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        基于多腔軟體驅(qū)動器的柔性手指設(shè)計(jì)

        2020-09-29 02:54:36張永梁
        關(guān)鍵詞:軟體單向驅(qū)動器

        魏 瓊,張永梁,游 穎,汪 泉

        (湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北武漢430068)

        隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展,相關(guān)行業(yè)對機(jī)器人末端執(zhí)行器的柔順性提出了更高的要求[1-3]。軟體機(jī)器人作為一種新興機(jī)器人,具有較好的柔順性,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)末端執(zhí)行器,滿足不同的工作需求[4],其已廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、核工業(yè)、醫(yī)療及食品等領(lǐng)域[5-7]。目前,國內(nèi)外學(xué)者對軟體機(jī)器人進(jìn)行了大量研究。例如:首爾科學(xué)技術(shù)研究院的Song等人研制了一種基于觸覺反饋的氣動執(zhí)行器,其驅(qū)動力由靜電力產(chǎn)生的內(nèi)部氣壓提供[8];首爾國立大學(xué)的Wang等人研制了一種基于SMA(shape memory alloys,形狀記憶金屬)材料的智能軟復(fù)合鉸鏈制動器[9];日本東芝公司研制了一種三自由度的人工肌肉驅(qū)動器——FMA(flexible micro actuator,柔性微小驅(qū)動器),該驅(qū)動器具有3個腔室,可根據(jù)氣壓來調(diào)節(jié)FMA的運(yùn)動方向[10];德國Festo公司研制了具有自然運(yùn)動形式的輕型機(jī)器人——Bionic Motion Robot(仿生運(yùn)動機(jī)器人),其可以模擬象鼻與章魚觸須的運(yùn)動方式[11];中南大學(xué)的韓奉林等人研制了一種變形可控和剛度可調(diào)的顆粒流驅(qū)動變剛度彎曲軟體驅(qū)動器[12];江南大學(xué)的孫沂琳等人設(shè)計(jì)了一種可上下彎曲的氣動軟體驅(qū)動器,并對其進(jìn)行了有限元仿真分析[13];浙江工業(yè)大學(xué)的鮑官軍研制了一種新型氣動柔性驅(qū)動器,其既可以用作驅(qū)動器又可以直接用作機(jī)器人關(guān)節(jié)[14];天津大學(xué)的王華與北京航空航天大學(xué)的王興堅(jiān)等人共同研制了一種軟體彎曲驅(qū)動器,利用氣壓驅(qū)動力的偏心作用實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器的彎曲運(yùn)動[15];上海交通大學(xué)的費(fèi)燕瓊等人研制了一種多腔軟體行進(jìn)機(jī)器人,利用前、后摩擦片的摩擦力的交替變化來驅(qū)動機(jī)器人周期性前進(jìn)[16]。

        目前,軟體機(jī)器人主要用作工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器,用于夾取表面柔軟或易碎的物品。相比于傳統(tǒng)末端執(zhí)行器,軟體機(jī)器人的柔順性雖有所增強(qiáng),但運(yùn)動自由度還有所欠缺。

        為解決上述問題,筆者設(shè)計(jì)了一種基于三自由度多腔軟體驅(qū)動器的柔性手指,其具有上下彎曲功能與左右側(cè)擺功能。首先,以模擬人手手指的運(yùn)動方式為目標(biāo),對軟體驅(qū)動器的運(yùn)動原理進(jìn)行分析,為實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)大變形彎曲功能以及手指側(cè)擺功能提供理論依據(jù);其次,分析軟體驅(qū)動器的運(yùn)動過程,建立驅(qū)動器偏轉(zhuǎn)角度與輸入氣壓的非線性模型,建立手指的空間位姿方程;最后,在Abaqus CAE軟件中對柔性手指進(jìn)行仿真分析,得到偏轉(zhuǎn)角度與輸入氣壓的關(guān)系曲線,并通過單向軟體驅(qū)動的性能試驗(yàn)來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

        1 柔性手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        柔性手指由單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器、二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器、骨架和指尖等四部分組成,如圖1所示。其中,軟體驅(qū)動器部分由硅橡膠制成。硅橡膠是一種具有超彈性特性的材料,能夠?qū)崿F(xiàn)超大變形,非常適用于制作關(guān)節(jié)。

