(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620)

引言

軟體機(jī)器人是從仿生學(xué)的角度，基于自然界中的生物，如毛毛蟲[1]、海星[2]和章魚[3]等設(shè)計出的一種具有連續(xù)變形結(jié)構(gòu)和高自由度的新型機(jī)器人。軟體機(jī)器人通常由低楊氏模量的柔性材料[4]制成，涉及材料學(xué)，力學(xué)等學(xué)科，同時還與3D打印技術(shù)[5]、傳感技術(shù)[6]及智能新型材料驅(qū)動[7]等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，逐漸成為了國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點之一。由于自然環(huán)境中的空氣具備易獲取、質(zhì)量輕、無污染等性質(zhì)，氣動驅(qū)動[8]被廣泛應(yīng)用于軟體機(jī)器人。目前常用的氣動軟體驅(qū)動器包括纖維增強(qiáng)型驅(qū)動器[9-10]和多腔室型驅(qū)動器[11-12]，其中多腔室型軟體驅(qū)動器能夠通過簡單的控制產(chǎn)生復(fù)雜的運動，如雙向彎曲、三維彎曲、伸長和扭轉(zhuǎn)等，因此具有很大的應(yīng)用前景。

BOBAK M等[13]在2014年設(shè)計了一種快速驅(qū)動的多腔室型軟體驅(qū)動器，由內(nèi)嵌氣道網(wǎng)絡(luò)的可延展部分和不可延展的限制層組成，從此開辟了多腔室型軟體驅(qū)動器的研究道路。研究人員為探究多腔室型軟體驅(qū)動器的最佳參數(shù)，做了大量的工作，如腔室的高度和數(shù)量[13]，驅(qū)動器的厚度[14]、形狀[15]都對其本身的變形能力有著顯著的影響。JOHANNES T B等[16]對比三種橫截面形狀的軟體驅(qū)動器，包括矩形，圓形和半圓形形狀，具有半圓形截面的致動器在較小的壓力下更容易彎曲。谷國迎團(tuán)隊[17]分析了腔室角度對軟體驅(qū)動器在三維空間中運動和變形的影響，當(dāng)腔室角度增加時，相同氣壓下，驅(qū)動器的彎曲能力降低，扭轉(zhuǎn)能力增加。

目前氣動軟體驅(qū)動器的截面形狀研究多針對橫截面形狀，縱截面形狀卻少有涉及。本研究分析了縱向截面對軟體驅(qū)動器彎曲性能的影響，將其與腔室角度結(jié)合，提出并設(shè)計0°PN和60°PN兩種多腔室型仿生章魚爪軟體驅(qū)動器。利用3D打印技術(shù)制作模具，使用硅橡膠材料澆注成型，通過有限元仿真和實驗方法研究兩種軟體驅(qū)動器在不同氣壓下的彎曲和力學(xué)性能。

1 軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 軟體驅(qū)動器的縱向截面分析

前人的研究證實了半圓形橫截面的驅(qū)動器在較小的壓力下更容易彎曲[16]。而關(guān)于縱向截面對軟體驅(qū)動器的影響少有涉及。圖1展示了兩種不同縱向截面的軟體驅(qū)動器，由帶有腔室的頂層和較厚的底層組成，頂層包括多個腔室以及每個腔室內(nèi)壁之間的間隙，各腔室由氣路連接。

圖1 不同縱向截面軟體驅(qū)動器

為遵循單一變量原則，圖1中軟體驅(qū)動器a和b的橫截面形狀均為半圓形，寬度、長度、橫截面積和壁厚是相同的。如圖1a所示，軟體驅(qū)動器a的縱向截面為等腰梯形形狀，其腔室置于底層內(nèi)部。如圖1b所示，軟體驅(qū)動器b的縱向截面為波紋形狀，其腔室置于底層外部。

利用Abaqus軟件對軟體驅(qū)動器a和b進(jìn)行有限元仿真分析，施加相同的內(nèi)部壓強(qiáng)，有限元分析云圖結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同縱向截面軟體驅(qū)動器的有限元分析結(jié)果

圖2中，在相同內(nèi)部壓強(qiáng)下，驅(qū)動器b的彎曲能力優(yōu)于驅(qū)動器a，因此選擇軟體驅(qū)動器b作為最佳結(jié)構(gòu)。

