張建超，楊慶華，邵鐵鋒，鮑官軍

（浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310032）

0 引 言

作為機(jī)器人與目標(biāo)物體相互作用的最后環(huán)節(jié)和執(zhí)行部件，末端執(zhí)行器對(duì)于機(jī)器人智能化水平和作業(yè)水平的提高具有重要意義［1］。末端執(zhí)行器是機(jī)器人的重要構(gòu)成部件，傳統(tǒng)機(jī)器人的末端執(zhí)行器被用于完成一些簡(jiǎn)單的操作，如焊接、噴漆、裝配等，但由于這種末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)形式單一、自由度少、抓取穩(wěn)定性差、靈活性不足，在很大程度上制約了現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展［2］。

氣動(dòng)柔性關(guān)節(jié)［3］是在現(xiàn)代機(jī)器人對(duì)安全性、柔順性和舒適性提出更高要求的前提下而發(fā)展出來(lái)的一種新型氣動(dòng)末端執(zhí)行元件。與傳統(tǒng)末端執(zhí)行元件相比具有許多無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如:既是驅(qū)動(dòng)器也是執(zhí)行器，可以直接驅(qū)動(dòng)，無(wú)需傳動(dòng)裝置與減速裝置、運(yùn)動(dòng)自由度多、運(yùn)動(dòng)平滑無(wú)摩擦、功率重量比大等等。所以氣動(dòng)柔性關(guān)節(jié)目前已成為氣動(dòng)末端執(zhí)行器研究與開發(fā)的熱點(diǎn)之一［4］，最典型的代表就是美國(guó)原子物理學(xué)家McKibben設(shè)計(jì)的McKibben驅(qū)動(dòng)器［5-8］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各大院校也紛紛開始著手研究氣動(dòng)柔性關(guān)節(jié)，吉林大學(xué)耿德旭等人［9］設(shè)計(jì)了雙向主動(dòng)彎曲氣動(dòng)柔性關(guān)節(jié)，浙江理工大學(xué)王龍輝等人［10］也提出了一種氣動(dòng)柔性驅(qū)關(guān)節(jié)，將兩個(gè)氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)以起到相互對(duì)抗作用來(lái)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種7自由度氣動(dòng)人工肌肉機(jī)械手臂。

大柔性靈巧手指是浙江工業(yè)大學(xué)提出的又一種新型氣動(dòng)柔性末端執(zhí)行器，本研究就手指彎曲特性進(jìn)行ANSYS仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究。

1 大柔性靈巧手指結(jié)構(gòu)及工作原理

大柔性靈巧手指結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。圖1中，當(dāng)通過(guò)有孔端蓋4將壓縮氣體通入手指內(nèi)腔時(shí)，由于螺旋彈簧3的約束作用，橡膠管2不會(huì)產(chǎn)生徑向膨脹，同時(shí)由于薄彈簧鋼片6的約束作用，橡膠管2在厚壁側(cè)不會(huì)產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)量，而越靠近薄壁側(cè)軸向伸長(zhǎng)量越大，于是手指向厚壁側(cè)方向彎曲，彎曲角度隨著手指內(nèi)腔壓力增大而增大；當(dāng)釋放手指內(nèi)腔壓縮氣體時(shí)，由于橡膠管2、螺旋彈簧3及薄彈簧鋼片6的作用，橡膠管恢復(fù)至初始狀態(tài)。

圖1 大柔性靈巧手指結(jié)構(gòu)及工作原理圖

2 大柔性靈巧手指彎曲仿真分析

文獻(xiàn)［11］在結(jié)合了靜力平衡與力矩平衡原理的情況下推導(dǎo)出手指轉(zhuǎn)角靜態(tài)模型，給出了手指彎曲角度θ關(guān)于手指變量的求解公式［11］，并通過(guò)Matlab仿真得到手指彎曲角度θ與內(nèi)腔壓力P之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 手指內(nèi)腔壓力與彎曲角度曲線（Matlab仿真）

通過(guò)文獻(xiàn)［12］及大柔性靈巧手指工作原理可知，當(dāng)壓縮氣體充入手指內(nèi)腔時(shí)手指發(fā)生彎曲，產(chǎn)生的效果可以等效為在手指自由端施加彎矩，即可以將手指視為自由端受彎矩的懸臂梁［13］。手指內(nèi)腔壓力與彎矩關(guān)系如表1所示。

表1 手指內(nèi)腔壓力與彎矩等效關(guān)系

這里需要指出，本研究分析手指彎曲時(shí)忽略手指自重影響［14］；當(dāng)手指內(nèi)腔壓力為0.1 MPa時(shí)，手指并未充入壓縮氣體，手指所受為大氣壓強(qiáng)，所以等效彎矩為0 N/m。

在ANSYS軟件中，仿真彎矩與手指彎曲角度的關(guān)系，即手指仿真參數(shù)如表2所示。單元類型選擇為BEAM189梁?jiǎn)卧?，根?jù)仿真參數(shù)建立梁的分析模型，約束加載采用的是一端施加全約束，另一端施加彎矩差。