        圖1 柔性手指結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of flexible finger

        1.1 柔性手指的運(yùn)動原理

        柔性手指的轉(zhuǎn)動由軟體驅(qū)動器完成。軟體驅(qū)動器是一種仿生驅(qū)動器,可模擬環(huán)節(jié)動物的運(yùn)動過程。軟體驅(qū)動器為多腔結(jié)構(gòu),分為上、下腔體,當(dāng)對其上腔體充氣時,上腔體氣壓升高而膨脹變形,下腔體氣壓不變,不發(fā)生變化,從而導(dǎo)致軟體驅(qū)動器發(fā)生偏轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。充氣前后的軟體驅(qū)動器如圖2所示。

        圖2 充氣前后的軟體驅(qū)動器Fig.2 Soft drive before and after inflation

        1.2 單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器可用于模擬人手指近指關(guān)節(jié)的彎曲功能,通過充氣實(shí)現(xiàn)上下彎曲。單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖3所示,其上、下腔體各有5個腔室,其具體尺寸參數(shù)如表1所示。

        1.3 二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        圖3 單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of single direction rotary soft driver

        表1 單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的尺寸參數(shù)Table 1 Size parameters of single direction rotary soft driver 單位:mm

        二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖4所示,共分為三部分:單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器、連接骨架和側(cè)擺軟體驅(qū)動器。側(cè)擺軟體驅(qū)動器與單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器結(jié)構(gòu)相似,為了實(shí)現(xiàn)小幅度擺動功能,其腔室數(shù)量縮減為2個。在柔性手指運(yùn)動過程中,單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器上下彎曲,側(cè)擺驅(qū)動器小幅度擺動,2個驅(qū)動器同步運(yùn)動時即可模擬人手指近指關(guān)節(jié)的運(yùn)動方式。二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的部分尺寸參數(shù)如表2所示,其中單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的尺寸參數(shù)已在表1中說明,不再贅述。

        圖4 二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of two degrees of freedom rotary soft driver

        表2 二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的部分尺寸參數(shù)Table 2 Some size parameters of two degrees of freedom rotary software driver 單位:mm

        2 柔性手指的力學(xué)模型

        2.1 硅橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系

        硅橡膠具有超彈性、不可壓縮等特性,屬于非線性材料。軟體驅(qū)動器由硅橡膠制成,其變形是一種非線性變化,且具有大變形特征。Yeoh模型是一種適用于模擬大變形行為的非線性模型[17-18],本文選取二階Yeoh模型作為軟體驅(qū)動器的本構(gòu)模型。

        假設(shè)硅橡膠具有各向同性和不可壓縮性,基于應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系構(gòu)建硅橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系。二階Yeoh模型應(yīng)變能密度函數(shù)如下:

        式中:W——材料應(yīng)變能;

        I1——變形張量不變量;

        C10、C20——二階Yeoh模型參數(shù)。

        根據(jù)Piola-Kirchhoff應(yīng)力與Cauchy-Green應(yīng)變的關(guān)系[13]可得出發(fā)生形變時橡膠內(nèi)部主應(yīng)力為:

        式中:σ——材料內(nèi)部主應(yīng)力;

        λ1——空間中第1方向上的主伸長比;

        λ2——空間中第2方向上的主伸長比。

        聯(lián)立式(1)和式(2),得到主應(yīng)力與主伸長比的關(guān)系為:

        2.2 軟體驅(qū)動器的力學(xué)模型

        2.2.1 單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的力學(xué)模型

        單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器在轉(zhuǎn)動過程中受到氣壓的作用,產(chǎn)生變形。氣壓在軟體驅(qū)動器內(nèi)壁上產(chǎn)生的力矩(氣壓力矩)與驅(qū)軟體動器自身變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的力矩(應(yīng)力力矩)達(dá)到平衡狀態(tài)。氣壓力矩和應(yīng)力力矩的表達(dá)式分別為:

        式中:Mp——?dú)鈮寒a(chǎn)生的力矩,N?mm;

        p——輸入氣壓,MPa;

        r——力的作用半徑,mm;

        θ——單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器單個腔室偏轉(zhuǎn)角度,rad;

        MW——單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的力矩,N?mm。

        y——驅(qū)動器腔室連接層內(nèi)部應(yīng)力力矩的力臂,mm。

        由虛功原理可知,物體所受的全部外力將轉(zhuǎn)化為其內(nèi)部應(yīng)力,則有:

