吳健　方俊

摘 要：軟性物體的抓取中存在擠壓和摩擦兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。擠壓可導(dǎo)致物體變形，摩擦可導(dǎo)致物體表面損傷。目前的研究大多著眼于實(shí)時(shí)采集抓取過(guò)程中的力學(xué)數(shù)據(jù)并構(gòu)建智能反饋系統(tǒng)以準(zhǔn)確控制抓取力，達(dá)到無(wú)損抓取目標(biāo)。此類(lèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)用化與市場(chǎng)化。該文提出一種基于振動(dòng)摩擦的鏟式柔性抓取方案。采用鏟式機(jī)械手，以鏟起代替夾持動(dòng)作，從而有效避免擠壓損傷現(xiàn)象；利用振動(dòng)摩擦原理有效減輕摩擦，以避免表面擦傷劃傷現(xiàn)象。計(jì)算表明該方案效果優(yōu)于傳統(tǒng)做法，而成本低于智能式機(jī)械手，具有一定的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)摩擦 機(jī)械手 鏟式抓取。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（c）-0087-02

傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手為獲得良好的定位精度，盡量增加機(jī)械手構(gòu)件的剛度來(lái)減少振動(dòng)。用于夾持陶泥、面點(diǎn)等軟性物體時(shí)，極容易造成工件變形、表面擦傷等缺陷。為解決機(jī)械手操作的速度與精確性的矛盾，柔性機(jī)械手應(yīng)運(yùn)而生。柔性機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)是系統(tǒng)中的柔性部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)歷著大的剛體整體移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又有變形運(yùn)動(dòng)，而且這兩種運(yùn)動(dòng)又是高度耦合的，包括質(zhì)量矩陣等量都是隨著物體變形而變化，都是時(shí)間的函數(shù)，這使柔性機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的復(fù)雜性大大增加。

針對(duì)上述問(wèn)題，許多研究者提出了一些解決方法。胡俊峰[1]提出的并聯(lián)機(jī)械手，采用彈性材料與結(jié)構(gòu)，以利于實(shí)現(xiàn)柔性抓取。章軍[2]的研究中為適應(yīng)抓取大小蘋(píng)果的需要，設(shè)計(jì)了1種靈活的3指6關(guān)節(jié)蘋(píng)果抓取機(jī)械手結(jié)構(gòu)。與此類(lèi)似，熊強(qiáng)等[3]將這種類(lèi)型的機(jī)械手應(yīng)用于抓取梯形包裝盒，并稱(chēng)效果良好。哈佛大學(xué)能源系和美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的研究人員共同開(kāi)發(fā)出一種軟體機(jī)械手，觸手是一個(gè)塑料柔性管，內(nèi)部含有幾個(gè)通道可以吸入空氣，以獲得所需的壓力控制住物體。由于每個(gè)通道都是獨(dú)立加壓，觸手也可能在定向的方式形成卷曲，裹住物體并擠壓。通過(guò)增加足夠的空氣壓力，觸手可以將物體輕輕舉起[4]。

上述研究從理論上或者實(shí)踐上，對(duì)于柔性機(jī)械手的研制進(jìn)行了可貴的探索，取得了一些成果。然而，這些類(lèi)型的柔性機(jī)械手大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，應(yīng)用場(chǎng)合單一，從而限制了其發(fā)展空間。本文提出了一種簡(jiǎn)易的柔性抓取機(jī)械手。這種機(jī)械手另辟蹊徑，略掉了復(fù)雜的手指型構(gòu)造，采用鏟式結(jié)構(gòu)輔之以擺動(dòng)式運(yùn)動(dòng)，以鏟取代替抓取。同時(shí)，利用振動(dòng)摩擦代替了滑動(dòng)摩擦，減少了表面損傷。從而以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了軟性抓取的目的。

1 振動(dòng)摩擦原理

實(shí)踐與研究表明，振動(dòng)能夠有效地減少兩接觸面間的摩擦。一些研究者從破壞靜止條件的角度出發(fā)，提出了有效摩擦系數(shù)的概念，借用有效摩擦系數(shù)的概念來(lái)分析振動(dòng)減摩效應(yīng)，并推導(dǎo)出有效摩擦系數(shù)公式[5-6]。

如圖1所示，是振動(dòng)與正壓力方向平行的情況。靜止物塊質(zhì)量為m，與接觸平面的最大靜摩擦系數(shù)為f；壓力為N，作用力為S；振動(dòng)為，其中F0是振動(dòng)源施加于物體的靜態(tài)作用力，方向平行于N，ω是系數(shù)，t是時(shí)間，φ是相位角。

當(dāng)F（t）絕對(duì)值達(dá)到最大并與N方向相反瞬間，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，平衡狀態(tài)被破壞，轉(zhuǎn)入滑動(dòng)狀態(tài)，此后實(shí)際摩擦系數(shù)不會(huì)大于靜摩擦系數(shù)。

其有效摩擦系數(shù)為

令，則有

由于，振動(dòng)狀態(tài)下有效摩擦系數(shù)。可見(jiàn)，有效摩擦系數(shù)理論給減摩現(xiàn)象給出較為合理的解釋。

2 基于振動(dòng)摩擦的鏟式柔性抓取裝置要點(diǎn)

2.1 柔性鏟式機(jī)械手結(jié)構(gòu)

