胡禎 劉吉成

摘要：研制了一種基于顆粒材料和氣動真空原理的柔性指端夾持器。該夾持器采用彈性膜包裹顆粒材料的方式形成柔性指端，并配以氣動裝置，對于任何外形復(fù)雜的目標(biāo)抓取對象，柔性指端夾持器無需識別物體外形，能夠自適應(yīng)改變指端形狀，包裹住目標(biāo)對象，以實現(xiàn)完全貼合、非剛性接觸抓取目標(biāo)。為了驗證柔性指端夾持器的應(yīng)用效果，設(shè)計了系統(tǒng)測試實驗，實驗結(jié)果表明，該柔性指端夾持器的抓取速度、抓取成功率和穩(wěn)定性等均能滿足使用需求。

關(guān)鍵詞：柔性指端夾持器;顆粒材料;自適應(yīng)構(gòu)件外形;非剛性接觸

0 引言

本文針對夾持器在抓取光學(xué)器件、芯片及外形尺寸復(fù)雜多變的構(gòu)件時，需要夾持器具備自適應(yīng)被抓取目標(biāo)的外形尺寸，且非剛性接觸的功能，提出了一種基于顆粒材料和氣動真空原理的柔性指端夾持器，并通過實驗驗證了該夾持器應(yīng)用的可行性以及柔性指端夾持器樣機的工作性能。

1 柔性指端夾持器工作原理

機械手要穩(wěn)定地抓取目標(biāo)物體，必須滿足抵消物體的重力、物體在手爪內(nèi)不松動兩個基本條件。本文所提出的柔性指端夾持器與被抓取目標(biāo)間采用摩擦點接觸，即力封閉，夾持器與目標(biāo)物體之間的接觸力并沒有豎直向上的分力，即接觸力無法與目標(biāo)物體的重力進行平衡，因此二者接觸時必然有摩擦力的存在，從而使目標(biāo)物體的運動狀態(tài)保持不變，達到抓取目的。顆粒材料被包裹在柔性膜中，柔性指端設(shè)計為球形，能更好地貼合目標(biāo)物體，可以自適應(yīng)被抓取目標(biāo)的結(jié)構(gòu)外形。顆粒材料之間會相互擠壓，加上外部的膜具有很好的延展性與可塑性，因此柔性指端在接觸目標(biāo)物體的時候能改變自身形狀，與目標(biāo)物體有較大的表面接觸面積，更有效地實現(xiàn)表面貼合。

針對較大平板類目標(biāo)物體的抓取問題，為了形成有效的正壓力，夾持器可以采用兩種方式實現(xiàn)目標(biāo)物抓?。?/p>

（1）增大柔性指端的尺寸，使其完全覆蓋被抓取目標(biāo)物體;

（2）將柔性指端的尺寸減小，采用多個柔性指端協(xié)同抓取的方式，使柔性指端與抓取目標(biāo)結(jié)構(gòu)外形自適應(yīng)匹配，從而產(chǎn)生有效的抓取力。

2 柔性指端夾持器結(jié)構(gòu)

2.1? ? 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

單體柔性指端夾持器主要由3部分組成，分別是基體、表面限制架和柔性組合體，如圖1所示?；w內(nèi)部中空形成一個氣室，目的是使形成真空的過程有一個緩沖，不會損壞柔性組合體;表面限制架是為了限制柔性組合體的空間位移，使后者在一定范圍內(nèi)發(fā)生形變，防止其因不可抗力而破損，同時也能使其更好地貼合目標(biāo)抓取物;柔性組合體由顆粒材料和彈性膜組成，彈性膜將顆粒材料包裹在內(nèi)，形成一個球狀物，更有利于抓取。

結(jié)合圖1所示的單體柔性指端夾持器結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)不同尺寸及外形結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的被抓取目標(biāo)，確保抓取的穩(wěn)定性，本文提出了柔性指端多指夾持器設(shè)計方案，夾持器主要采用滑槽杠桿式手部機構(gòu)，如圖2所示。

圖2中，將拉桿1向上提拉時，圓柱銷2可以在手指3的滑槽中移動，帶動手指3繞O1、O2回轉(zhuǎn)支點轉(zhuǎn)動，使工件4被夾緊。當(dāng)拉桿1向下運動時，工件被松開。

這種機構(gòu)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、動作靈活、手指張開角度大等特點，在工業(yè)機械手中的應(yīng)用較為廣泛。驅(qū)動力計算公式：

式中：P為正壓力;a為O1到中心的水平距離;b為O1到抓取中心的距離;α為夾角;F為垂直力。

滑槽杠桿式手部機構(gòu)使多個柔性指端相互聚攏，從而在接觸表面產(chǎn)生垂直于重力方向的正壓力。

2.2? ? 氣動回路設(shè)計

本文所使用的氣源為空氣壓縮機，能輸出壓縮空氣，但無法產(chǎn)生負壓。因此，氣路設(shè)計著眼于將正壓變成負壓。由流體力學(xué)可知，根據(jù)不可壓縮氣體的連續(xù)性方程可得：

式中：A1、A2為管道的截面面積（m2）;v1、v2為氣流流速（m/s）。

由式（2）可知，截面面積增大，流速減小;截面面積減小，流速增大。對于水平管路，不可壓縮空氣的伯努里理想能量方程：

式中：P1、P2分別為截面A1、A2處的相應(yīng)壓力（Pa）;v1、v2分別為截面A1、A2處的相應(yīng)流速（m/s）;ρ為空氣密度（kg/m3）。