        當(dāng)氣壓作用在單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器內(nèi)壁上時,內(nèi)壁的變形導(dǎo)致整個內(nèi)壁面的力矩分布不均,因此設(shè)置一個系數(shù)k來表征變化的氣壓值。

        式中:Mp'——?dú)鈮寒a(chǎn)生的真實(shí)力矩,N?mm。

        將式(4)代入式(7)可得:

        伸長比λ1為軟體驅(qū)動器工作長度與原總長度之比:

        將式(10)代入式(9),可得到輸入氣壓與驅(qū)動器單個腔室偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系:

        2.2.2 側(cè)擺軟體驅(qū)動器的力學(xué)模型

        二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器中,五腔室單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器和側(cè)擺軟體驅(qū)動器的工作平面相互垂直。五腔室單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器用于實(shí)現(xiàn)上下轉(zhuǎn)動功能,實(shí)現(xiàn)手指基本功能;側(cè)擺軟體驅(qū)動器用于實(shí)現(xiàn)側(cè)擺功能,增強(qiáng)手指的靈活性。

        根據(jù)式(11),推導(dǎo)出側(cè)擺軟體驅(qū)動器的力學(xué)模型為:

        2.3 柔性手指的位姿方程

        在實(shí)際應(yīng)用中,通常采用D-H參數(shù)來表示工業(yè)機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的位姿,但由于本文所采用的軟體驅(qū)動器的長度可變,不能直接剩用傳統(tǒng)的D-H參數(shù)法來建立柔性手指的位姿方程。因此,須根據(jù)軟體驅(qū)動器的形狀變化規(guī)律,建立能表征柔性手指運(yùn)動特性的位姿方程。

        通過分析軟體驅(qū)動器的運(yùn)動原理可以發(fā)現(xiàn),在發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)時,由于氣壓的作用,軟體驅(qū)動器的內(nèi)腔壁向外擴(kuò)張,底板伸長。單個驅(qū)動器伸長量與偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系為:

        式中:l'——單個驅(qū)動器伸長量,mm;

        δ——單個驅(qū)動器偏轉(zhuǎn)角度,rad。

        設(shè)點(diǎn)S0、S1、…、S23為柔性手指的節(jié)點(diǎn),在一定彎曲角度下,柔性手指的空間狀態(tài)如圖5所示,其中:以S0節(jié)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),以二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的初始彎曲方向?yàn)閆軸正方向,以側(cè)擺軟體驅(qū)動器的初始運(yùn)動方向?yàn)閄軸正方向,以指尖初始方向?yàn)閅軸正方向。

        圖5 柔性手指的空間狀態(tài)Fig.5 Space state of flexible finger

        為建立柔性手指的位姿方程,作如下假設(shè):

        1)兩腔室間連接部位的長度不變;

        2)每個腔室內(nèi)的氣壓相等,且每個腔室的偏轉(zhuǎn)角度相同。

        設(shè)點(diǎn)S0、S1、…、S3為側(cè)擺軟體驅(qū)動器的節(jié)點(diǎn),則其坐標(biāo)為:

        式中:rw——連接層彎曲后其表面圓弧的半徑,mm;

        α——側(cè)擺軟體驅(qū)動器單個腔室的偏轉(zhuǎn)角度,rad。

        二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器中的單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器與側(cè)擺軟體驅(qū)動器之間由骨架連接,S4、S5、…、S13為單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)位置如圖6所示。

        圖6 二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器中單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的節(jié)點(diǎn)位置示意Fig.6 Node position schematic of single direction rotary soft driver of two degrees of freedom rotary soft driver

        由圖6可知,單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器起始節(jié)點(diǎn)S4的坐標(biāo)可表示為:

        節(jié)點(diǎn)Si(i=4,5,…,13)的坐標(biāo)可表示為:

        模擬柔性手指遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)功能的單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器通過3D打印的骨架與二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器相連接。S14、S15、…、S23為單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的內(nèi)部節(jié)點(diǎn),其起始節(jié)點(diǎn)S14的坐標(biāo)為:

        式中:l骨——連接單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器與二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的骨架的長度,mm。

        模擬柔性手指遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)功能的單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器上的節(jié)點(diǎn)Si(i=14,15,…,23)的坐標(biāo)可表示為:

        式中:β——遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)的單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器單個腔室的偏轉(zhuǎn)角度,rad。

