一種柔性驅(qū)動(dòng)器及自適應(yīng)夾爪設(shè)計(jì)與研究

劉金榮，蔣小毛，歐佳順，曾樂

（410124 湖南省 長(zhǎng)沙市 長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空機(jī)械制造學(xué)院）

0 引言

隨著機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，抓取機(jī)構(gòu)被越來越多地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、生物醫(yī)療等行業(yè)，對(duì)抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究也越來越多。由于剛性抓取機(jī)構(gòu)不能自動(dòng)檢測(cè)壓力及調(diào)整夾取力的大小，容易導(dǎo)致被夾取的易碎、柔軟物體破損，所以相關(guān)研究者開展了柔性抓取機(jī)構(gòu)研究。1997 年，加拿大西蒙·弗雷斯特大學(xué)設(shè)計(jì)了一種可重新構(gòu)形的機(jī)械爪[1]，該機(jī)械爪的各個(gè)手指都具有被動(dòng)柔順功能，可自行變化以適應(yīng)抓取對(duì)象的形狀，實(shí)現(xiàn)對(duì)抓取物的順利抓取，適應(yīng)性良好，但是對(duì)目標(biāo)物的被動(dòng)適應(yīng)能力需進(jìn)一步提高；21 世紀(jì)初，日本東芝機(jī)械研究實(shí)驗(yàn)室成功開發(fā)了一種智能機(jī)器人的夾緊機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)通過觸覺傳感器檢測(cè)目標(biāo)物體的形狀，對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)抓取[2]；康文波[3]設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)抓取機(jī)構(gòu)，利用旋轉(zhuǎn)缸對(duì)被抓取物品進(jìn)行角度調(diào)整，通過改變旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)軸的位置調(diào)節(jié)兩抓取位置的高度差和水平差，可應(yīng)用于90°旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)的場(chǎng)合；龔楠等[4]設(shè)計(jì)了一款新型的爬桿機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)，采用雙彈簧、氣動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)和柔性體貼合壁面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了夾持功能，但該夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝精度要求高，適應(yīng)場(chǎng)合少；國外某公司開發(fā)了一款充氣式的軟體機(jī)械臂[5]，充氣情況下可以迅速變硬抵抗外部負(fù)載實(shí)現(xiàn)抓取，主要用于桿狀物的爬行作業(yè)；上海大學(xué)通過軟體驅(qū)動(dòng)器的可變性和氣體壓縮性對(duì)易損物品進(jìn)行無損抓取，抓取手有一定的自適應(yīng)能力[6]；為解決空心薄壁開口類零件的自動(dòng)化生產(chǎn)夾取問題，楊耀臣等[7]設(shè)計(jì)了一種多點(diǎn)夾持機(jī)構(gòu)，該夾持機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、夾持力大、夾持范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但仍采用剛性夾取，不適用于不同力度的夾??；吳俊利[8]設(shè)計(jì)了一款外夾式飛行器艙蓋搬運(yùn)機(jī)械手，該機(jī)械手通過絲桿推動(dòng)螺母進(jìn)而推動(dòng)連桿，手指在連桿的推動(dòng)下張開，在推板抵住艙蓋時(shí)手部夾緊將輔助肋板夾住，實(shí)現(xiàn)了艙蓋的抓取動(dòng)作；石晶[2]設(shè)計(jì)了一款化妝棉轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手，采用氣缸夾取和放料，但僅可針對(duì)化妝棉的夾取，應(yīng)用范圍窄；王震[9]研究了基于視-觸覺融合的柔性體抓取技術(shù)，主要依靠視覺感知系統(tǒng)，在接觸時(shí)容易使柔性體產(chǎn)生比較大的變形，導(dǎo)致物體的損壞；王君章等[10]將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)元件結(jié)合在一起，對(duì)輸液軟袋這種形狀不穩(wěn)定的物體進(jìn)行抓取，同時(shí)建立了自動(dòng)裝卸搬運(yùn)系統(tǒng)，提高了效率和安全性。

