一種結(jié)構(gòu)解耦型變剛度驅(qū)動軟體手抓握能力分析

尹海斌 陶 鑒 李 騫 周 佳

1.數(shù)字制造湖北省重點(diǎn)實驗室，武漢，430070 2.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，武漢，430070

0 引言

機(jī)器人要完成預(yù)定的工作任務(wù)，一般需要一個末端執(zhí)行器(機(jī)械手)，從這點(diǎn)上來講，大量應(yīng)用于機(jī)器人技術(shù)中的機(jī)械手具有重要的作用。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)機(jī)械手主要是針對特定作業(yè)環(huán)境和操作對象而設(shè)計的剛性機(jī)械手，缺乏適應(yīng)性和安全性[1]，不能滿足機(jī)器人高性能的需求。軟體機(jī)械手的研究符合新一代機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢，具有重要的科學(xué)價值和意義。

但是，也正是因為軟體機(jī)械手容易變形而存在剛度不足或出力不夠的問題。為充分利用軟體機(jī)械手的適應(yīng)性優(yōu)點(diǎn)，需研究其剛度不足等問題的解決方法，因此，研究軟體機(jī)械手的變剛度驅(qū)動原理或方法具有重要的科學(xué)意義和工程實踐的價值。國內(nèi)外學(xué)者對軟體機(jī)械手的變剛度驅(qū)動進(jìn)行了大量的針對性研究。查閱已發(fā)表的文獻(xiàn)，根據(jù)變剛度與變形驅(qū)動的實現(xiàn)方式可歸納為如下4類：

(1)不對稱受力變形驅(qū)動。該類研究的特點(diǎn)是軟體由在不對稱結(jié)構(gòu)或不對稱作用力(統(tǒng)稱“不對稱受力”)下產(chǎn)生的變形驅(qū)動。LOW等[2]研究了氣壓驅(qū)動的非對稱結(jié)構(gòu)軟體手指抓握物體的情況，指出多根軟體手指將物體纏繞可以抓緊一定重量物體。王超[3]采用電機(jī)收放繩索產(chǎn)生不對稱力，驅(qū)動仿象鼻軟體產(chǎn)生彎曲變形。氣體驅(qū)動需要泵站打壓，繩驅(qū)動需要電機(jī)拖放，這些方法存在整體驅(qū)動功率密度低的問題。李健等[4]研究了形狀記憶合金(SMA)直接電驅(qū)的仿象鼻軟體機(jī)械手，指出SMA具有較大驅(qū)動力，提高了軟體機(jī)械手的驅(qū)動功率密度。不對稱受力可變形驅(qū)動軟體，但實際中的軟體機(jī)械手還需要剛度可變，以適應(yīng)不同的環(huán)境。

(2)對稱受力變形驅(qū)動與變剛度。這類機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是不僅可以變形驅(qū)動還可以變剛度驅(qū)動。當(dāng)對稱力作用于變結(jié)構(gòu)時，它屬于等張力變形驅(qū)動；當(dāng)對稱力作用于不變結(jié)構(gòu)時，它屬于等長變剛度。上述兩種情況統(tǒng)稱為拮抗控制[5]。第一種情況與流體驅(qū)動的非對稱結(jié)構(gòu)彎曲變形本質(zhì)上是一致的，但拮抗控制中的變形驅(qū)動是可逆的，能讓關(guān)節(jié)在對稱中心兩邊一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。手指關(guān)節(jié)不需要對稱驅(qū)動，因此，為了提高驅(qū)動材料變形的利用率，軟體手指關(guān)節(jié)的驅(qū)動控制一般不用拮抗控制方式。拮抗控制的第二種情況可以幫助理解變剛度的方法，理解如下：當(dāng)流體壓力作用于一個對稱的軟體型腔時，壓力的調(diào)整可以改變軟體型腔的剛度。如HART等[6]在柔軟的纖維內(nèi)嵌入SMA，并通過調(diào)整SMA張力來控制纖維剛度，這一方法中，SMA的長度基本不變，整個纖維體結(jié)構(gòu)沒有變化，屬于等長調(diào)整張力變剛度。