        由式(21)可知:柔性手指位姿方程只與側(cè)擺軟體驅(qū)動器單個腔室的偏轉(zhuǎn)角度α、二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器中單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器單個腔室偏轉(zhuǎn)角度θ、遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)的單向轉(zhuǎn)動驅(qū)動器單個腔室的偏轉(zhuǎn)角度β有關(guān)。根據(jù)這3個角度就可以得到柔性手指所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),可為柔性手指的運(yùn)動軌跡規(guī)劃奠定良好的基礎(chǔ)。

        3 單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器有限元仿真分析

        為驗(yàn)證柔性手指力學(xué)模型的正確性,通過Abaqus CAE軟件對柔性手指進(jìn)行力學(xué)仿真分析。在Croe軟件中構(gòu)建單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器、二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器、骨架和指尖的模型并進(jìn)行裝配,然后將柔性手指三維裝配模型導(dǎo)入Abaqus CAE軟件進(jìn)行仿真分析,選擇Yeoh模型作為軟體驅(qū)動器的本構(gòu)模型,其具體參數(shù)如表3所示,邊界條件設(shè)置為進(jìn)氣口端完全固定,負(fù)載設(shè)置為20 kPa氣壓。通過仿真分析可知,單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的彎曲角度可達(dá)102.3°,柔性手指整體的彎曲角度可達(dá)204.6°,其工作狀態(tài)如圖7所示。

        表3 Yeoh模型的參數(shù)Table 3 Parameters of Yeoh model

        圖7 單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器和柔性手指的工作狀態(tài)Fig.7 Working state of single direction rotary soft driver and flexible finger

        將有限元仿真與力學(xué)模型計(jì)算得到偏轉(zhuǎn)角度—輸入氣壓曲線進(jìn)行對比,結(jié)果如圖8所示。其中,為便于分析,采用偏轉(zhuǎn)角度的單位為(°),下同。

        從圖8中可以看出:有限元仿真與力學(xué)模型計(jì)算得到的結(jié)果存在偏差,仿真得到的擬合曲線的斜率隨輸入氣壓的增大而減小,力學(xué)模型計(jì)算得到的擬合理論曲線的斜率基本不變;當(dāng)氣壓大于8 kPa時,仿真曲線的斜率減小得十分明顯,與理論曲線有較大的偏離。原因?yàn)椋涸趩蜗蜣D(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器充氣過程中,其腔壁的變形量隨氣壓的升高而增大,導(dǎo)致其內(nèi)應(yīng)力隨之增大,相同的變形量需要更大的驅(qū)動力,因此仿真曲線斜率逐漸下降;當(dāng)氣壓超過8 kPa后,單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器自身發(fā)生接觸,產(chǎn)生阻力,從而導(dǎo)致仿真曲線斜率明顯減小。

        圖8 有限元仿真與力學(xué)模型計(jì)算得到的偏轉(zhuǎn)角度—輸入氣壓曲線的對比Fig.8 Comparison of the deflection angle-input air pressure curve obtained by finite element simulation and mechanical model calculation

        為了表征氣壓力矩的變化,在第2節(jié)中設(shè)置了一個系數(shù)k,該系數(shù)為通過力學(xué)模型算得的氣壓力矩的增益。通過對比有限元仿真與力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果可知,k與輸入氣壓的關(guān)系式為:

        將有限元仿真與k修正后的力學(xué)模型計(jì)算得到偏轉(zhuǎn)角度—輸入氣壓曲線進(jìn)行對比,結(jié)果如圖9所示。

        圖9 有限元仿真與k修正后的力學(xué)模型計(jì)算得到偏轉(zhuǎn)角度—輸入氣壓曲線的對比Fig.9 Comparison of the deflection angle-input air pressure curve obtained by finite element simulation and mechanical model calculation modified by k

        從圖9中可以看出:k修正后,理論曲線更加接近仿真曲線;而當(dāng)氣壓大于8 kPa后,仿真擬合依舊偏離了理論曲線,這是由于驅(qū)動器自身發(fā)生接觸,導(dǎo)致曲線出現(xiàn)偏離??梢詫蜗蜣D(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的運(yùn)動狀態(tài)分為2個階段:第1階段,偏轉(zhuǎn)角度為0°~80°,軟體驅(qū)動器具有較好的線性度,其運(yùn)動狀態(tài)如圖10(a)所示;第2階段,偏轉(zhuǎn)角度為80°~102.3°,由于結(jié)構(gòu)限制,軟體驅(qū)動器底部會發(fā)生接觸,其運(yùn)動狀態(tài)如圖10(b)所示。

