張遠(yuǎn)飛，劉 勝，霍前俊，徐青瑜

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

0 引言

傳統(tǒng)的末端執(zhí)行器多為剛性結(jié)構(gòu)，通過(guò)多點(diǎn)接觸產(chǎn)生的摩擦力實(shí)現(xiàn)夾持，雖然這些剛性結(jié)構(gòu)具有較高的精度，但是卻難以抓取易碎、形狀不規(guī)則的物體。為了實(shí)現(xiàn)更加理想的抓取，很多學(xué)者通過(guò)仿生的方法研究了自然界中的大象[1]、章魚[2,3]、蛇[4]等生物，提出了軟體抓手的概念。

軟體驅(qū)動(dòng)器是軟體抓手的核心部件，主要依靠軟體驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取、夾持動(dòng)作。軟體驅(qū)動(dòng)器一般由低彈性模量的材料通過(guò)3D打印或3D打印模具澆注而成[5,6]。目前常用的軟體驅(qū)動(dòng)器材料有：形狀記憶合金、水凝膠、硅膠材料和復(fù)合材料等[7,8]。由彈性材料構(gòu)成的軟體驅(qū)動(dòng)器常采用氣體驅(qū)動(dòng)[9]，目前常用的氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器有多腔型和纖維增強(qiáng)型兩種[10,11]。其中多腔型軟體驅(qū)動(dòng)器通過(guò)改變腔室結(jié)構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便[12]，因此多腔型氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究應(yīng)用。例如，ILIEVSKI等[13]研發(fā)了一種自適應(yīng)性很強(qiáng)的氣動(dòng)多腔型軟體海星夾持器，能夠有效包絡(luò)和夾持物體，但該抓手與物體的接觸力較小，抓取物體時(shí)的穩(wěn)定性不夠。Manti M[14]等設(shè)計(jì)了一種具有良好適應(yīng)性且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)損抓取的軟體機(jī)械手。HAO Yufei等[15]研發(fā)并制作了一種氣動(dòng)多腔型軟體抓手，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了其抓取性能。魏樹軍[16]等設(shè)計(jì)并制作了一種纖維增強(qiáng)型的三指軟體抓手，并進(jìn)行了抓取直徑、重量等性能測(cè)試。曹毅[17]等模仿蛇的螺旋纏繞運(yùn)形態(tài)設(shè)計(jì)了一種纖維增強(qiáng)型纏繞軟體抓手，能夠有效提高抓手的夾持力。

目前，研究彎曲多腔型軟體驅(qū)動(dòng)器的比較多，研究扭轉(zhuǎn)多腔型軟體驅(qū)動(dòng)器的比較少。并且采用多腔型氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器制作的軟體抓手很少有能夠有效地抓取棒狀等較長(zhǎng)物體的，其末端與物體的接觸力較小，對(duì)物體的抓取穩(wěn)定性不夠?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)并且制作了一種模塊化的扭轉(zhuǎn)軟體抓手，該抓手能夠根據(jù)所要抓取物體的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整模塊數(shù)，以增加抓手與物體之間的接觸點(diǎn)，使接觸力平均分布，增加對(duì)較長(zhǎng)棒狀物體的抓取力。通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件對(duì)不同腔室角度進(jìn)行分析，選擇合適的軟體驅(qū)動(dòng)器腔室角度，并進(jìn)行軟體抓手扭轉(zhuǎn)角度和末端接觸力的分析。通過(guò)樣機(jī)抓取實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的軟體抓手對(duì)棒狀等較長(zhǎng)物體具有良好的抓取效果。

1 軟體驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

1.1 軟體驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，多腔型氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器以哈弗大學(xué)的PneuNet結(jié)構(gòu)為代表，該結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生彎曲變形效果[18]。基于PneuNet結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變腔室角度來(lái)實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器的扭轉(zhuǎn)效果。圖1是腔室角度分別為45°、60°、75°的軟體驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)。

