柔性機械手抓取動作運動仿真分析*

□ 王熙杰

湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道機車學(xué)院 湖南株洲 412006

1 分析背景

隨著當前機械手控制技術(shù)的快速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷拓展,要求機械手能夠靈活適應(yīng)各類外形工件的控制過程。如何提高機械手對物體的適應(yīng)能力,提高機械手柔性,成為開展智能機器人技術(shù)研究的一個重要方向[1-2]。

在現(xiàn)有各類機械手中,采用專用機械手能夠很大程度提高抓取效率,但專用機械手的適用范圍很小,缺乏良好的適應(yīng)能力[3]。多指靈巧機械手可以適應(yīng)多種外形結(jié)構(gòu)的物體,但是需要設(shè)置大量關(guān)節(jié),并對各關(guān)節(jié)分別開展控制,這樣才能完成復(fù)雜的驅(qū)動模式,由此導(dǎo)致整體處理成本提高,進而制約應(yīng)用范圍[4]。

根據(jù)當前工業(yè)機械手的研究情況,優(yōu)化機械手結(jié)構(gòu)及簡化驅(qū)動方式,已經(jīng)成為目前的關(guān)鍵研究內(nèi)容。為滿足當前工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求,開發(fā)一種具有簡單結(jié)構(gòu)與驅(qū)動模式,成本低,能夠快速推廣的柔性機械手,成為機械手領(lǐng)域的重要研究方向[5]。

利用流體抽充方式能夠控制抓取動作,在抓取過程中,手指對各外形物體不同的觸碰力會造成機械手腔壓力改變,進而實現(xiàn)手指驅(qū)動運動過程,直至所有手指都與物體保持貼合狀態(tài)。機械手能夠自主根據(jù)物體外形結(jié)構(gòu)進行調(diào)整,極大擴展機械手對不同外形物體進行搬運與分揀的使用范圍,有效克服當前機械手結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,無法有效適應(yīng)各類外形工件混合抓取的不足[6]。

當前一般以仿造人手方式來設(shè)置靈巧機械手,其制備材料主要為金屬材質(zhì),可以實現(xiàn)很大的剛度。通常以電機、氣缸、液壓動力來實現(xiàn)驅(qū)動功能,通過綜合運用鉸鏈、齒輪等來實現(xiàn)多種復(fù)雜運動過程,確保動力被傳輸至機械手關(guān)節(jié)部位,由此達到驅(qū)動手指關(guān)節(jié)的效果[7]。

2 建模

2.1 軟件介紹

采用SolidWorks軟件Motion模塊來模擬裝配體運動過程。這一模塊提供高效的動力算法,計算過程中同時考慮材料綜合性能與慣性因素,可以準確完成各項計算。結(jié)合計算結(jié)果,繪制得到對應(yīng)曲線,作為后續(xù)分析依據(jù)。也可以利用上述方法精確模擬裝配體運動狀態(tài),再合成運動算例單元。

2.2 機械手三維模型

對柔性自適應(yīng)機械手的運動過程開展仿真,考慮到機械手中存在部分不能運動的零件,因此進行運動仿真過程中需要對不能運動的零件進行簡化處理。組成各根手指的彈簧與硅膠套也屬于不可變形的零件,會對手指指節(jié)轉(zhuǎn)動過程造成制約,因此進行運動仿真時忽略這兩個零件,只保留各手指的指尖與指節(jié)結(jié)構(gòu),直接接觸抓取對象。對運動仿真機械手裝配結(jié)構(gòu)進行保存,由此構(gòu)建得到三維模型。機械手三維模型如圖1所示。

圖1 機械手三維模型

2.3 參數(shù)

構(gòu)建運動仿真場景時,需要在裝配體文件中按照參數(shù)指標加入機械手與被抓取對象,同時繪制一個平面零件,作為托住抓取對象的基礎(chǔ)。仿真機械手為柔性結(jié)構(gòu),確保機械手所有關(guān)節(jié)都可以完成運動過程,然后將抓取對象設(shè)置于合適區(qū)域,形成固定平面后,等待機械手實施抓取操作。設(shè)置機械手運動特征,針對全局結(jié)構(gòu)設(shè)置引力,控制方向朝下的狀態(tài),并將引力數(shù)值設(shè)定為與重力一致。為抓取對象和平面設(shè)置實體接觸及線性阻尼,從而控制抓取對象在平面處保持靜止。進行運動仿真,得到機械手抓取的仿真結(jié)果。