(3)材料特性變剛度。除了調(diào)整軟體材料內(nèi)的張力可以控制其剛度外，還可以通過調(diào)整材料內(nèi)其他特性來實現(xiàn)剛度控制。PETTERSSON等[7]利用磁場能作用軟體內(nèi)磁流變液體介質(zhì)使其黏度可調(diào)的原理，設(shè)計了軟體剛度可控的機(jī)械手爪。SHINTAKE等[8]針對受熱的低熔點(diǎn)合金可在固態(tài)與液態(tài)之間轉(zhuǎn)變的機(jī)理，研究了介電彈性體與低熔點(diǎn)合金組合的可變剛度軟體驅(qū)動器(VSDEA)。另外，還有一種廣泛應(yīng)用的形狀記憶高分子(SMP)材料，通過控制溫度改變材料內(nèi)部相組織來調(diào)節(jié)控制剛度[9]。YAMANO等[10]利用形狀記憶凝膠(SMG)構(gòu)建了變剛度的軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)，通過改變SMG材料的相組織來實現(xiàn)剛度控制。這些低熔點(diǎn)金屬或凝固態(tài)物質(zhì)可以實現(xiàn)變剛度控制，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，但是它們存在拉伸強(qiáng)度不夠的問題，因此，利用這類材料時通常需要其他材料作為封裝固化環(huán)境。上述纖維內(nèi)嵌SMA中通過張力調(diào)整實現(xiàn)變剛度其實也是通過材料的相組織變化導(dǎo)致彈性模量的變化來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度變化，其中SMA具有很高的拉伸強(qiáng)度。只有變剛度結(jié)構(gòu)，不能形成驅(qū)動，需考慮變剛度機(jī)構(gòu)與變形驅(qū)動的配合。

(4)解耦型變剛度與變形驅(qū)動。利用獨(dú)立的材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)變形驅(qū)動和變剛度控制，它們在結(jié)構(gòu)上是獨(dú)立解耦的，組合后可以實現(xiàn)變剛度與變形驅(qū)動，被稱為結(jié)構(gòu)解耦型變剛度與變形驅(qū)動。實現(xiàn)變剛度與變形驅(qū)動的方式有多種，所以組合成結(jié)構(gòu)解耦型變剛度驅(qū)動控制方法也有多種。HAO等[11]采用氣動肌肉與低熔點(diǎn)合金分別實現(xiàn)變形驅(qū)動與變剛度控制，設(shè)計了一款變剛度軟體手；WEI等[12]采用氣動肌肉與SMP實現(xiàn)了軟體手的變剛度抓取。這些方法雖然在結(jié)構(gòu)上解耦實現(xiàn)了變剛度與變形驅(qū)動，但是氣動肌肉在變形驅(qū)動時會伴隨產(chǎn)生微小的剛度變化。LI等[13]采用兩種SMA材料分別實現(xiàn)了軟體手指的變剛度與變形驅(qū)動，驅(qū)動特性與剛度特性在結(jié)構(gòu)上是完全解耦的。

上述文獻(xiàn)只研究了材料的力學(xué)特性，初步設(shè)計了相應(yīng)軟體手指的實驗裝置，實現(xiàn)了變剛度驅(qū)動。目前需要進(jìn)一步研究增大變剛度范圍的其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也需要進(jìn)一步研究軟體機(jī)械手變剛度驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計方法和對應(yīng)的抓握能力。

1 手指指尖力模型

圖1是軟體手指尖抓握物體的示意圖與任一手指的坐標(biāo)圖。軟體手的受力狀態(tài)在三維空間中進(jìn)行描述：三根手指沿Y軸方向上的摩擦力共同承擔(dān)指尖所抓握物體的重力，在抓握平面上三根手指指尖對所抓握物體表面的正壓力矢量之和為0。根據(jù)力平衡原理，抓握操作可以描述為

