趙玉俠, 萬學(xué)鋒, 多會曉, 鈕乾坤

(1. 北方工業(yè)大學(xué)機械與材料工程學(xué)院, 北京 100144; 2. 南通大學(xué)藥學(xué)院, 南通 226001)

目前工業(yè)化生產(chǎn)中的機器人大多是剛性機械手,這些機械手雖然可以穩(wěn)定有效地控制物體,進而達到人類的要求,但是這些機械手的環(huán)境適應(yīng)性和安全性不是很高。為了能夠提高機械手的適應(yīng)性和安全性,進而抓取形態(tài)各異,硬度各不相同的物體,軟體機器人可以說是未來最有前景的一個方向[1-5]。軟體機器人使用的是超彈性材料,這種材料可以順應(yīng)性地去抓取物體,對人類毫無傷害,具有很好的適應(yīng)性。

近些年來,軟體機器人領(lǐng)域得到了一個快速的發(fā)展,并在軟體機器人的類型上做了很多的區(qū)分。就單從驅(qū)動方式上看,可以分為流體壓力驅(qū)動的軟體機器人[6-9]、形狀記憶合金/聚合物驅(qū)動軟體機器人[10-15]、響應(yīng)水凝膠軟體機器人[16-20]、介電彈性體離子聚合物-金屬復(fù)合材料(ion-exchange polymer metal composite,IMPC)驅(qū)動軟體機器人[21-25]、化學(xué)驅(qū)動軟體機器人[26-29]。這些機器人都是通過某種特殊的強制力進行驅(qū)動抓取,并且大多數(shù)的軟體機器人都是固定在基座上的,不能夠根據(jù)物體大小尺寸的變化做出改變,因此適應(yīng)性不高。目前也有一些研究者們通過增加一些輔助機構(gòu)來提高其適應(yīng)性,例如Al-iibadi等[30]研制出一款可變剛度的軟體機器人提高抓取能力;Fei等[31]研發(fā)出一個帶有雙側(cè)充氣室的雙向手指,可以通過改變兩側(cè)的公共壓力和差壓來調(diào)節(jié)其抓握剛度和力,其手腕可以以相同的方式調(diào)整其偏轉(zhuǎn)剛度和力,可適應(yīng)各種形狀,尺寸和方向的抓取物體;Zhong等[32]研發(fā)了一款由4個柔軟的手指和1個可移動的吸盤組成的軟體機抓取器,它有4種可轉(zhuǎn)換抓取模式,可以抓握各種物體;Nishimura等[33]提出了一種具有柔軟表面和欠驅(qū)動關(guān)節(jié)的新型機器人夾具,實現(xiàn)了3種抓取模式,可以抓取、捏住、和包住物體。

現(xiàn)在的軟體機器人仍有很大的改進空間,比如如果要抓取一個比較大一點的物體,必須事先設(shè)計好抓手之間的尺寸大小、抓手的大小,另外如果需要抓取較小的物體,氣動軟體驅(qū)動器很容易受到物體曲率和其他因素的影響,如驅(qū)動器的抖動、錯位等情況會使抓取小東西的時候很不穩(wěn)定,甚至無法抓取。為了實現(xiàn)軟體機器人的一個抓取的更高適應(yīng)性,現(xiàn)設(shè)計一款結(jié)構(gòu)相對簡單,又很實用并且能夠可復(fù)制大量生產(chǎn)的一種軟體機器人。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

軟體機器人的結(jié)構(gòu)包括兩個部分:一部分是氣動軟體驅(qū)動器;另一部分是夾具,整個裝置都是在三維軟件SolidWorks中進行建模。軟體驅(qū)動器就是軟體手指,在考慮到抓取物體的穩(wěn)定性時,選擇120°間距的三指抓手。

1.1 氣動軟體驅(qū)動器的設(shè)計

為了實現(xiàn)軟體機器人抓取,必須設(shè)計相應(yīng)的軟體驅(qū)動器,選用褶皺狀的氣動軟體驅(qū)動器,其截面圖如圖1所示。截面圖中可以看到軟體驅(qū)動器一共有8個矩形氣腔和一個梯形氣腔分布在應(yīng)變層內(nèi),當(dāng)給驅(qū)動器內(nèi)部輸入氣壓,驅(qū)動器會向著如圖所示的右下側(cè)彎曲。在靠近端部處,設(shè)置了15 mm長度的小半圓形凸起,目的是增加與物體之間摩擦力,表1為軟體驅(qū)動器參數(shù)。