1.2 0°PN和60°PN的結(jié)構(gòu)設(shè)計

調(diào)整軟體驅(qū)動器b的腔室角度，使腔室與驅(qū)動器長邊成60°角，其他參數(shù)不變，從而實現(xiàn)三維空間上的彎曲和扭轉(zhuǎn)運動。為方便區(qū)分，將調(diào)整前的軟體驅(qū)動器定義為0°PN(Pneumatic Network)，調(diào)整后的驅(qū)動器定義為60°PN，外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟體驅(qū)動器b的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3中，0°PN的腔室方向垂直于驅(qū)動器的長邊，α=90°，60°PN的腔室方向與驅(qū)動器的長邊成60°角，α=60°。當(dāng)改變腔室角度后，由于驅(qū)動器長度L不變，腔室個數(shù)會隨著角度的增加而減少。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1中，軟體驅(qū)動器腔室內(nèi)壁厚度t1比外壁厚度t3小，表面積大，當(dāng)腔室通入空氣時，內(nèi)部壓強(qiáng)的增加使內(nèi)壁優(yōu)先膨脹；通過增加底層材料的厚度來限制底層延伸，從而使軟體驅(qū)動器向底層方向彎曲?；诜律卖~爪的設(shè)計，軟體驅(qū)動器的末端寬度W1=8 mm，頂端寬度W2=16 mm。當(dāng)輸入相同氣壓時，末端較小的橫截面積能夠提供較大的末端輸出力，大大提高抓取能力；波紋形狀的縱向截面增加了接觸面積和接觸點，使接觸應(yīng)力減小，保證被抓物體的表面不被損壞。從而使軟體驅(qū)動器實現(xiàn)更大的彎曲運動。

表1 軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 軟體驅(qū)動器的有限元分析

為研究0°PN和60°PN兩種軟體驅(qū)動器的力學(xué)特性，使用Abaqus軟件對所設(shè)計的軟體驅(qū)動器進(jìn)行有限元仿真分析。0°PN和60°PN軟體驅(qū)動器均由硅橡膠制成，屬于大變形力學(xué)行為，因此使用Yeoh模型作為硅橡膠的本構(gòu)模型[18-19]，仿真過程中設(shè)定材料參數(shù)為C10=0.11,C20=0.01。用材料的單軸拉伸數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并在Abaqus軟件中與Yeoh模型曲線擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 單軸拉伸實驗數(shù)據(jù)與Yeoh模型擬合結(jié)果

圖4中擬合結(jié)果顯示Yeoh本構(gòu)模型與實驗數(shù)據(jù)基本吻合，精度較高。

2.1 軟體驅(qū)動器的彎曲性能分析

分別對0°PN和60°PN軟體驅(qū)動器進(jìn)行不同氣壓下的彎曲性能有限元分析，圖5所示，為0°PN和60°PN內(nèi)部壓強(qiáng)設(shè)定0.01 MPa時的云圖結(jié)果。

圖5 0°PN和60°PN的有限元分析云圖結(jié)果

圖5中可以看出，0°PN和60°PN的位移變化由頂端向下依次增大。0°PN僅有彎曲運動，而60°PN顯示出三維方向上的彎曲扭轉(zhuǎn)運動。

仿真過程中在軟體驅(qū)動器縱向截面上設(shè)置多個參考點，通過分析參考點的位移變化，繪制0°PN和60°PN在不同壓強(qiáng)下的位移變化曲線。0°PN的仿真位移變化曲線如圖6所示。

圖6 0°PN的仿真位移變化曲線

圖6中，當(dāng)0°PN內(nèi)部施加載荷為0.01 MPa時，達(dá)到最大彎曲程度，位移變化隨著壓強(qiáng)的增加顯著增大，同時驅(qū)動器伴有徑向伸長。

60°PN能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲扭轉(zhuǎn)運動，仿真位移變化曲線如圖7所示。

圖7 60°PN的仿真位移變化曲線

圖7a中x-y軸方向的位移變化表示60°PN彎曲運動；圖7b中x-z軸方向的位移變化表示其扭轉(zhuǎn)運動。當(dāng)60°PN內(nèi)部施加載荷為0.015 MPa時，達(dá)到最大彎曲扭轉(zhuǎn)程度。與0°PN相比，相同氣壓下的扭轉(zhuǎn)程度增大，彎曲程度減小。

2.2 軟體驅(qū)動器的力學(xué)性能分析

將兩種軟體驅(qū)動器頂端和末端固定，設(shè)定內(nèi)部壓強(qiáng)并分析末端面對應(yīng)的輸出力，得到0°PN和60°PN的壓強(qiáng)-末端輸出力曲線，如圖8所示。

圖8 0°PN和60°PN的仿真壓強(qiáng)-末端輸出力曲線

圖8中，0°PN和60°PN的末端輸出力均隨著輸入氣體壓強(qiáng)的增加而增大。如圖8a所示，0°PN承載的最大壓強(qiáng)為0.01 MPa，對應(yīng)末端輸出力為1.1 N。如圖8b，60°PN承載的最大壓強(qiáng)為0.015 MPa，對應(yīng)末端輸出力為2.1 N，是0°PN的1.9倍。

3 軟體驅(qū)動器的實驗研究

3.1 軟體驅(qū)動器的制作

兩種軟體驅(qū)動器0°PN和60°PN使用模具澆鑄法制備，制備材料為肖氏硬度35°的硅橡膠。首先用Solidworks軟件設(shè)計模具的三維模型，通過3D打印得到模具。50 g硅膠原液和1 mL固化劑混合均勻，緩慢注入型腔模具和底層模具中，室溫靜置直至硅膠固化，得到軟體驅(qū)動器頂層和底層部分。將二者緊密貼合，得到軟體驅(qū)動器，制作過程如圖9所示。