(a)指尖抓握示意圖 (b)任一手指坐標(biāo)圖圖1 軟體手指尖抓取Fig.1 Fingertip grasping of soft hand

(1)

(2)

式中，F(xiàn)mg為被抓物體的重力；FYi、FXi為第i個手指分別受到的Y向和X向作用力。

式(2)表示抓握時多個手指水平方向分力應(yīng)滿足力封閉條件。滿足該條件時，能抓握起來的物體重力Fmg為軟體手的抓握力。

對于第i個手指，如果被抓物體表面在與手指指間接觸點(diǎn)處的法線與X軸平行，那么，F(xiàn)Xi是指尖力，由滑動摩擦知，F(xiàn)Yi=μFXi。如果被抓物體表面在與手指接觸點(diǎn)處的法線與X軸成φ角，那么，F(xiàn)Ni是指尖力，由滑動摩擦知，F(xiàn)fi=μFNi，且FXi=FNisinφ-μFNicosφ，F(xiàn)Yi=FNicosφ+μFNi·sinφ。由此可知，只要能夠確定接觸點(diǎn)的指尖力及摩擦因數(shù)，手指的抓握力就可以確定。

1.1 手指指尖力模型

為了計算手指的指尖力，需要給定被抓物體表面曲線方程H(X，Y)。在力矩Td的作用下，手指與物體接觸產(chǎn)生的指尖力與X軸平行，這個過程可建立指尖力模型。

圖2所示為軟體手指的坐標(biāo)系，OXY是與底座固定的全局坐標(biāo)系，oxy是手指中任一點(diǎn)的局部坐標(biāo)系。手指中任一點(diǎn)由參數(shù)s表征，表示o點(diǎn)到O點(diǎn)的未伸長度。手指上任一點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中表示為r(s)，附在手指任一點(diǎn)的局部坐標(biāo)oxy相對全局坐標(biāo)OXY旋轉(zhuǎn)了角度θ(s)。根據(jù)運(yùn)動學(xué)可知：

r′(s)=(sinθ,cosθ)T

(3)

(a)手指整體受力圖 (b)局部受力、力矩圖圖2 坐標(biāo)系內(nèi)的手指受力、力矩圖Fig.2 Force and moment balance of finger in coordinate system

如圖2b所示，從a到s的一段手指中任一點(diǎn)的位置變量為ξ，任一點(diǎn)的集中力和力矩表示為u和m，該段手指上的分布力和力矩記為f和t。由力和力矩平衡，可得靜力學(xué)方程：

u′(s)+f(s)=0

(4)

m′(s)+r′(s)×u(s)+t(s)=0

(5)

手指不受分布力矩作用，t=0，考慮任一點(diǎn)的彎矩與角度的關(guān)系，可得本構(gòu)方程：

m(s)=EIθ′(s)

(6)

式中，EI為等效剛度。

手指重力為分布力，記f(ξ)=(0，-ρAgξ)(ρ為等效密度；A為等效橫截面積；g為重力加速度)。手指與物體接觸力為集中力u(L)=[FXFY]，由式(4)可得

(7)

式中，L為手指長度。

由式(3)～式(7)可得

(8)

為了求解上述微分方程，給定邊界條件如下：

(9)

式中，F(xiàn)d為軟體手指的驅(qū)動力；hSMA為軟體手指與軟體手指骨架中性面的距離。

在手指彎曲力矩作用下，可以計算手指的彎曲變形和抓握時的受力情況，包括手指指尖力FX。

1.2 手指指尖力實驗結(jié)果分析

手指的具體結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[14]，此外，手指參數(shù)中等效密度ρ、等效橫截面積A以及等效剛度EI如表1所示，由已知的手指結(jié)構(gòu)參數(shù)即可計算指尖力。為了驗證上述理論模型與計算結(jié)果的正確性，實驗測試了手指指尖力。實驗平臺及原理如圖3所示。根據(jù)SMA-3驅(qū)動規(guī)律通電，SMA-3纖維的彈性模量24，37，47 GPa對應(yīng)通電電流分別為0，0.7，1.0 A。SMA-2纖維U形嵌入手指的外一端固定在傳感器1上，通電會收縮變形。兩個力傳感器分別測量指尖力FX和驅(qū)動力Fd。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料參數(shù)Tab.1 Structural and material parameters

