吳明

摘 要：柔性機構(gòu)在彈性變形的過程中往往伴隨著能量的儲存與釋放，若儲存與釋放的能量較為接近時即可達到恒力的效果。變胞機構(gòu)可以在極短的時間內(nèi)完成部分構(gòu)件的合并與分離動作，同時改變機構(gòu)中有效構(gòu)件數(shù)或自由度數(shù)量并形成新構(gòu)型機構(gòu)。本文在柔性變胞原理的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種恒力機械手，介紹了該機械手的運動分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計，并實施了恒力運動分析。這種柔性變胞恒力機械手能夠?qū)崿F(xiàn)較好的自適應(yīng)性，可以用在芯片、玻璃等易碎產(chǎn)品的夾取，具有廣闊的市場空間。

關(guān)鍵詞：機械手;柔性變胞;恒力;運動分析

科學(xué)技術(shù)的進步始終是人類社會繼續(xù)發(fā)展的原動力，其中精密工程、機器人產(chǎn)業(yè)、生物工程產(chǎn)業(yè)以及材料學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用就離不開柔性機構(gòu)的支持。目前，已經(jīng)在柔性機構(gòu)的研究中取得不錯成績的知名學(xué)府包括南洋理工大學(xué)、日本大阪大學(xué)、馬來西亞大學(xué)以及首爾大學(xué)等，為柔性機構(gòu)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。1998年美國機械工程師協(xié)會第一次提出了變胞機構(gòu)的概念，其中變胞機構(gòu)能夠在瞬間內(nèi)完成機構(gòu)自由度的變換并實現(xiàn)奇異變形的特點得到了業(yè)界的極大興趣。在當前的高新科技中，芯片、玻璃以及其他一些易碎物品的夾持始終是一大難題，以往往往是在薄壁易碎類產(chǎn)品的夾持方案中引入力反饋傳感器，以達到實時調(diào)整夾持力的效果。通過柔性變胞機構(gòu)的合理運用以及其與機械手的設(shè)計相結(jié)合，能夠擺脫力反饋傳感器的限制，在實現(xiàn)恒力柔性夾持的前提下實現(xiàn)較高的可靠性，并有效降低成本。

由于柔性恒力機構(gòu)能夠保證在工作過程中消除輸入力大小波動的影響，保持機械手輸出力始終保持穩(wěn)定，因而可以保證在夾持薄壁、易碎類產(chǎn)品的時候不會造成產(chǎn)品的損壞。例如，使用柔性恒力變胞機械手用于生物工程領(lǐng)域研究中的細胞、植物纖維以及動物卵等薄壁物的夾取，可以實現(xiàn)較高的夾取可靠性;在精密工程領(lǐng)域中可以使用柔性恒力變胞機械手夾持芯片等精密元器件進行過程中轉(zhuǎn)與終端裝配。

1 柔性恒力變胞機械手設(shè)計概述

1.1 柔性恒力變胞機械手運動分析

燈泡是一種典型且常見的薄壁易碎類物品，如下圖1所示為柔性恒力變胞機械手夾持燈泡的三個過程，其中A、B、C、D皆為轉(zhuǎn)動副，桿件1和2連接處設(shè)置了扭簧。

如上圖1（a）所示，滑塊4向上移動時桿件1和2之間的轉(zhuǎn)動分離力矩小于桿件1與桿件2連接處的扭簧力或者等于0。將桿件1與桿件2看成是一個整體，其中活動構(gòu)件數(shù)n=3，低副數(shù) Pl=4，高副數(shù)ph=0，可求得機構(gòu)自由度F：

圖1所示的結(jié)構(gòu)中只有1個原動件，自由度F也等于1，機構(gòu)運動方向向上。當構(gòu)件1接觸需要夾取的產(chǎn)品時，構(gòu)件1與構(gòu)件2之間的轉(zhuǎn)動分離力矩會超過扭簧的閉合力，該機構(gòu)會出現(xiàn)變胞運動。由桿件1與桿件2都從1個構(gòu)件變成2個構(gòu)件，整體構(gòu)件的數(shù)量就從3個變成4個，如上圖1（b）所示。由于桿件1接觸燈泡時不會出現(xiàn)相對運動，因而可以作為固定端，隨著滑塊4的向上移動，桿件2會圍繞轉(zhuǎn)動副B為中心開始旋轉(zhuǎn)，如上圖1（c）所示。最終，該柔性變胞機構(gòu)的活動構(gòu)件數(shù)、低副數(shù)以及高副數(shù)與自由度均未發(fā)生改變，即n=3，低副數(shù)pl=4，高副數(shù)ph=0，機構(gòu)自由度，

該機構(gòu)中仍只有一個原動件，原動件數(shù)與機構(gòu)自由度數(shù)相等，機構(gòu)運動方向為向上。

1.2 柔性變胞恒力機械手結(jié)構(gòu)分析

柔性變胞恒力機械手結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2（a）所示，其中桿件4、5、6皆為連架桿，分別當成1個構(gòu)件來處理，此三個構(gòu)件相互成120°夾角，通過轉(zhuǎn)動副實現(xiàn)連接。為了適應(yīng)多種規(guī)格大小的燈泡，設(shè)計了螺紋桿結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)機械手的開口大小。使用該柔性變胞恒力機械手拆卸燈泡時，操作人員手持機構(gòu)的手柄，當機械手與燈泡之間的距離較近時，開始向右旋轉(zhuǎn)螺母，圖2（a）中構(gòu)件6與燈泡的玻璃罩接觸，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)螺母時會導(dǎo)致扭簧閉合力小于構(gòu)件轉(zhuǎn)動分離力矩，機構(gòu)隨即開始變胞，圖中構(gòu)件5驅(qū)動機械手加緊燈泡玻璃罩。由于在一定的條件下可以認為柔性機構(gòu)在變形過程中儲存和釋放的能量近似相等，可以認為該機械手裝置夾緊燈泡過程中保持恒力。

2 柔性變胞恒力機械手恒力運動分析

如下圖3所示，仍以夾持燈泡玻璃罩為例，將短臂柔性鉸鏈視為轉(zhuǎn)動副，則自由度F

圖3所示機構(gòu)自由度數(shù)為1，運動方向確定，k1、k2、k3、k4都表示鉸鏈剛度，a、b、 c、d分別表示四個桿件的長度。夾持過程中e，f與燈泡玻璃罩不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，將二者作為整體桿件c處理。

取F輸出/Fmax輸出為目標函數(shù)，使用Matlab軟件進行函數(shù)優(yōu)化，當該目標函數(shù)的比值等于1時說明機械手函數(shù)效果最好。使用Matlab軟件進行優(yōu)化后的目標函數(shù)比例如下表1所示，與之相對應(yīng)的恒力特性圖。

3 結(jié)論

綜上所述，機械手在現(xiàn)代工業(yè)中具有極其重要的應(yīng)用，傳統(tǒng)機械手為了實現(xiàn)相對恒定的輸出力往往需要引入較多的反饋傳感器，不僅增加了成本，還使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，可靠性不高。柔性恒力變胞機械手則可以很好的解決夾持過程中力穩(wěn)定性的問題，在當前以及未來都有著極其重要的應(yīng)用市場。

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