由式（2）、式（3）可知，流速增大，壓力降低。真空發(fā)生器的工作原理與文丘里管相同，是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動狀態(tài)，在卷吸作用下，使得噴管出口周圍的空氣不斷被抽吸走，使吸附腔內(nèi)的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度。

3 系統(tǒng)實驗測試結(jié)果

3.1? ? 柔性指端夾持器填充物及壓強選擇實驗

本文針對單體夾持器進行填充物選擇實驗，柔性膜形成直徑50 mm的球體。顆粒材料直接影響機械手的抓取能力，顆粒物太小，顆粒間的空隙就會變小，抽真空時，整個球狀物的體積變化不大，收緊程度不明顯，產(chǎn)生的正壓力較小，最大靜摩擦力也隨之變小，抓取效果不佳;顆粒物太大，顆粒間的空隙相對較大，柔性指端在貼合目標(biāo)物體時可能會無法很好地覆蓋目標(biāo)物體，接觸面積大大減小，貼合性就相對較差，這也會影響柔性指端的抓取能力。實驗選取30目、60目、120目、220目4種顆粒大小的玻璃微珠，玻璃微珠質(zhì)硬、耐磨性好，不會隨實驗的進行而細化，以抓取水筆作為目標(biāo)，測試顆粒效果。

筆者通過實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，顆粒尺寸與抓取時間之間總體成線性關(guān)系，顆粒越大，抓取時間越短。30目顆粒的抓取過程最迅速，只需0.3 s;60目顆粒的平均用時為1.04 s，可得出結(jié)論：尺寸大于60目的顆粒材料都能實現(xiàn)快速抓取目標(biāo)（此處不討論顆粒過大產(chǎn)生的負面影響，如貼合性差、覆蓋度低等）。

本文還討論了氣體壓強對抓取速度的影響。優(yōu)化實驗采用抓取效果最好的30目的玻璃微珠，在0.1～0.6 MPa內(nèi)對相同目標(biāo)物體（螺絲刀）進行抓取測試，每個壓強數(shù)值下進行10次測試，取平均值。通過實驗可知，在壓強小于0.2 MPa范圍內(nèi)，抓取時間與壓強總體成線性關(guān)系，且抓取時間隨壓強增大而減小，0.1 MPa用時15.24 s，而0.2 MPa用時只需1.02 s，降幅明顯;在壓強大于0.2 MPa范圍內(nèi)，抓取時間幾乎不隨壓強變化而變化，在現(xiàn)有實驗條件下無法分辨其差別，0.3 MPa時的抓取速度已經(jīng)達到0.52 s，完全滿足實際應(yīng)用需求。

3.2? ? 柔性指端多指夾持器實驗

在上述實驗中，本文對填充物和氣體壓強進行了討論，得到了裝置設(shè)計的合理值。為了驗證柔性多指夾持器的工作性能，本文以大尺寸平板抓取為實驗對象，采用自行設(shè)計的柔性指端多指夾持器進行抓取實驗。實驗過程中利用推桿電機驅(qū)動夾持器，使手指夾緊，對柔性指端進行真空處理，使其產(chǎn)生垂直于重力方向的有效正壓力，進而抓取平板類物體。此次實驗測試了10次，都取得了成功。在抓取平板之后，還可以對平板進行翻轉(zhuǎn)、搖晃等操作，平板與柔性指端貼合度好。相比于使用吸盤吸附平板，夾持器抓取平板減少了建立真空的時間，減小了吸盤吸附的結(jié)構(gòu)尺寸，無需考慮貼合性問題。采用柔性指端與滑槽杠桿式手部機構(gòu)結(jié)合的方式進行目標(biāo)物抓取，能完美抓取包括長條形、球形及不規(guī)則外形的目標(biāo)物體。

4 結(jié)語

本文基于顆粒材料和氣動真空原理，設(shè)計了柔性指單體與多指端夾持器結(jié)構(gòu)，并通過實驗驗證了該夾持器的工作性能。該夾持器能自適應(yīng)各種不同結(jié)構(gòu)、易碎及不可直接進行剛性接觸的抓取目標(biāo)，無需識別物體外形就能直接抓取，操作簡單、高效。

實驗表明，在填充物方面，建議采用尺寸為30～60目的顆粒材料，氣源輸出的氣體壓強控制在0.3 MPa以上，以產(chǎn)生相應(yīng)的負壓，保證較高的抓取速度、抓取成功率和穩(wěn)定性。

柔性指端夾持器樣機實驗表明，此夾持器對長條形物體、杯狀物、平板類物體等復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的物體展現(xiàn)出了極好的抓取性能，在貼合程度、抓取速度、抓取穩(wěn)定性等方面都體現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢。

[參考文獻]

[1] 劉培炎，吳松，付榮華，等.柔性機械手抓取能力影響因素的研究[J].機械制造，2017（2）：6-9.

收稿日期：2020-08-04

作者簡介：胡禎（1978—），男，上海人，工程師，研究方向：機械機構(gòu)設(shè)計、幾何量計量校準(zhǔn)及檢測方法。