然后氣動(dòng)手爪打開，將物體放在相應(yīng)位置處。

2.3 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)種類繁多，本設(shè)計(jì)用了較為常見的兩種電機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合實(shí)際情況選出最佳方案。

直流電機(jī)是依靠直流工作電壓運(yùn)行的電機(jī)，廣泛應(yīng)用于收錄機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)、自動(dòng)剃須刀、電吹風(fēng)、電子表、玩具等。直流電機(jī)具有調(diào)速性能好、啟動(dòng)容易、能夠載重啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，所以目前直流電機(jī)的應(yīng)用仍然很廣泛，尤其是在可控硅直流電源出現(xiàn)以后。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。步進(jìn)電機(jī)主要應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域，由于步進(jìn)電機(jī)能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移，所以是理想的執(zhí)行元件。

根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，采用兩相交流86 mm步進(jìn)電機(jī)。

3 結(jié)論與展望

本文介紹了一種氣動(dòng)仿生柔性機(jī)械臂的設(shè)計(jì)，主體機(jī)械臂結(jié)構(gòu)采用多關(guān)節(jié)構(gòu)造，不同關(guān)節(jié)間采用不同方向的鉸鏈布局，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在不同方向的彎曲運(yùn)動(dòng)；多關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)變形可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)部分采用電磁閥控制的氣缸，利用氣體的可壓縮性實(shí)現(xiàn)部分柔性。機(jī)械臂末端安裝氣動(dòng)機(jī)械手爪，從而使其能夠?qū)崿F(xiàn)物體的安全抓取。本設(shè)計(jì)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)，但設(shè)計(jì)精度及自動(dòng)化程度不高，下一步研究將集中在這兩個(gè)方面。