宋楊　趙憶錳　任小偉　藍(lán)鈺　于夢(mèng)曉

摘 要：機(jī)械手自上世紀(jì)產(chǎn)生發(fā)展以來(lái)，解放了大批勞動(dòng)生產(chǎn)力，但純機(jī)械結(jié)構(gòu)的手臂，由于原理的局限性不具有人手靈活，多自由度的特點(diǎn)，在進(jìn)行相關(guān)操作過(guò)程中機(jī)械爪只能抓取形狀規(guī)則的物體，而且易對(duì)抓取的軟體物體產(chǎn)生一定的損害?；谠搯?wèn)題，本文進(jìn)行了傳統(tǒng)機(jī)械爪的優(yōu)化設(shè)計(jì)：利用柔性關(guān)節(jié)取代傳統(tǒng)機(jī)械關(guān)節(jié)，基于ANSYS軟件進(jìn)行軟體部分相關(guān)材料性能及受力情況的模擬，基于實(shí)際需要設(shè)計(jì)機(jī)械爪結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在機(jī)械爪張合的過(guò)程中抓穩(wěn)物體，同時(shí)利用Ardino編程軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，最終獲得成型的柔性機(jī)械爪，實(shí)現(xiàn)精確，無(wú)損害的過(guò)程抓取。

關(guān)鍵詞：柔性機(jī)械爪；ANSYS模擬；多自由度

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）04-0063-02

1 引言

機(jī)械手作為最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，可以代替人的繁重勞動(dòng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的機(jī)械化和自動(dòng)化。自上世紀(jì)60年代起出現(xiàn)的傳統(tǒng)機(jī)器人手爪在傳統(tǒng)制造業(yè)中實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。但由于原理性局限，機(jī)械爪遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足智能制造產(chǎn)業(yè)的需求，這成為當(dāng)前機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵性瓶頸。

與此同時(shí)，各國(guó)科學(xué)家積極展開(kāi)了仿生柔性機(jī)械爪的研究。例如：來(lái)自北京的創(chuàng)業(yè)公司SRT研發(fā)的“機(jī)械手”采用的是硅膠材質(zhì)：充氣時(shí)，這款柔性?shī)A爪會(huì)脹大，并通過(guò)自適應(yīng)包覆住不同尺寸、形狀和重量的目標(biāo)物體；中國(guó)科大自主研發(fā)的柔性手爪采用剛?cè)岷弦?、?氣互補(bǔ)的設(shè)計(jì)原理，顯著提高了手爪與被操作物體表面之間的貼合度，有效降低了物體形狀分析的精度要求，極大改善了手爪與操作環(huán)境之間的可接觸性；斯坦福大學(xué)的RoboSimian DRC機(jī)械爪采用多刺微型手掌設(shè)計(jì)，可以完成攀巖的目標(biāo)。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 材料選擇性試驗(yàn)

2.1.1 軟體部分材料實(shí)驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械爪的預(yù)期效果，機(jī)械爪柔性部分選用三種材料配比獲得，分別是10號(hào)硅膠+固化劑；硅膠A+硅膠B。對(duì)三種材料進(jìn)行不同配比所獲得實(shí)物進(jìn)行硬度試驗(yàn)分析及實(shí)物運(yùn)行分析，選取最適宜的材料以配比。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，表2。

有以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，10號(hào)硅膠（白色）+固化劑容易出現(xiàn)氣泡，易產(chǎn)生裂紋，不適合做連接材料；選用硅膠原料A（膚色）+硅膠原料B（白色）質(zhì)量比1：2時(shí)，機(jī)械爪運(yùn)行正常，多次使用未出現(xiàn)明顯缺陷。

2.1.2 基體硬質(zhì)部分材料選擇

由于設(shè)計(jì)的機(jī)械爪并非用于重物抓舉，基于試驗(yàn)的方便性，制造的快捷性以及環(huán)保方面考慮，我們最終選取PLA（聚乳酸）材料進(jìn)行3D打印。該材料熱穩(wěn)定性好，有良好的抗溶劑性，由此打印出的機(jī)械爪能生物降解，光澤度、手感以及耐熱性好，具有很高的阻燃性。

2.2 機(jī)械爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生柔性機(jī)械爪主要包括固定底座、舵機(jī)、線輪、牽引線、上固定板、柔性機(jī)械爪、螺柱和電路板，所述底座和電路板座通過(guò)螺柱連接，所述舵機(jī)通過(guò)螺柱的緊固卡在下固定座上，所述線輪通過(guò)螺紋配合與舵機(jī)連接，所述機(jī)械手通過(guò)上固定板的卡槽實(shí)現(xiàn)與固定板的連接并通過(guò)牽引線連接（見(jiàn)圖1、圖2）。所述舵機(jī)帶動(dòng)線輪轉(zhuǎn)動(dòng)改變牽引線長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的開(kāi)合。

2.3 機(jī)械爪結(jié)構(gòu)的程序控制

柔性機(jī)械爪的動(dòng)作控制主要由舵機(jī)與牽引絲線來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先在電腦上進(jìn)行編程，通過(guò)信號(hào)線將控制信號(hào)傳輸于控制電路板。柔性牽引絲線將柔性手指的指部骨架和柔性關(guān)節(jié)全部連接起來(lái)后，穿過(guò)第一固定件上的通道與牽引絲線卷繞裝置連接，將牽引絲線卷繞裝置安裝于舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。

機(jī)械手在進(jìn)行物體抓取時(shí)，舵機(jī)接收到外部電腦發(fā)動(dòng)的信號(hào)時(shí)開(kāi)始工作，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，繞線裝置隨舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)牽引絲線進(jìn)行收縮動(dòng)作，牽引絲線纏繞在牽引絲線繞線裝置上，柔性關(guān)節(jié)彎曲，從而實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作。由于柔性關(guān)節(jié)的彈性特性，舵機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)將牽引絲線放松，柔性手指會(huì)自動(dòng)返回原來(lái)位置，動(dòng)作完成。通過(guò)反饋調(diào)節(jié)，電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度，實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的可控性。

2.4 ANSYS仿真模擬及受力分析

對(duì)機(jī)械爪進(jìn)行仿真力學(xué)分析（見(jiàn)圖3），由于機(jī)械爪的柔性部分是受力較復(fù)雜且柔性材料相對(duì)強(qiáng)度較低，因此主要分析柔性材料的受力。對(duì)機(jī)械爪進(jìn)行兩種不同方向加載，進(jìn)行ANXSYS力學(xué)分析，結(jié)果見(jiàn)圖4，5。

3 結(jié)語(yǔ)

從所取得的成果看，利用生物界的許多有益構(gòu)思來(lái)發(fā)展技術(shù)是可為的。但現(xiàn)階段已有的研究成果僅僅邁出了對(duì)于仿生機(jī)械學(xué)的探索應(yīng)用的第一步。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，必將有更多先進(jìn)完善的理論和結(jié)構(gòu)充實(shí)進(jìn)來(lái)，仍具有極大的研究工作需要進(jìn)行。

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