(a)實驗裝置 (b)實驗原理圖3 指尖力實驗Fig.3 Experimental of fingertip force

手指長度L應(yīng)為關(guān)節(jié)間距l(xiāng)SMA的整數(shù)倍，因此當(dāng)手指長度為80 mm且末端發(fā)生接觸時，手指與接觸物體在X方向的距離為30 mm時手指指尖力的計算結(jié)果如圖4所示。在剛度一定時，指尖力隨著驅(qū)動力的增大而增大；最大指尖力隨著剛度的增加而增大。仿真計算結(jié)果顯示，SMA-3的彈性模量E3從24 GPa增大到47 GPa，最大指尖力從0.65 N增大到0.98N，增大了50.8%。

圖4 變長度的雙股和四股SMA-2纖維驅(qū)動手指指尖力結(jié)果Fig.4 Results of grasping force of finger actuated by two-ply fiber and four-ply fiber with various SMA-2 length

圖4中的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)為實驗測試數(shù)據(jù)。由于SMA-2纖維的應(yīng)變小于4%，故需要足夠的纖維長度才能獲得足夠的變形來驅(qū)動手指彎曲。如圖4所示，前面三個圖分別采用了三種不同長度的驅(qū)動纖維，驅(qū)動纖維的長度增大能夠增大手指的抓握力，但是驅(qū)動纖維長度增大到一定極限(1000 mm)后，手指的抓握力不會再繼續(xù)增大；手指最大的抓握力保持在0.65 N左右，不能體現(xiàn)變剛度的作用。這是因為驅(qū)動纖維的收縮變形量不僅與長度有關(guān)，還與其負(fù)載有關(guān)。為了進(jìn)一步增大手指的抓握力，采用雙U形SMA-2纖維嵌入手指，降低每根纖維的負(fù)載，保證它足夠的收縮變形。圖4中后面兩個圖的實驗數(shù)據(jù)顯示，多股纖維驅(qū)動能夠進(jìn)一步增大手指抓握力。當(dāng)采用雙U形驅(qū)動纖維的長度為1000 mm時，E3=47 GPa下的手指最大的抓握力增大到0.8 N；當(dāng)其長度增大到1100 mm時，E3=37 GPa下的手指最大的抓握力能達(dá)0.98 N，而且抓握力的測試數(shù)據(jù)變得更加容易分辨。這說明多股驅(qū)動纖維不僅可以提高驅(qū)動能力，而且能夠?qū)Ⅱ?qū)動力的非線性變得更加平緩，易于分辨與測試。

手指抓握力實驗?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)理論預(yù)測的規(guī)律，而且能夠證明理論模型和計算具有一定的預(yù)測精度。本文基于手指抓握力模型對軟體手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計并對抓握力進(jìn)行研究。

2 軟體手結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的軟體手具有三根手指，其整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。每根手指由球形指甲、支架、變剛度骨架SMA-3和驅(qū)動SMA-2組成[14]。軟體手最上端為手掌，手掌左側(cè)布置了兩根長度為L1且結(jié)構(gòu)相同的小指，小指之間的距離e=40 mm，右側(cè)布置了一根長度為L2的大指。小指和大指與Y軸正向的夾角分別為θ1和θ2，其延長線交于Q點(diǎn)，夾角滿足β=θ1+θ2。以小指的指根位置建立平面坐標(biāo)系原點(diǎn)O，那么大指的指根位置坐標(biāo)為P(XP，YP)，而交點(diǎn)Q與大指、小指之間的距離LQO、LQP可表示為