機械手抓取運動模型如圖2所示。

圖2 機械手抓取運動模型

在手指、大拇指根部與掌心的關(guān)節(jié)處安裝旋轉(zhuǎn)馬達,利用旋轉(zhuǎn)馬達動作來模擬手指在負壓下發(fā)生彎曲的狀態(tài)。保持旋轉(zhuǎn)馬達處于等速控制狀態(tài),將速度設(shè)定在0.6～0.9 r/min之間。在模型中加入手指指節(jié)和抓取對象接觸組,確保手指與抓取對象發(fā)生接觸時不會造成穿透的問題,使手指能夠穩(wěn)定地控制抓取對象。選擇鋁和鐵作為接觸材料,在保持10.2 mm/s速率的條件下,進行動態(tài)摩擦測試,設(shè)置摩擦因數(shù)為0.2。選擇恢復(fù)接觸的模式,設(shè)置恢復(fù)因數(shù)為0.2。

3 運動仿真分析結(jié)果

在仿真平臺配置參數(shù)后,進行柔性機械手抓取運動仿真。以位移作為結(jié)果分量,特征面包括指尖與指節(jié)側(cè)面,得到每根手指中各個關(guān)節(jié)對應(yīng)的線性位移結(jié)果。

最終獲得五指指尖線性位移結(jié)果,如圖3所示。通過運動仿真分析,可以直觀觀察到機械手的運動過程,同時也能夠獲得各項參數(shù)指標。對五條指尖線性位移曲線進行分析,可以發(fā)現(xiàn)各手指都形成了平滑過渡的位移曲線,表明各指運動過程中都實現(xiàn)了平穩(wěn)的運動速度。

圖3 指尖線性位移結(jié)果

隨著抓取的進行,各個手指的運動規(guī)律特征一致,均基本表現(xiàn)出單調(diào)減小的變化規(guī)律,可見均進行了抓取動作,并且各個手指的動作是同步進行的。

通過橫向?qū)Ρ任逯钢讣饩€性位移結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),中指指尖形成最大移動距離,之后為食指、無名指、小拇指指尖,移動距離最小的是大拇指指尖,這與實際手指對圓形物體的抓取特點一致。此外,所有手指都形成了相似的線性位移變化趨勢,表明各個粗細與長度不同的手指都保持相近的運動控制穩(wěn)定性,可以判斷機械手達到了很高的穩(wěn)定性。根據(jù)指尖位移曲線具有同樣的停止時間可以判斷,五個手指的接觸過程存在先后順序,先接觸手指控制抓取對象的移動,直至各個手指都與抓取對象保持接觸并達到穩(wěn)定后,抓取狀態(tài)才發(fā)生停止。通過分析運動仿真結(jié)果,可以清晰觀察到機械手對物體進行抓取的控制過程。

在手指出口形成負壓后,氣體從手指內(nèi)部抽出,此時手指內(nèi)部形成低于外部大氣的壓力,表現(xiàn)為被大氣作用后形成擠壓狀態(tài)。同時各關(guān)節(jié)間發(fā)生相互轉(zhuǎn)動,形成更小的空腔體積,并與出口負壓保持平衡。硅橡膠外表與手指指節(jié)保持貼緊,再與指節(jié)共同發(fā)生變形,隨著手指不斷彎曲,與抓取對象間形成更短的距離[8]。

手指不同關(guān)節(jié)間保持連接狀態(tài),構(gòu)成手指主體結(jié)構(gòu)。手指關(guān)節(jié)外部采用彈性硅橡膠作為包裹物。在硅橡膠和手指關(guān)節(jié)間設(shè)置密閉容腔,同時對手指指節(jié)開設(shè)圓孔,利用圓孔連接外部區(qū)域,再利用氣體壓入與抽出方式來調(diào)節(jié)手指的彎曲和伸直。

4 結(jié)束語

筆者開展柔性機械手抓取運動仿真分析,通過運動仿真,能夠非常直觀地觀察到機械手的運動過程,獲得各項參數(shù)指標。在抓取運動過程中,中指指尖形成了最大移動距離,之后為食指、無名指、小拇指指尖,移動距離最小的是大拇指指尖。