振動(dòng)型鏟式機(jī)械手如圖2所示，由基體、振動(dòng)器、滑桿、連桿和鏟式手指組成。鏟式手指以鏟起方式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的抓取動(dòng)作，避免傷及陶泥類(lèi)軟性物體?；w、滑桿、連桿與手指協(xié)作，實(shí)現(xiàn)手指開(kāi)合動(dòng)作。振動(dòng)器提供小幅中頻振動(dòng)，以利于被抓取物體與工作臺(tái)的分離并阻止手指與物體之間的粘合。整個(gè)機(jī)械手的軸向移動(dòng)，另有氣缸提供。

振動(dòng)器采用偏心振動(dòng)原理，振動(dòng)幅度<0.1mm，振動(dòng)頻率50HZ，振動(dòng)方向?yàn)榛瑮U往復(fù)移動(dòng)方向，初始振動(dòng)力F0為1N。鏟式手指厚度約2mm，材料為高分子聚酯復(fù)合材料，有良好的減摩性能與柔性，以適應(yīng)軟性物體抓取。手指具有過(guò)渡型尖端，以利于無(wú)傷抓取。

2.2 抓取過(guò)程力學(xué)分析

2.2.1 夾持式機(jī)械手抓取力的靜態(tài)分析

如圖3所示，無(wú)振動(dòng)條件下抓取力P所致摩擦力Ff必須大于陶泥試樣自重G，才不至于脫落，同時(shí)不能使其超出屈服強(qiáng)度。實(shí)際生產(chǎn)條件下，為適應(yīng)各種不同外形的工件，機(jī)械手形狀為平面。

設(shè)機(jī)械手與陶泥單側(cè)接觸面積為A，則最小抓取力（正壓力）P必須滿(mǎn)足，擠壓應(yīng)力為。

摩擦力。

2.2.2 無(wú)振動(dòng)條件下鏟式機(jī)械手的力學(xué)分析

如圖4所示，采用鏟式機(jī)械手，在無(wú)振動(dòng)條件下，采用直接插入鏟起的方式，工件受到擠壓力P和摩擦力F。由于鏟片倒角光滑，且角度很小，在垂直方向，鏟刀需要施加一定的力才能托起工件，若兩邊同時(shí)鏟起，則托起力為工件重量的一半，即擠壓應(yīng)力，

其中A2是接觸面積，同時(shí)摩擦力

。

2.2.3 振動(dòng)條件下鏟式機(jī)械手的力學(xué)分析

如圖5所示，振動(dòng)條件下，鏟刀與陶泥之間的運(yùn)動(dòng)成為振動(dòng)摩擦，并考慮振動(dòng)與正壓力平行。如圖5所示。此時(shí)擠壓應(yīng)力

，其中A3是接觸面積，同時(shí)摩擦力。

3 各抓取方案比較及實(shí)例驗(yàn)證

擠壓應(yīng)力：由于，且，顯然有。對(duì)于摩擦力，

則有。

顯然，方案2和3的擠壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于方案1。鏟式抓取造成的擠壓損傷小于夾持式抓取。

摩擦：一般而言，有，因此。

及。

設(shè)陶泥物性如表1所示：

陶泥試樣形狀為圓柱體，直徑100mm，高度100mm，邊緣有2mm倒角，質(zhì)量為1.33kg。鏟片長(zhǎng)為30mm，寬為100mm，厚度為1mm。

方案1：設(shè)機(jī)械手與陶泥有效接觸寬度為5mm且在陶泥允許的變形范圍，則有效接觸面積A1為500mm2。

方案2：鏟刀與試件底部有效接觸面積為一弓形，設(shè)弓形高為30mm，則有效接觸面積A2為1984mm2。

方案3：有效接觸面積A3為1984mm2，

考慮振動(dòng)可消除陶泥與鏟刀的粘結(jié)作用，實(shí)際有效滑動(dòng)摩擦系數(shù)應(yīng)大幅小于，此處設(shè)為0.08。

三種情形下的擠壓應(yīng)力與摩擦力的對(duì)比如下：

kPa

3.3kPa

kPa

N

可見(jiàn)采用鏟式抓取后，擠壓?jiǎn)栴}得以解決，但是摩擦仍然較大，可能導(dǎo)致陶泥工件邊角擦傷，而采用振動(dòng)式抓取后，摩擦力可減少一半以上，可改善擦傷現(xiàn)象。

4 結(jié)論

該文從理論上論證了鏟式振動(dòng)摩擦型機(jī)械手在抓取陶泥類(lèi)的軟性物體時(shí)的優(yōu)越性。該機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）采用鏟式抓取，避免了夾緊力過(guò)大造成的擠壓損傷。

（2）采用振動(dòng)式抓取動(dòng)作，減少了鏟刀與工件之間的摩擦，也減輕了陶泥與底板、鏟刀之間的粘結(jié)效應(yīng)，緩解了摩擦造成的劃傷。

（3）與當(dāng)前成為研究熱點(diǎn)的人工智能式柔性機(jī)械手相比，鏟式機(jī)械手構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。

其缺點(diǎn)是：

（1）與真空吸盤(pán)式柔性抓取機(jī)械手相比，鏟刀動(dòng)作需精確控制，具有一定的制造難度。

（2）振動(dòng)式抓取時(shí)間較長(zhǎng)，初步測(cè)算為5s以上，仍然難以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。

綜上所述，振動(dòng)型鏟式柔性抓取機(jī)械手是可行的。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是存在的問(wèn)題還需要進(jìn)一步的研究與完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡俊峰，張憲民.一種新型兩自由度柔性并聯(lián)機(jī)械手的優(yōu)化設(shè)計(jì)一種新型兩自由度柔性并聯(lián)機(jī)械手的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人，2010，32（4）：459-463.

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