(a)正視圖 (b)側(cè)視圖圖5 軟體手的設(shè)計模型Fig.5 Designed model of soft robot hand

(10)

由式(10)可知，XP、YP、θ1、θ2這4個參數(shù)值可用于描述軟體手的整體結(jié)構(gòu)尺寸，其中XP定為50 mm。

圖6所示為軟體手指尖力作用點(diǎn)與驅(qū)動力之間的關(guān)系，手指在自然伸長狀態(tài)a時，當(dāng)受到驅(qū)動力Fd1時剛好發(fā)生接觸，如b，此時指尖力為0，作用點(diǎn)位置為Y1，當(dāng)增大驅(qū)動力，手指繼續(xù)彎曲，指尖向上滑動，如c，不斷增大驅(qū)動力，直到手指脫離接觸，可得到一組FXi與Yi之間的對應(yīng)模型，該模型同樣可由式(8)和式(9)給出。圖7所示為大小手指長度分別為100 mm和80 mm，傾角θ1、θ2均為25°時一組指尖力位置關(guān)系。在手指SMA-3纖維剛度從24 GPa到47 GPa之間變化時，小指的抓取域U1和大指的抓取域U2可定義為

圖6 軟體手指指尖力作用點(diǎn)與驅(qū)動力變化關(guān)系Fig.6 Relationship between torque and action point

圖7 指尖力與作用點(diǎn)關(guān)系Fig.7 Relationship between fingertip force and action point

(11)

(12)

式中，F(xiàn)ds1為E3=47 GPa時小指的驅(qū)動力；Fds2為E3=24 GPa時小指的驅(qū)動力；Fdb1為E3=47 GPa時大指的驅(qū)動力；Fdb2為E3=24 GPa時大指的驅(qū)動力。

U1和U2的重合度越好，抓取軟體手力學(xué)性能越強(qiáng)，重合度T可定義為

由前面的分析可知，軟體手系統(tǒng)設(shè)計的要素在于強(qiáng)化軟體手抓握性能，也就是重合度T。在邊界條件的設(shè)置下通過迭代優(yōu)化得到全局最大重合度及此重合度下的設(shè)計變量最優(yōu)值。設(shè)計變量需考慮大小手指的長度以及手指與手掌間的夾角，另外還考慮了手指與手掌的位置關(guān)系，因此設(shè)計變量為

(L1，L2，θ1，θ2，YP)

(13)

優(yōu)化目標(biāo)為

submax=T{L1，L2，θ1，θ2，YP}

(14)

結(jié)合實際進(jìn)行分析，軟體手的設(shè)計過程中還需要滿足以下要求：①大指抓握力約為小指的2倍(力封閉)；②θ1+θ2為45°左右(仿人手結(jié)構(gòu))；③考慮驅(qū)動性能的限制，大指的指尖力不大于1.2 N(驅(qū)動力限制)；④手指長度均為20 mm的整數(shù)倍，且實際長度不宜偏離人手指過多。將以上要求通過數(shù)學(xué)式表達(dá)為

(15)

圖8為優(yōu)化計算的流程圖，初始條件下大指小指長度均為60 mm、傾角為0°，計算此時的手指抓握域并判斷指尖力是否分別滿足FN1≤1.2 N，F(xiàn)N2≤1.2 N，不滿足時增大傾角θ1，當(dāng)θ1增大時指尖力逐漸減小。滿足條件后再判斷是否均滿足條件|FN1-2FN2|<0.1 N，40°≤θ1+θ2≤50°。當(dāng)同時滿足以上約束條件時，經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整，計算得到此時的重合度T并與記錄的TM進(jìn)行比較，更替更大的T并記錄此時的手指選型。不滿足時不斷更替小指的傾斜角θ2以及長度，計算所有小指可能的情況之后，對大指進(jìn)行重新迭代，直到計算所有情況并得到最大重合度T。

