曹淼龍,楊元健,張波,CHIWAWA Tafara Austine

(1. 浙江科技學院 機械與能源工程學院,杭州 310023; 2. 浙江理工大學 機械與自動控制學院,杭州 310018)

隨著科技水平的提高以及經(jīng)濟社會的發(fā)展,機器人在日常生產(chǎn)生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。廣泛應用于生產(chǎn)制造、交通運輸、醫(yī)療健康等領域[1]。

與傳統(tǒng)的工業(yè)機器人上的剛性末端執(zhí)行器相比,軟體末端執(zhí)行器因為其人機交互更安全、柔順性好且可自由改變自身形狀等特點受到得到國內(nèi)外許多學者的關注和研究[2-6]。

軟體末端執(zhí)行器通常用柔性材料制作而成。Guo等將硅膠制成的氣動夾持器與電子附著夾持器相結合,既能抓取扁平的物體,又能抓取形狀復雜的物體[7]。Yuen等發(fā)明了一種將形狀記憶合金包裹在熱塑性纖維上的可變剛度驅(qū)動器,以制造一種多功能機器人面料[8]。Otake等采用電活性聚合物凝膠制作了一種仿海星軟體機器人。該機器可以通過控制電場的空間變化實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)[9]。

本文研究的末端執(zhí)行器直接用TPE材料3D打印而成,與常見的先打印模具再硅膠澆注成型的方法相比,簡化了步驟,降低了制作成本[10]。通過拉伸試驗,計算出所用材料的材料系數(shù),用有限元軟件基于Mooney-Rivlin模型分析其彎曲性能[11],并通過試驗驗證仿真結果。進行抓取試驗,表明其在在農(nóng)業(yè)領域,抓取表皮易損果蔬中有一定的應用前景。

1 執(zhí)行器結構設計

1.1 執(zhí)行器彎曲原理

目前,常見的軟體末端執(zhí)行器通常由兩大部分組成——膨脹層和限制層。工作原理為:向柔性材料制成的具有腔室的封閉體內(nèi)沖入一定氣壓的氣體,整個腔室(膨脹層)將發(fā)生膨脹形變,若用一定的方法限制住執(zhí)行器的一側形變(限制層),整個執(zhí)行器將向限制層彎曲[12]。

1.2 執(zhí)行器建模

根據(jù)執(zhí)行器的彎曲原理,結合本研究的需要,設計了如圖1所示的執(zhí)行器?？傮w上看類似于人的手指,有3個“關節(jié)”可實現(xiàn)彎曲。

圖1 執(zhí)行器模型

執(zhí)行器剖面結構如圖2所示,整個執(zhí)行器長為80 mm,寬為16 mm,高為20 mm,具體尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2 執(zhí)行器剖面圖

表1 軟體執(zhí)行器尺寸參數(shù)

執(zhí)行器底層較厚,“關節(jié)”處較薄,充氣受到相同的應力時,關節(jié)處更容易發(fā)生彎曲。

2 有限元分析

2.1 TPE的材料特性

由于執(zhí)行器由3D打印而成,打印溫度、填充密度等都可能影響材料參數(shù),所以按照GB/T 528-2009標準,制作試樣并進行單軸拉伸試驗,如圖3所示。式樣總長度為113 mm,啞鈴狀長度為33 mm,啞鈴狀厚度為2 mm,啞鈴狀寬度為6 mm。

圖3 拉伸試驗

在Abaqus中采用Mooney-Rivlin模型進行有限元分析,該模型適用于中小應變的超彈性橡膠,一般默認橡膠材料的各向同性和不可壓縮性(I3=1)的一般應變能表達式為

W=W(I1,I2,I3)

(1)

其中:

(2)

式中:Ii為變形張量;λi為伸長比。

2參數(shù)表達式為

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(3)

式中Cij為材料常數(shù)。

TPE應力-應變關系可由應變能函數(shù)W對主應變λ求偏導表示,可得主應力ti與應變λi關系表達式如下:

(4)

式中ti為主應力。

在單軸拉伸狀態(tài)下有

(5)

化簡得:

(6)

(7)

綜上可求得

(8)

2.2 彎曲性能

在Solidworks中建立執(zhí)行器模型,導入Abaqus中,設置材料為TPE,材料參數(shù)C10=0.620 4,C01=-0.210 4,部分仿真結果如圖4a)所示,從上到下對應的氣壓分別為0、0.08 MPa、0.12 MPa、0.16 MPa、0.2 MPa、0.24 MPa。分別在未充氣和充氣狀態(tài)時連接頂端與末端,所形成的夾角定義為彎曲角α,如圖4b)所示。

圖4 仿真效果

根據(jù)仿真結果繪制充氣壓強——彎曲角度曲線,如圖6所示。由圖可知當充氣壓強為0時,彎曲角度也為0,隨著充氣壓強的增大,末端執(zhí)行器的彎曲角度也隨著增大,呈非線性關系。