表1 軟體驅(qū)動器參數(shù)Table 1 Soft actuator parameters

圖1 軟體驅(qū)動器截面圖Fig.1 Cross-sectional view of the soft actuator

1.2 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)軟體機器人的變直徑功能,進而適應(yīng)不同大小物體的抓取,夾具的設(shè)計至關(guān)重要。孟凡昌[34]設(shè)計了一款可以通過手動更換銷釘在不同位置實現(xiàn)的可變直徑的軟體機器人,如圖2所示。

圖2 文獻[34]的軟體機器人Fig.2 Soft robot designed by Meng Fanchang[34]

在其啟發(fā)下,現(xiàn)提出了一種新型夾具,其零件圖和裝配圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 夾具零件圖Fig.3 Fixture parts drawing

圖4 夾具裝配圖Fig.4 Fixture assembly drawing

整個夾具由一個中間的齒輪、圓周分布的3個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、以及用于固定氣動軟體驅(qū)動器的3個連接件組成。中間齒輪的模數(shù)和周圍3個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的模數(shù)相等,當(dāng)給中間齒輪一個旋轉(zhuǎn)角度時,會帶動周圍3個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn),此時用于固定氣動驅(qū)動器的3個連接件跟著旋轉(zhuǎn),并且連接件相對于中間齒輪的中心的半徑增大,進而實現(xiàn)了軟體機器人可變直徑的功能。在三維軟件SolidWorks中,針對其最小半徑和最大半徑做了測算,此夾具結(jié)構(gòu)在最小半徑時達到32.5 mm,如圖5所示,最大半徑直徑達到了58.5 mm,如圖6所示。由于氣動軟體驅(qū)動器的高度設(shè)定為20 mm,因此在驅(qū)動器安裝完成后,驅(qū)動器的可抓取半徑范圍為22.5～48.5 mm,對應(yīng)直徑范圍為45～97 mm其中計算式為

圖5 夾具最小半徑狀態(tài)Fig.5 Minimum radius state of fixture

圖6 夾具最大半徑狀態(tài)Fig.6 Maximum radius state of the fixture

(1)

1.3 軟體機器人最終結(jié)構(gòu)

圖7為軟體機器人最終裝配圖,同孟凡昌[34]的軟體機器人設(shè)計來說,具有以下幾個優(yōu)點。

圖7 軟體機器人最終裝配圖Fig.7 Final assembly diagram of the soft actuator

(1)該軟體機器人在不需要人工調(diào)節(jié)的情況下,實現(xiàn)自動的調(diào)節(jié)抓取直徑,縮短了時間,降低了人工成本。

(2)圖2所示的軟體機器人在調(diào)節(jié)直徑上不是連續(xù)調(diào)節(jié)的,而是等長度調(diào)節(jié),本研究設(shè)計的軟體機器人可以進行連續(xù)性調(diào)節(jié)。

(3)在關(guān)于增加摩擦力上,其軟體驅(qū)動器底座使用太多的一個半圓形凸起,雖然增加了摩擦力,但會使底座厚度增加,影響彎曲性能,而本研究只在端部設(shè)計15 mm長的凸起,不僅增加了摩擦力,而且對驅(qū)動器彎曲性能沒有影響。

2 材料選擇及其制備

2.1 氣動軟體驅(qū)動器材料的選擇及制備

在制備氣動軟體驅(qū)動器時,目前有兩種材料基本可供選擇。首先是硅橡膠,這種材料用的非常的廣泛,它具有很好的耐熱性、耐寒性、抗輻射性、耐大氣老化和耐候性等特性,但是它的機械性能比較差,比如它的抗張強度和抗撕裂強度。另外在制備氣動驅(qū)動器的時候,只能通過鑄造方法來制造,制備上也比較費時費力。第二種是熱塑性聚氨酯(thermoplastic urethanes, TPU),其具有很好的熱塑性和彈性特征,在這兩種特征下,TPU具有一個很好的伸長率,并且能夠通過融化來進行加工。TPU長絲種類也有很多種,在這么多類別上,選用商業(yè)上最廣泛使用的NinjaFlex,表2是NinjaFlex的參數(shù),從這些參數(shù)中可以看到,NinjaFlex具有良好的延伸率和抗拉強度。

表2 NinjaFlex的參數(shù)Table 2 Parameters of NinjaFlex

2.2 夾具的材料選擇及制備

夾具需要承受來自被抓取物體的重力以及氣動軟體驅(qū)動器的重力,因此需要選擇硬質(zhì)材料,為了制作方便且能夠進行自動化生產(chǎn),選擇市場上熱銷的聚乳酸(polylactic acid,PLA)作為夾具使用材料,材料特性如表3所示。