圖8 優(yōu)化計算流程圖Fig.8 Optimization flow chart

將流程圖編入到MATLAB程序中進(jìn)行計算，得到重合度T的迭代結(jié)果，如圖9a所示，對應(yīng)的最優(yōu)指尖力模型如圖9b所示。10次迭代計算之后重合度取最大值0.954，此時小指的長度為100 mm，傾斜角θ1=35°，大指長度為80 mm，傾斜角θ2=15°，大指指根沿著Y正方向移動11 mm，即P點(diǎn)坐標(biāo)為(50，11)mm，LQP和LQO分別為62 mm和59.6 mm。依據(jù)圖5所示模型及優(yōu)化結(jié)果，制作了圖9c所示的軟體手樣機(jī)。

(a)最大重合度計算

(b)指尖力最優(yōu)模型

(c)軟體手樣機(jī)圖9 優(yōu)化結(jié)果Fig.9 Optimization result

軟體手樣機(jī)的驅(qū)動SMA-2通電收縮，軟體手指相應(yīng)彎曲，實現(xiàn)包裹物體而抓取，由于不同重量物體需要不同抓握力，故還需要軟體手的變剛度骨架SMA-3在通電狀態(tài)下實現(xiàn)變剛度，這樣軟體手就能夠?qū)崿F(xiàn)變剛度抓取。

3 軟體手的抓握力

圖10為指腹抓取的抓握力示意圖，當(dāng)手指腹部與截面為圓形、質(zhì)量為mg的被抓物體接觸時，接觸面產(chǎn)生指向圓心的正壓力FN(下標(biāo)L表示小指，R為大指)以及與正壓力垂直的摩擦力Ff，所有手指正壓力與摩擦力在垂直方向分力的合力即為抓握力Fg，抓握力與物體重力平衡。與指尖力接觸相比，指腹抓取的抓握力同時受到正壓力和摩擦力的影響，因此數(shù)值上會更大，此外其接觸形式也更加復(fù)雜，這導(dǎo)致傳統(tǒng)的分析方法難以預(yù)測指腹抓握力大小，本文選用ABAQUS軟件對抓握力進(jìn)行建模分析。

圖10 指腹抓取示意圖Fig.10 Grasping of finger pulp

3.1 抓握力仿真分析

在對抓握力進(jìn)行仿真分析之前，首先對仿真變量進(jìn)行確定。除等效剛度EI和驅(qū)動力Fd會對抓握力產(chǎn)生較大影響外，被抓物體在Y方向移動過程中，接觸表面的變化也會導(dǎo)致抓握力的改變，因此被抓物體Y方向位置的變化量ΔY也是仿真變量。

與指尖力一致，分別選取E=24，37，47 GPa進(jìn)行仿真。對于驅(qū)動力的選擇，由于圖4中的指尖力實驗結(jié)果中單股驅(qū)動SMA長度1000 mm時驅(qū)動力不超過5 N，因此驅(qū)動力矩Td的最大值不應(yīng)超過40 N·mm。表2所示為仿真中剛度和驅(qū)動力的具體對照關(guān)系。三組剛度下縱向比較驅(qū)動力存在一個4 N·mm的梯度差，這可以使驅(qū)動力的仿真具有一個更大的對比范圍。

表2 仿真力矩參數(shù)Tab.2 Torque parameters of simulation

將手指簡化成彈性桿，并根據(jù)表1中的軟體手指尺寸參數(shù)計算其等效剛度。被抓物體圓形坐標(biāo)P在Y方向不同位置的仿真結(jié)果如圖11所示，被抓物體為直徑60 mm的殼體，其圓心坐標(biāo)為(25 mm，Yi)，Yi表示被抓物體在Y方向變化。在圖11a中，被抓物體上表面剛好不與手掌接觸，此時圓心坐標(biāo)為(25，34)mm，圖11d中，被抓物體剛好與手指不脫離，此時圓心坐標(biāo)為(25，94)mm，圖11b和圖11c則為Y=54 mm和Y=74 mm時的中間狀態(tài)。從Y=34 mm到Y(jié)=94 mm之間，依據(jù)2 mm的間隔一共被分為31等份計算其抓握力，得到被抓物體從Y=34 mm到Y(jié)=94 mm移動過程中抓握力變化關(guān)系，如圖12所示。