圖1 不同腔室角度的軟體驅(qū)動(dòng)器

通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件分別對(duì)腔室角度為45°、60°、75°的軟體驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行分析。如圖2所示分別是腔室角度為45°、60°、75°的軟體驅(qū)動(dòng)器的ABAQUS有限元分析位移云圖，圖3為在0.02MPa大氣壓強(qiáng)作用下腔室角度為45°、60°、75°的軟體驅(qū)動(dòng)器繞x軸的扭轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間的變化。

圖2 不同腔室角度軟體驅(qū)動(dòng)器的有限元分析云圖

圖3 軟體驅(qū)動(dòng)器繞X扭轉(zhuǎn)曲線圖

結(jié)合圖2和圖3可以知道腔室角度為60°的軟體驅(qū)動(dòng)器的扭轉(zhuǎn)角度更大，響應(yīng)速度更快。因此下文主要對(duì)腔室角度為60°的軟體驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行研究。

1.2 軟體驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的選取

通過(guò)ABAQUS有限元分析后選用腔室角度為60°的軟體驅(qū)動(dòng)器。如圖4所示為腔室角度θ=60°的軟體驅(qū)動(dòng)器的外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖4 60°的軟體驅(qū)動(dòng)器尺寸

軟體驅(qū)動(dòng)器在整體上可以分為三個(gè)部分，底部是橡膠實(shí)體層，底層橡膠材料較厚，可有效限制底層沿長(zhǎng)度L方向的伸長(zhǎng)和沿寬度S方向的膨脹。上部為氣囊層，單個(gè)氣囊與長(zhǎng)度方向銳角夾角為θ，能夠?qū)崿F(xiàn)扭轉(zhuǎn)動(dòng)作。橡膠實(shí)體層和氣囊層中間為矩形氣體通道，表1為單個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器的尺寸參數(shù)。

表1 軟體驅(qū)動(dòng)器的尺寸參數(shù)

2 軟體驅(qū)動(dòng)器的有限元分析

2.1 硅膠材料超彈性本構(gòu)模型

硅膠是一種不可壓縮的超彈性材料，一般采用Neo-Hookean、Mooney-Rivlin和Yeoh三種應(yīng)變能密度函數(shù)來(lái)搭建應(yīng)變和應(yīng)力之間的非線性模型。其中，Mooney-Rivlin模型能夠模擬大部分橡膠材料的力學(xué)特性，適用于中小變形的分析，Yeoh模型適用于較大變形的分析[19，20]。硅膠的變形屬于較大程度的變形，因此，采用Yeoh模型來(lái)構(gòu)建硅膠材料的應(yīng)變和應(yīng)力之間的非線性關(guān)系。其應(yīng)變能密度函數(shù)模型如式(1)所示：

其中，J是硅膠材料變形前和變形后的體積比，對(duì)于不可壓縮的硅膠材料J=1，材料常數(shù)dk由材料試驗(yàn)確定。N為Yeoh模型應(yīng)變能密度函數(shù)的階數(shù)，常用的Yeoh模型的階數(shù)為兩階，其二項(xiàng)式參數(shù)形式如式(2)所示：

其中，I1為應(yīng)變張量不變量，材料選用硬度shore A為35±5的硅膠，材料參數(shù)C10=0.11，C20=0.01。

2.2 單個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器模塊的性能分析

1）單個(gè)模塊的力學(xué)性能分析

將單個(gè)模塊的一端施加完全固定約束，以0.005MPa為梯度通入氣體，通過(guò)ABAQUS進(jìn)行有限元分析，得到腔室角度為60°的單個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器模塊的壓強(qiáng)-最大輸出力曲線，如圖5所示。

圖5 壓強(qiáng)與輸出力曲線圖

通過(guò)圖5可以看出單個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器的輸出壓力與輸入壓強(qiáng)近似成正比，當(dāng)輸入氣壓達(dá)到0.05MPa時(shí)，單個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器的最大壓力能夠達(dá)到3.5N。

2）單個(gè)模塊的扭轉(zhuǎn)性能分析

將單個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器模塊的一端施加完全固定約束，以0.005MPa為梯度通入氣體，通過(guò)ABAQUS進(jìn)行有限元分析，得到腔室角度為60°的單個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器模塊繞x軸的壓強(qiáng)-扭轉(zhuǎn)角度曲線，如圖6所示。