        圖10 單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器工作狀態(tài)Fig.10 Working state of single direction rotary soft driver

        通過仿真發(fā)現(xiàn),當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為0°~80°時,單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的偏轉(zhuǎn)角度隨輸入氣壓的變化關(guān)系基本符合理論計(jì)算結(jié)果;當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度超過80°后,由于單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器自身發(fā)生接觸,產(chǎn)生了阻力,導(dǎo)致仿真結(jié)果與力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生了偏差。由于單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的工作范圍不超過80°,由此可知:在工作行程范圍內(nèi),單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器具有較好的線性度。

        4 試驗(yàn)驗(yàn)證

        為研究單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器實(shí)際力學(xué)特性與理論計(jì)算、仿真分析結(jié)果的差異,進(jìn)行了單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器力學(xué)特性試驗(yàn)。以單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器為試驗(yàn)對象,通過改變輸入氣壓的大小,測量該軟體驅(qū)動器的偏轉(zhuǎn)角度。試驗(yàn)一共設(shè)置20個采樣點(diǎn),輸入氣壓的范圍為0~20 kPa,采樣間隔為1 kPa。當(dāng)輸入氣壓為0,5,10,15,20 kPa時,單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的狀態(tài)如圖11所示,其偏轉(zhuǎn)角度—輸入氣壓曲線如圖12所示。

        圖11 不同輸入氣壓下單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的狀態(tài)Fig.11 State of single direction rotary soft driver under different input air pressures

        圖12 單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器偏轉(zhuǎn)角度—輸入氣壓曲線的對比Fig.12 Comparison of the deflection angle-input air pressure curve of single direction rotary soft driver

        從圖12可以看出,試驗(yàn)數(shù)據(jù)與力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果之間存在誤差,這是因?yàn)椋簤毫鞲衅魇艿皆肼暤母蓴_,影響了數(shù)據(jù)的采集;在制作軟體驅(qū)動器的過程中,硅橡膠中的氣泡無法完全去除,使得材料分布不均勻,從而導(dǎo)致材料變形產(chǎn)生的應(yīng)力也分布不均勻。從整體上看,在偏轉(zhuǎn)角度為0°~80°時,單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器理論計(jì)算與實(shí)際測得的偏轉(zhuǎn)角度—輸入氣壓曲線的變化趨勢基本一致,這說明所建立的力學(xué)模型基本準(zhǔn)確。此外,由試驗(yàn)結(jié)果可知,單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的偏轉(zhuǎn)角度在輸入氣壓為10 kPa時達(dá)到80°,可以實(shí)現(xiàn)柔性手指關(guān)節(jié)的彎曲功能,線性度好且控制容易,表明該軟體驅(qū)動器是一種比較適合的靈巧手關(guān)節(jié)驅(qū)動器。

        5 結(jié) 論

        1)基于硅橡膠的超彈性特征,設(shè)計(jì)了由二自由度轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器和單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器等組合而成的具有3個自由度的柔性手指,初步實(shí)現(xiàn)了人手指的彎曲功能與側(cè)擺功能。

        2)建立了三自由度柔性手指輸入氣壓與偏轉(zhuǎn)角度的力學(xué)模型,建立了柔性手指的位姿方程,并且通過Abaqus CAE軟件驗(yàn)證了所建立的柔性手指力學(xué)模型的準(zhǔn)確性,為柔性手指的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

        3)通過Abaqus CAE軟件仿真分析得到單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器的最大工作角度為80°,符合人類手指日常運(yùn)動范圍,這對仿生型軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了參考。

        4)通過試驗(yàn)驗(yàn)證了單向轉(zhuǎn)動軟體驅(qū)動器力學(xué)模型的準(zhǔn)確性,得到了該軟體驅(qū)動器的建議工作范圍,驗(yàn)證了驅(qū)動器偏轉(zhuǎn)角度與輸入氣壓的關(guān)系。

        5)經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),柔性手指還存在一定缺陷,如在未充氣狀態(tài)下,柔性手指因受到自身重力的作用而產(chǎn)生下垂。在后續(xù)的研究中,將考慮克服自重影響,對柔性手指的材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

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