(a)Y=34 mm (b)Y=54 mm (c)Y=74 mm (d)Y=94 mm圖11 抓握力仿真Fig.11 Simulation of grasp force

(a)E=24 GPa

(b)E=37 GPa

(c)E=47 GPa圖12 軟體手抓握力模型Fig.12 Grasp force model of soft hand

圖12中，摩擦因數(shù)為實際測得，統(tǒng)一取0.35。ΔY=0即Y=34 mm時的仿真點(diǎn)，ΔY從0～60 mm變化用于描述Y從34～94 mm的過程。在三種不同剛度下，抓取力均呈先增大后減小的趨勢。ΔY在30 mm附近時達(dá)到最大值1.716 N、1.75 N和1.895 N，之后逐漸降低到0，當(dāng)剛度增大時，驅(qū)動力對抓握力的增幅減小，但手指剛度大時手指承受較大驅(qū)動力時不會發(fā)生變形。

3.2 抓握力實驗

圖13所示為驗證指腹抓握力模型正確性所設(shè)計的實驗平臺。在手指結(jié)構(gòu)內(nèi)部，三根手指的驅(qū)動SMA-2絲末端均與1 kg量程的驅(qū)動力傳感器相連接，通過PID控制驅(qū)動電流的大小對傳感器測量的驅(qū)動力進(jìn)行反饋控制。抓握力的測量則通過布置在軟體手上端和被抓物體下端的抓握力傳感器1和抓握力傳感器2實現(xiàn)，本實驗中，軟體手和抓握力傳感器1固定在實驗平臺上方，在測量過程中始終保持恒定。被抓物體和測力傳感器2固定在垂直位移計上，通過調(diào)節(jié)垂直位移計可以控制被抓物體垂直向下緩慢勻速移動。以軟體手小指的指根O為坐標(biāo)系原點(diǎn)，被抓物體中心坐標(biāo)(X，Y)沿著Y軸移動時，可以通過抓握力傳感器測量此時軟體手的抓握力和位移計測量對應(yīng)的位移值。圖14所示為抓握狀態(tài)與相對位移的關(guān)系，其中相對位移0，20，40，60 mm分別對應(yīng)Y軸的34，54，74，94 mm。

(a)實驗原理 (b)實驗裝置圖13 抓握力測量實驗Fig.13 Experimental for grasping force measurement

(a)ΔY=0 (b)ΔY= (c)ΔY= (d)ΔY= 20 mm 40 mm 60 mm圖14 抓握狀態(tài)與相對位移關(guān)系Fig.14 Relationship between grasping state and relative displacement

由于抓握力傳感器1測量時存在一個較大的初始值(軟體手自重)，而抓握力傳感器2在測量過程中被抓物體的波動會影響傳感器測量精度，且傳感器1和傳感器2測量的對象為一組支反力，因此可以通過同時比較傳感器1和傳感器2的測量結(jié)果來判斷實驗測量的準(zhǔn)確性，圖15所示為手指SMA-3絲剛度為37 GPa、驅(qū)動力矩為28 N·mm時的測量結(jié)果，兩個傳感器的最大差異為0.03 N。

圖15 傳感器測量結(jié)果對比Fig.15 Comparison of sensor measurement results

在圖16所示的仿真模型中，每組剛度分別選取一組對應(yīng)下的驅(qū)動力矩，調(diào)節(jié)實驗裝置中的位移計，使被抓物體圓心從Y=34 mm到Y(jié)=94 mm之間移動，得到三組仿真與實驗的對照結(jié)果。抓握力實驗測量與仿真結(jié)果僅在ΔY=30 mm附近吻合，并且在ΔY>30 mm時誤差恒定。分析認(rèn)為這種恒定的誤差形式來自于摩擦力，即仿真中摩擦力為動摩擦，而實際中，其摩擦形式為靜摩擦甚至無摩擦，從而導(dǎo)致實驗測得的抓握力普遍小于仿真值。