圖9 兩種軟體驅(qū)動器的制作

3.2 軟體驅(qū)動器的彎曲實驗

在進(jìn)行軟體驅(qū)動器彎曲實驗之前，對彎曲角度和扭轉(zhuǎn)角度的選取進(jìn)行說明，如圖10所示。

圖10 彎曲角度和扭轉(zhuǎn)角度的定義

圖10中，把軟體驅(qū)動器的頂端與末端連成一條直線。0°PN垂直于坐標(biāo)紙放置，當(dāng)0°PN彎曲時，該直線與豎直方向形成的角度θ被定義為彎曲角度。60°PN平行于坐標(biāo)紙放置，方向朝上，當(dāng)60°PN扭轉(zhuǎn)時，該直線與豎直方向形成的角度β被定義為扭轉(zhuǎn)角度。

實驗步驟：

(1) 對兩種軟體驅(qū)動器進(jìn)行彎曲實驗研究，搭建實驗平臺如圖11所示。

圖11 軟體驅(qū)動器實驗裝置平臺

圖11中，使用微型隔膜泵(DC12 V)作為氣源，用PU軟管分別連接軟體驅(qū)動器和氣壓表，直流電機(jī)調(diào)速閥控制隔膜泵的氣體輸出壓強(qiáng)。

(2) 調(diào)速閥控制氣體壓強(qiáng)，測量0°PN和60°PN軟體驅(qū)動器在不同氣壓下的彎曲或扭轉(zhuǎn)角度，由于0°PN和60°PN軟體驅(qū)動器能承載的最大壓強(qiáng)不同，采用不同的初始壓強(qiáng)和壓強(qiáng)增量對它們進(jìn)行測試。彎曲試驗結(jié)果如圖12所示。

圖12 兩種軟體驅(qū)動器的彎曲實驗結(jié)果

(3) 為準(zhǔn)確獲取兩種軟體驅(qū)動器的彎曲角度和扭轉(zhuǎn)角度，在實驗過程中使用相機(jī)進(jìn)行同步圖像采集，繪出壓強(qiáng)-彎曲/扭轉(zhuǎn)角度曲線。0°PN的壓強(qiáng)-彎曲角度曲線如圖13所示。60°PN的壓強(qiáng)-彎曲/扭轉(zhuǎn)角度曲線如圖14所示。

圖13 0°PN的壓強(qiáng)-彎曲角度曲線

圖13和圖14對比可知，內(nèi)部氣壓為0.006 MPa時，0°PN彎曲角度為70°，60°PN彎曲角度為68°，扭轉(zhuǎn)角度為42°，如圖14a，60°PN內(nèi)部氣壓大于0.006 MPa 后，彎曲角度增加緩慢。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致，60°PN與0°PN相比，隨著壓強(qiáng)的增加，扭轉(zhuǎn)程度增大，彎曲程度減小。

3.3 軟體驅(qū)動器力與氣壓的關(guān)系

對兩種軟體驅(qū)動器進(jìn)行了不同氣壓下的末端輸出力實驗。使用相同的實驗平臺和方法，將軟體驅(qū)動器頂端和末端部位固定，在末端位置設(shè)置FSR402力傳感器，當(dāng)向腔室輸入氣體時，力傳感器會反饋驅(qū)動器末端輸出力的值。繪制0°PN和60°PN的壓強(qiáng)-末端輸出力曲線，如圖15所示。

圖14 60°PN的壓強(qiáng)-彎曲/扭轉(zhuǎn)角度曲線

圖15 兩種軟體驅(qū)動器的壓強(qiáng)-末端輸出力曲線

圖15中，0°PN輸入氣壓為0.01 MPa時，達(dá)到最大彎曲程度，末端輸出力為1.2 N；60°PN輸入氣壓為0.015 MPa時，達(dá)到最大彎曲扭轉(zhuǎn)程度，末端輸出力為2.2 N，是0°PN的1.8倍。

4 結(jié)論

(1) 本研究通過分析縱向截面形狀對軟體驅(qū)動器彎曲性能的影響，確定了驅(qū)動器的優(yōu)選結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計并制作了0°PN和60°PN兩種多腔室型仿生章魚爪軟體驅(qū)動器;

(2) 使用Abaqus軟件對兩種軟體驅(qū)動器進(jìn)行了有限元仿真研究，確定了制作材料硅橡膠的本構(gòu)模型，模擬其彎曲和力學(xué)性能;

(3) 對兩種軟體驅(qū)動器開展了不同氣壓下的彎曲試驗、末端輸出力的測量試驗，實驗與仿真結(jié)果一致，誤差僅為4.5 %。輸入氣壓越高，0°PN和60°PN軟體驅(qū)動器的彎曲/扭轉(zhuǎn)角度越大，末端輸出力也越大。60°PN隨著輸入氣壓增大彎曲成螺旋狀，相比0°PN，隨著壓強(qiáng)的增加，60°PN的扭轉(zhuǎn)程度增加，彎曲程度減小。值得一提的是，60°PN的氣壓承載能力是0°PN的1.5倍，最大末端輸出力是0°PN的1.8倍。