表3 PLA材料特性Table 3 PLA material properties

從表3可以看出,PLA在硬度和強度方面具有很好的特性,另外這種材料同樣可以使用3D打印技術(shù)來制造夾具,打印溫度為195～230 ℃,打印速度在40～60 mm/s。

3 材料模型的建立

首先對3D打印機打印的NinjaFlex試樣進行拉伸實驗,提取NinjaFlex試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,進而得到材料模型。此拉伸選用ISO37標(biāo)準(zhǔn)進行的,試驗機選擇機電一體化萬能試驗機(insron8801)。為了能夠得到準(zhǔn)確的NinjaFlex材料模型數(shù)據(jù),打印了兩種類型的試樣:第一種試樣填充的方向沿著橫向;第二種選擇沿著試樣長度方向,兩試樣如圖8所示。TPU樣品以100 mm/s的速度拉伸800%,并各進行了8次實驗,取平均值,實驗結(jié)果如圖9所示。

圖8 試樣示意圖Fig.8 Schematic diagram of the specimen

圖9 TPU的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curve of TPU

從圖9可以看出,TPU材料的應(yīng)力應(yīng)變特性為非線性的,顯然必須建模為超彈性材料。在研究這類超彈性材料時,ABAQUS軟件里面提供了很多的超彈性材料模型,如Mooney-Rivlin、Polynomial、Yeoh和Ogden等模型。結(jié)合TPU材料的一個單軸拉伸實驗,Mooney-Rivlin的2參數(shù)材料模型與單軸的實驗數(shù)據(jù)非常的接近,因此本文設(shè)計就根據(jù)Mooney-Rivlin的數(shù)據(jù)進行建模。TPU的Mooney-Rivlin參數(shù)模型如表4所示。

表4 TPU的Mooney-Rivlin參數(shù)Table 4 Mooney-Rivlin parameters of TPU

4 軟體驅(qū)動器力學(xué)模型的建立

軟體驅(qū)動器的力學(xué)建模在通常情況下是比較困難的,因為軟體驅(qū)動器具有無限多的自由度,本文研究提出一種簡化了的力學(xué)建模。在進行建模之前,做了一個建模條件上的一個約束:①假設(shè)軟體驅(qū)動器在打印過程中各個地方材料均勻分布;②在充氣過程中,驅(qū)動器內(nèi)部氣腔的氣壓均勻,各個地方都相等;③手指的曲線輪廓是光滑連續(xù)的;④驅(qū)動器在裝配過程中是精確裝配的,而且驅(qū)動器只能在二維平面內(nèi)變形運動。

TPU材料作為一個不可壓縮性材料,它的力學(xué)行為是非線性的,上文中確定了它的模型為Mooney-Rivlin,這種模型可以很好地來描述軟體驅(qū)動器變形時的非線性行為。在假設(shè)TPU材料各向同性和不可壓縮的情況下,基于應(yīng)力應(yīng)變理論建立TPU的本構(gòu)關(guān)系,根據(jù)Mooney-Rivlin模型,彈性應(yīng)變能W可以由三個應(yīng)變不變量Ii來表示,其中i=1、2、3。

(2)

式(2)中:Ii是一種與坐標(biāo)無關(guān)的應(yīng)變表示法;λ1、λ2、λ3為空間三個方向上的形變。

根據(jù)材料的不可壓縮性,可以得到

(3)

在軟體驅(qū)動器的寬度方向上假設(shè)沒有變形,即

λ3=1

(4)

再由式(3)可得

(5)

(6)

在基于Mooney-Rivlin模型中,使用兩參數(shù)的模型,其彈性應(yīng)變能方程式為

(7)

式(7)中:J為變形前與變形后的體積比;對于不可壓縮材料J=1,再結(jié)合式(5),此時可得

(8)

式(8)中:c10、c01為系數(shù)。

底座截面內(nèi)應(yīng)力N與彈性應(yīng)變能W的關(guān)系為

(9)

將W和I1、I2代入式(9)可以得到

(10)

對于式(10),忽略二階及以上階數(shù),可以得到

N=8(c01+c10)(λ1-1)

(11)

從模型中分析得到,在對于一個氣腔的情況下,其伸長比為θ/sinθ。θ是單個氣腔在充氣時的彎曲角度,θ=φ/n,其中n為氣腔數(shù)量,φ為總彎曲角度,軟體驅(qū)動器彎曲時的參數(shù)圖如圖10所示。