目前柔性夾取機(jī)構(gòu)研究仍有很多難題需要解決，例如在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，并不是所有場(chǎng)景都需夾取機(jī)構(gòu)具有柔性，在支撐或夾取時(shí)就需要夾取機(jī)構(gòu)具有一定剛度；另外，由于柔性夾取機(jī)構(gòu)自身材料比較柔軟易變，在抓取質(zhì)量較大的物體時(shí)不能很好地保持固定形狀，無法精準(zhǔn)控制，負(fù)載能力較低。因此提高柔性夾取機(jī)構(gòu)的負(fù)載能力與剛度是十分重要的。為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種變剛度柔性驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)夾爪，通過變剛度使夾取機(jī)構(gòu)在高剛度狀態(tài)與柔軟狀態(tài)間自由轉(zhuǎn)換，解決其負(fù)載能力差的問題。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有剛性及柔性抓取器存在的不足，本文設(shè)計(jì)了一種柔性驅(qū)動(dòng)器及自適應(yīng)夾爪。柔性驅(qū)動(dòng)器由外殼包圍的氣囊構(gòu)成，外殼是由多件剛性段和多件柔性段相互連接形成的框架結(jié)構(gòu)；氣囊設(shè)置在框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁之間，通過控制氣囊內(nèi)氣體的飽和度來控制外殼的剛性。自適應(yīng)夾爪包括剛性夾爪、傳動(dòng)裝置、固定板和柔性驅(qū)動(dòng)器。傳動(dòng)裝置安裝在固定板上，剛性夾爪通過滑塊機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剛性夾爪進(jìn)行夾持，柔性驅(qū)動(dòng)器安裝在剛性夾爪的末端位置區(qū)域段。該自適應(yīng)機(jī)器人夾爪采用傳動(dòng)裝置對(duì)剛性夾爪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并通過在剛性夾爪上設(shè)置柔性驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)被夾持物的夾持力可調(diào)，智能適應(yīng)不同抓取需求，保證夾持安全可靠。

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的柔性抓取器主要由柔性驅(qū)動(dòng)器、剛性夾爪、傳動(dòng)裝置、鉸鏈、固定板、氣缸、氣泵等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 柔性抓取器整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of flexible gripper

1.2 傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖2、圖3 所示，主要由步進(jìn)電機(jī)、蝸桿、蝸輪、傳動(dòng)軸、第1 齒輪、齒條組件、第2 齒輪、第1 立柱、第2 立柱、繞線輪、鋼絲繩、滑輪、彈簧組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力為步進(jìn)電機(jī)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)速控制夾取機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度。

圖2 傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)1Fig.2 Transmission device structure 1

傳動(dòng)過程：步進(jìn)電機(jī)將運(yùn)動(dòng)和力傳遞給渦輪蝸桿，渦輪通過傳動(dòng)軸將運(yùn)動(dòng)和力傳遞給第1 齒輪，第1 齒輪再將運(yùn)動(dòng)和力傳遞給第2 齒輪或齒條機(jī)構(gòu)；第2 齒輪和繞線輪同軸，繞線輪會(huì)隨著第2 齒輪旋轉(zhuǎn)，繞線輪上纏繞鋼絲繩，繞線輪旋轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)鋼絲繩移動(dòng)，從而拉動(dòng)齒條組件往后運(yùn)動(dòng)；齒條通過銷與剛性夾爪連接，使剛性夾爪夾緊；當(dāng)傳遞給齒條機(jī)構(gòu)時(shí)，齒輪通過和齒條嚙合傳遞動(dòng)力使齒條向后運(yùn)動(dòng)，齒條通過銷與剛性夾爪連接，使剛性夾爪夾緊。

2 工作原理及方案

2.1 工作原理

自適應(yīng)機(jī)器人夾爪根據(jù)不同的抓取對(duì)象，分為2 種工作方式。

方式1：當(dāng)需要夾爪抓取力足夠大時(shí)，直線電機(jī)控制第1 齒輪與齒條組件嚙合，動(dòng)力傳遞路線為：步進(jìn)電機(jī)→蝸桿→蝸輪→傳動(dòng)軸→齒條組件→剛性夾爪→柔性驅(qū)動(dòng)器→被夾取物，此時(shí)柔性驅(qū)動(dòng)器為完全未展開狀態(tài)。其中，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有反向自鎖特性，可使夾持不松動(dòng)，即使發(fā)生斷電等意外仍可保持夾持穩(wěn)定。為適應(yīng)不同形狀及規(guī)格的被夾取物，可將柔性驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)到不同角度，柔性驅(qū)動(dòng)器在不同角度下具有不同的剛度，可適應(yīng)不同物品的夾持。

方式2：當(dāng)被夾持物體為易碎品或者異形時(shí)，啟動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器，此時(shí)柔性驅(qū)動(dòng)器為一軟體夾爪，根據(jù)不同夾取物體情況分為3 種方式夾?。?/p>