(a)E=24 GPa，Td=16 N·mm

(b)E=37 GPa，Td=24 N·mm

(c)E=47 GPa，Td=32 N·mm圖16 仿真與實驗結(jié)果對比Fig.16 Comparison of simulation and experiment

基于以上猜想，本文進(jìn)行了一組摩擦因數(shù)μ=0的抓握力仿真，如圖16所示，實驗中抓握力和μ=0仿真在ΔY>30 mm區(qū)間吻合。這表明：當(dāng)ΔY>30 mm時，軟體手的抓取形式為手指頭和圓柱物體的面接觸，此時為無摩擦模型；當(dāng)ΔY≤30 mm時，軟體手的抓取形式為指腹的包裹抓取，其抓取力為指腹和圓柱體貼合處產(chǎn)生的分布力，此時接觸力為無摩擦或微量摩擦。整體來看，實驗測量的抓握力在指腹抓取和指尖抓取時摩擦力均很小，而在兩種抓取狀態(tài)切換時，摩擦力急劇增大，最大可與μ=0.35模型吻合。實驗結(jié)果與μ=0以及μ=0.35模型的貼合可以證明μ=0仿真模型的準(zhǔn)確性，但是在實際抓取過程中，軟體手和被抓物體之間存在相對運(yùn)動，μ=0.35仿真模型能否預(yù)測此時抓握力的大小還需進(jìn)一步驗證。圖16中的離散點(diǎn)即為動態(tài)抓取的驗證結(jié)果，其原理如圖17a所示，圖17b所示為其中質(zhì)量為mi時的抓取狀態(tài)。首先給被抓物體一定質(zhì)量m1，將它放在ΔY=0的位置，通電時緩慢放落，待被抓物體被抓緊時測量其墜落位移ΔY1，之后在圖17b所示的被抓物體蜂巢中添加螺釘以增加質(zhì)量Δm，被抓物體繼續(xù)下落，待它穩(wěn)定時測量此時的位移ΔY2，依次增加被抓物體質(zhì)量，直到軟體手無法承托，被抓物體脫離。將被抓物體質(zhì)量換算為抓握力，圖16中的動態(tài)抓取離散點(diǎn)分布在μ=0.35仿真中的ΔY<30 mm區(qū)間，從而驗證μ=0.35 模型的正確性。

(a)實驗原理 (b)實驗平臺圖17 動態(tài)抓取實驗Fig.17 Dynamic grasping experiment

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款變剛度軟體手指并研究了其驅(qū)動力與指尖力之間的關(guān)系，并針對驅(qū)動力不足的問題對SMA的驅(qū)動性能進(jìn)行了研究，得到了SMA 的指尖力模型。根據(jù)指尖力模型對軟體手抓的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使軟體手在指尖抓取時各手指具有最大的抓取重合度。最后針對更加復(fù)雜的指腹包裹抓取，本文通過ABAQUS軟件進(jìn)行仿真分析，通過靜態(tài)抓握力測量實驗以及動態(tài)抓握實驗進(jìn)行驗證，并將實驗得到的結(jié)果和μ=0、μ=0.35兩組仿真模型進(jìn)行對比。其中，靜態(tài)實驗和μ=0.35模型的對比結(jié)果表明仿真與實驗的誤差主要來自于摩擦力的處理以及實驗原理等的影響，靜態(tài)改進(jìn)實驗表明實驗結(jié)果基于無摩擦模型，動態(tài)抓握實驗證實了軟體手抓握力和μ=0.35模型相符。

研究得出，當(dāng)剛度一定時指尖力隨著驅(qū)動力的增大而增大，當(dāng)剛度增加時最大指尖力會隨著剛度的增大而增大。