圖10 軟體驅(qū)動器彎曲時的參數(shù)圖Fig.10 Parameter diagram for bending of the soft actuator

由于每個氣腔是相互貫通的,假設(shè)氣腔內(nèi)壁各個地方受力均勻,當(dāng)氣腔內(nèi)壁氣腔壓力達到Pj時,在這種情況下對其受力分析,其中圖11為單氣腔的受力分析圖。從力矩角度出發(fā),力矩平衡方程為

圖11 單氣腔受力分析圖Fig.11 Single air chamber force analysis diagram

Nt2=Pj(h+t)2

(12)

再根據(jù)式(11)和式(12)可以得到Pj和λ1的關(guān)系為

(13)

φ=φ(Pj)

(14)

5 軟體驅(qū)動器有限元仿真分析

5.1 軟件介紹

市面上有很多的有限元仿真軟件,如ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC。本文研究采用ABAQUS軟件對軟體驅(qū)動器進行分析,因為ABAQUS軟件相對于其他軟件來說在處理非線性時具有很明顯的優(yōu)勢,因此它被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中。ABAQUS在分析軟體驅(qū)動器時,主要分為以下步驟。

(1)將在SolidWorks中建立好的軟體驅(qū)動器模型導(dǎo)入ABAQUS中,使其轉(zhuǎn)化成為ABAQUS中的一個模型。

(2)在ABAQUS中的“Property”模塊中建立模型的材料屬性。

(3)對模型一些表面設(shè)置相互作用。

(4)對模型空腔施加氣壓載荷。

(5)對模型的邊界條件進行設(shè)定

(6)設(shè)定網(wǎng)格尺寸大小及其類型,并進行網(wǎng)格劃分。

(7)建立一個工作文件并提交進行分析。

5.2 彎曲角度分析

根據(jù)ABAQUS的分析步驟進行分析時,設(shè)置相互作用、載荷施加、邊界條件、劃分網(wǎng)格如圖12所示。

圖12 軟體驅(qū)動器有限元分析設(shè)置Fig.12 Finite element analysis setup for soft actuator

在所有需要的設(shè)置完成后,提交作業(yè)進行分析。圖13是不同氣壓下的軟體驅(qū)動器彎曲狀態(tài)圖,從圖13可以看出,每20 kPa增加驅(qū)動器的氣壓時,驅(qū)動器的彎曲狀態(tài)進一步變大,也就是驅(qū)動器的彎曲角度隨著氣壓的增大而增,并在100 kPa時達到了79°。

圖13 軟體驅(qū)動器不同氣壓下的彎曲情況Fig.13 Bending of the soft actuator at different air pressure

5.3 力學(xué)建模與有限元仿真對比

為了能夠模擬得到真實情況下的軟體機器人抓取時的彎曲狀態(tài),第3節(jié)和第4節(jié)分別對軟體驅(qū)動器進行了力學(xué)建模分析及有限元仿真分析。圖14為力學(xué)建模分析與有限元仿真對比曲線圖,從圖14可以看出,力學(xué)建模分析在50 kPa以下明顯要優(yōu)于有限元仿真分析,這可能和本文有限元分析中設(shè)置的重力載荷有關(guān),如果把重力載荷去掉,理論分析與有限元分析不會相差太大。在50 kPa以后,力學(xué)建模分析與有限元分析幾乎沒差別,重力作用效果不太明顯。另外力學(xué)建模中施加有約束條件,所以有限元分析會和力學(xué)建模分析之間產(chǎn)生一些誤差,但整體曲線兩者之間基本相近。

圖14 力學(xué)建模與有限元仿真對比Fig.14 Comparison of mechanical modeling and finite element simulation

6 結(jié)論

為了提高軟體機器人的適應(yīng)性,設(shè)計了一種可以改變直徑的三指軟體機器人。該軟體機器人可以實現(xiàn)直徑在45～97 mm的抓取范圍,有效改善了固定直徑下軟體機器人抓取的弊端。另外對設(shè)計的軟體機器人的驅(qū)動器手指進行了力學(xué)建模,得到了驅(qū)動器彎曲角度與輸入氣壓大小的關(guān)系,和在有限元分析得到的結(jié)果進行比較來看,兩者雖然在50 kPa以下有最高9°的誤差,但兩曲線基本吻合,這為未來的具體實驗提供了有力的理論支撐。