表2 大柔性靈巧手指仿真參數(shù)

在后處理模塊中，通過(guò)選擇查看彎曲角度，幾張仿真結(jié)果圖如圖3所示（圖中所示角度值為弧度制）。的方式，設(shè)置好載荷步后求解分析。這里要特別強(qiáng)調(diào)的是，由于手指彎曲角度可能會(huì)比較大，分析時(shí)需要打開大變形分析選項(xiàng)，否則分析結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生較大誤

圖3 不同手指內(nèi)腔壓力彎曲效果圖

通過(guò)整理仿真數(shù)據(jù)可得大柔性靈巧手指彎曲角度θ與內(nèi)腔壓力P之間的關(guān)系曲線（ANSYS仿真）如圖4所示。將圖4與圖1比較可以發(fā)現(xiàn)，曲線走勢(shì)基本吻合，從圖中可以看出，隨著手指內(nèi)腔壓力增大，彎曲角度也逐漸增大，且成指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)手指內(nèi)腔壓力為0.5 MPa時(shí)，手指彎曲角度為89.5°，接近于90°。

圖4 手指內(nèi)腔壓力與彎曲角度曲線（ANSYS仿真）

3 大柔性靈巧手指彎曲實(shí)驗(yàn)研究

大柔性靈巧手指實(shí)驗(yàn)原理圖如圖5所示。

圖5 手指彎曲特性實(shí)驗(yàn)原理圖

空氣壓縮機(jī)輸出壓縮氣體，其最高壓力可達(dá)0.8 MPa，貯氣容積為0.26 m3；過(guò)濾減壓閥用來(lái)過(guò)濾空氣并降低氣體壓力，過(guò)濾精度是5 μm，其最高可控壓力為1 MPa，調(diào)壓范圍是0.05 MPa～0.85 MPa；油霧分離器可以凈化壓縮空氣，避免顆粒塵埃進(jìn)入下游工作回路和手指內(nèi)腔中，其過(guò)濾精度是0.3 μm，最高壓力為1 MPa；電氣比例閥自帶壓力傳感器與控制回路，用來(lái)調(diào)節(jié)輸入電壓與輸出氣壓的比例關(guān)系；PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡具有2路D/A，16路A/D，12位分辨率，通過(guò)D/A輸出電壓信號(hào)，用以控制電氣比例閥，從而改變手指的內(nèi)腔壓力，同時(shí)利用A/D轉(zhuǎn)換通道檢測(cè)比例閥的壓力反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制；單向彎曲角度傳感器FLX-03 A用來(lái)測(cè)量手指的彎曲角度，通過(guò)嵌入式處理器處理數(shù)據(jù)，并且以CAN總線方式傳送給工控機(jī)；工控機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體控制。

大柔性靈巧手指的實(shí)物圖與仿真圖如圖6所示。

本研究將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析，通過(guò)Matlab軟件可得手指彎曲理論曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的對(duì)比圖如圖7所示。由圖7可知，手指仿真曲線與手指充氣過(guò)程曲線比較吻合，由于手指放氣過(guò)程有一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，所得到的曲線偏差相對(duì)較大。

筆者所研究的大柔性靈巧手指由于受到一些實(shí)際條件的限制，手指承壓能力有限，在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)手指所能承受的最高內(nèi)腔壓強(qiáng)為0.6 MPa左右，主要原因是:

（1）手指材料為橡膠材料，為了滿足易變性且彈性好等實(shí)際要求，手指彈性模量比較小，大角度彎曲時(shí)薄壁側(cè)拉伸長(zhǎng)度比較大，容易產(chǎn)生應(yīng)力屈服，如圖6（c）所示；

（2）目前是采用硅橡膠等粘接劑接合手指端蓋與手指，實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)接合部位也容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成端蓋脫離。

圖6 大柔性靈巧手指實(shí)物

圖7 仿真與實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)比圖

觀察圖6（b）也可以發(fā)現(xiàn)，手指彎曲并不僅限于理論彎曲平面內(nèi)，在彎曲平面法線方向上也有少量變形，那是由于手指受到制作工藝的限制，實(shí)際手指形態(tài)并不完全與理論模型相符，手指受力情況也并不一定是均勻分布，而且薄彈簧鋼片也不能夠完全起到限制手指?jìng)?cè)向彎曲或扭轉(zhuǎn)的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)ANSYS仿真及實(shí)驗(yàn)研究很好地驗(yàn)證了大柔性靈巧手指轉(zhuǎn)角靜態(tài)模型的正確性，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了手指的一些不足，現(xiàn)大致列舉如下:①手指承壓能力有限，導(dǎo)致手指抓取強(qiáng)度不高；②手指制作精度不夠，抓取時(shí)存在定位誤差；③相同模型的不同手指之間彎曲結(jié)果也存在一定誤差。針對(duì)以上各點(diǎn)，在以后的研究工作中需不斷改進(jìn)，盡量完善。

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