3 試驗

3.1 執(zhí)行器制作

在Solidworks中建模后另存為STL格式,再導入到軟件Cura中切片,主要打印參數(shù)如表2所示。打印機噴嘴直徑為0.4 mm,為了便于打印且盡可能保證執(zhí)行器的密封性,執(zhí)行器壁厚應為0.4的整數(shù)倍。

表2 主要切片參數(shù)

3.2 彎曲性能試驗

搭建如圖5所示實驗臺,使用TJ-800型空壓機作為氣源,用PU軟管將氣壓表和軟體驅(qū)動器連接,放置于網(wǎng)格紙上,通過流量閥調(diào)節(jié)輸入氣體壓強。

圖5 彎曲性能試驗臺

在網(wǎng)格紙上標記好首段以及不同壓強下的末端位置,按彎曲角度定義測量彎曲角度。仿真與試驗具體結果如表3所示。

表3 不同壓強下仿真與試驗彎曲角度

為直觀比較試驗結果與仿真結果,在同一坐標系下繪制壓強——彎曲角度曲線,如圖6所示。

圖6 試驗壓強-彎曲角度曲線

由圖6可知,總體彎曲趨勢相同,也呈非線性關系。原因可能為:1) 從圖3c)可以看出應力應變曲線呈非線性說明打印材料(TPE)的力學性能具有一定的非線性;2) 執(zhí)行器結構較復雜且不是絕對密封,充氣時存在漏氣現(xiàn)象,執(zhí)行器受到的壓強非線性。實驗彎曲角度小于仿真彎曲角度且隨著充氣壓強的增大差值也增大。原因可能為:1) TPE材料參數(shù)計算結果與實際值存在誤差;2) 隨著充氣壓強的增大,執(zhí)行器位移增大無法穩(wěn)定在指定點,導致測量誤差增大。

3.3 抓取試驗

為驗證所設計執(zhí)行器抓取性能,需搭建試驗平臺進行抓取試驗。根據(jù)兩指抓取的工作原理設計一種可調(diào)節(jié)兩執(zhí)行器間距的模塊化夾具,如圖7所示。

圖7 夾具

夾具由TPE材料3D打印而成,分為滑道和滑塊兩部分,可根據(jù)加持物的大小滑動滑塊,調(diào)節(jié)執(zhí)行器間距。

將所設計的執(zhí)行器固定在臺架上,氣源為TJ-800型空氣壓縮機,功率為800 W,儲氣量為30 L,排氣量為60 L/min?？梢詼蚀_對執(zhí)行器進行充氣、氣壓保持、放氣等操作,通過流量閥準確控制執(zhí)行器進氣量。臺架如圖8所示。

圖8 試驗臺架

考慮到軟體執(zhí)行器柔順性好等特點,選取日常生后中不同形狀、大小的常見物品進行抓取試驗,物品尺寸及質(zhì)量如表4所示,抓取結果如圖9所示。

表4 抓取物品尺寸及質(zhì)量

圖9 抓取試驗

通過滑動滑塊,調(diào)節(jié)執(zhí)行器間距成功抓取螺栓,說明設計的機械爪具有一定的適應性;成功抓取獼猴桃,且未損壞表皮,說明該執(zhí)行器可以應用于易破損的果蔬抓取中;電蚊香以及鼠標的成功抓取說明執(zhí)行器可以實現(xiàn)對表面光滑的輕質(zhì)物體進行夾持。

根據(jù)Howell方程,彈性體摩擦力為[14]

F=(KNβ-1)N

(9)

式中:F為摩擦力;KNβ-1等于摩擦因數(shù)μ;N為法向力(執(zhí)行器施加于物體的抓取力),對于大多數(shù)聚合物β<1[15]。

Howell方程表明有效摩擦系數(shù)隨著施加力的增大而減小[16]。綜上,由于本執(zhí)行器是柔性的,對于不同的抓取對象無法單純通過摩擦系數(shù)來研究抓取能力。未來,在研究應用于智能農(nóng)業(yè)果蔬無損采摘時要基于滑覺檢測優(yōu)化無損采摘控制系統(tǒng)[17]。

4 結論

1) 設計了一種具有3個關節(jié)的仿人手指柔性末端執(zhí)行器,用TPE材料3D打印而成,用Abaqus基于Mooney-Rivlin模型分析其彎曲性能。

2) 進行彎曲性能試驗以及抓取驗證了其性能。抓取試驗表明其對質(zhì)量為0～100 g的物品有較好的抓取效果,通過調(diào)節(jié)夾具滑塊使其對不同直徑的物品也有較好的適應性。

3) 試驗表明其對表皮易破損的果蔬有較好的抓取效果,在智能農(nóng)業(yè)果蔬的無損采摘、分揀中有較廣闊的應用前景。