（1）當(dāng)需要夾取不輕易變形物體且抓取力足夠大時(shí)，柔性驅(qū)動(dòng)器展開，由氣泵提供柔性驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力，并且剛性夾爪也移動(dòng)，直線電機(jī)控制第1齒輪與齒條組件嚙合，動(dòng)力傳遞路線為：步進(jìn)電機(jī)→蝸桿→蝸輪→傳動(dòng)軸→第1 齒輪→齒條組件→剛性夾爪→柔性驅(qū)動(dòng)器→被夾取物。

（2）當(dāng)被夾持物體比較輕時(shí)，直線電機(jī)控制第1 齒輪與齒條組件嚙合，動(dòng)力傳遞路線：步進(jìn)電機(jī)→蝸桿→蝸輪→傳動(dòng)軸→第1 齒輪→齒條組件→剛性夾爪→柔性驅(qū)動(dòng)器→被夾取物，但此時(shí)步進(jìn)電機(jī)不工作，只有柔性驅(qū)動(dòng)器作為柔性夾爪工作，氣泵給柔性驅(qū)動(dòng)器提供夾取動(dòng)力。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的反向自鎖特性，剛性夾爪在斷電時(shí)會(huì)保持固定狀態(tài)，不影響柔性夾爪的使用。僅使用柔性夾爪既可以有效保護(hù)被夾物體，也可以達(dá)到節(jié)能效果。

（3）當(dāng)被夾持物體極易被損壞時(shí)，控制直線電機(jī)頂起，此時(shí)第1 齒輪與第2 齒輪嚙合，動(dòng)力傳遞路線為：步進(jìn)電機(jī)→蝸桿→蝸輪→傳動(dòng)軸→第1齒輪→第2 齒輪→繞線輪→鋼絲繩→彈簧→齒條組件→剛性夾爪→柔性驅(qū)動(dòng)器→被夾取物。由于彈簧的存在，作用在被夾物體上的力從0 開始逐漸施加，可以有效保護(hù)被夾物體。

2.2 智能夾持方案

該自適應(yīng)機(jī)器人夾爪可應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備或機(jī)器人設(shè)備上，能夠針對(duì)不同的被夾持對(duì)象智能選擇工作方式，實(shí)現(xiàn)方式如下：在柔性驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)面上安裝壓力傳感器，根據(jù)壓力傳感器反饋的信號(hào)獲得被夾物體的軟硬狀態(tài)等參數(shù)，根據(jù)不同物體的軟硬狀態(tài)、質(zhì)量等參數(shù)選擇不同的工作方案與方式，智能控制結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 智能控制方案Fig.4 Intelligent control scheme

當(dāng)物體較重時(shí)，采用方式1 工作：直線電機(jī)下移帶動(dòng)第1 齒輪與齒條組件直接嚙合使剛性夾爪運(yùn)動(dòng)，此時(shí)氣泵不工作，因氣泵與柔性驅(qū)動(dòng)器連接，所以柔性驅(qū)動(dòng)器不啟動(dòng)。該方式可以保證足夠大的夾持力；當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到被夾物體比較軟或者為異形時(shí)，啟用柔性驅(qū)動(dòng)器，采用方式2 工作，根據(jù)壓力傳感器反饋的信號(hào)調(diào)整氣泵的壓力，保證被夾物體的安全。

3 結(jié)語

本文針對(duì)現(xiàn)有抓取機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)控制率低、適應(yīng)性差，甚至?xí)p壞被抓取物等問題，設(shè)計(jì)了一種變剛度柔性驅(qū)動(dòng)器及自適應(yīng)夾爪。

（1）采用傳動(dòng)裝置對(duì)剛性夾爪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在剛性夾爪上設(shè)置柔性驅(qū)動(dòng)器，將柔性驅(qū)動(dòng)器的外殼（即夾持接觸部位）設(shè)置為柔性結(jié)構(gòu)，在外殼內(nèi)設(shè)置氣囊，通過對(duì)氣囊內(nèi)氣壓的調(diào)節(jié)控制柔性驅(qū)動(dòng)器對(duì)被夾持物的夾持力度，實(shí)現(xiàn)了夾持力可調(diào)，智能適應(yīng)不同的抓取需求。

（2）在傳動(dòng)裝置中設(shè)置蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，利用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)反向自鎖的特性使夾持不松動(dòng)，保證夾持穩(wěn)定、安全、可靠。

（3）在夾爪上設(shè)置壓力傳感器，根據(jù)壓力傳感器反饋的信號(hào)切換選擇最優(yōu)的工作模式，起到保護(hù)被夾物體的目的。

（4）該自適應(yīng)夾爪可應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備或機(jī)器人設(shè)備，可智能匹配夾爪壓力大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀、易碎等物體的夾取，應(yīng)用范圍廣泛。