圖6 壓強(qiáng)與扭轉(zhuǎn)角度曲線圖

如圖6所示，通入的大氣壓強(qiáng)與單個(gè)模塊軟體驅(qū)動(dòng)器繞x軸扭轉(zhuǎn)角度近似成正比，當(dāng)壓強(qiáng)為0.05MPa時(shí)軟體驅(qū)動(dòng)器繞x軸扭轉(zhuǎn)角度約等于4rad。

2.3 雙模塊軟體抓手的性能分析

單個(gè)模塊軟體抓手與棒狀被抓物體之間的接觸點(diǎn)較少，對(duì)于較長(zhǎng)棒狀物體的抓取宜采用多模塊軟體抓手，有利于提高對(duì)于棒狀物體抓取的穩(wěn)定性。如圖7所示為由兩個(gè)相同軟體驅(qū)動(dòng)器連接而成的雙模塊軟體抓手的示意圖。

圖7 雙模塊軟體抓手示意圖

1）雙模塊軟體抓手的扭轉(zhuǎn)性能分析

將雙模塊軟體抓手的一端施加完全固定約束，以0.005MPa為梯度通入氣體，通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行分析，得到雙模塊軟體抓手繞x軸扭轉(zhuǎn)角度與壓強(qiáng)之間的關(guān)系，如圖8的曲線所示。

圖8 雙模塊軟體抓手壓強(qiáng)與扭轉(zhuǎn)角度曲線圖

圖8為雙模塊軟體抓手在大氣壓強(qiáng)作用下繞x軸的扭轉(zhuǎn)角度，在0.025MPa大氣壓后扭轉(zhuǎn)角度增勢(shì)加快，在0.04MPa大氣壓作用下雙模塊軟體抓手繞x軸的扭轉(zhuǎn)角度能夠達(dá)到接近360°，在0.05MPa大氣壓作用下能夠扭轉(zhuǎn)一周多，能夠很好的實(shí)現(xiàn)增大接觸面積的目的，有利于穩(wěn)定抓取。

2）雙模塊軟體抓手的力學(xué)性能分析

將雙模塊軟體抓手的一端施加完全固定約束，以0.005MPa為梯度通入氣體，通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行分析，得到雙模塊軟體抓手上參考點(diǎn)處與壓強(qiáng)之間的關(guān)系，如圖9所示。

如圖9所示，雙模塊軟體抓手在大氣壓強(qiáng)為0～0.035MPa時(shí)大氣壓強(qiáng)與參考點(diǎn)處輸出力近似成正比，在0.035MPa后雙模塊軟體抓手參考點(diǎn)處的輸出力隨所通入的大氣壓強(qiáng)的增大增幅變大，在0.05MPa大氣壓作用下雙模塊軟體驅(qū)動(dòng)器上的參考點(diǎn)處的輸出力能夠達(dá)到3.5N。

3 軟體驅(qū)動(dòng)器的制作

氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器的制作采取模具澆注成型的方式，如圖10為氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器的制取流程。

圖10 氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器的制取流程圖

3.1 模具設(shè)計(jì)與制作

通過(guò)Creo2.0三維繪圖軟件繪制軟體驅(qū)動(dòng)器的三維模型。整個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器模型分為兩個(gè)部分，上半部分為腔室部分，下半部分為底板部分。針對(duì)上述兩部分分別設(shè)計(jì)模具，模具三維模型如圖11所示。

圖11 軟體驅(qū)動(dòng)器模具模型

將繪制好的三維模型保存為.STL格式并導(dǎo)入3D打印機(jī)中進(jìn)行打印成型，如圖12所示。

圖12 3D打印模具實(shí)體

3.2 軟體驅(qū)動(dòng)器成型

將硬度Shore A為35±5的半透明硅膠液體與固化劑按照100：2.5±1的比例混合。為了減少氣泡，可以適當(dāng)減小固化劑的比例，增加固化時(shí)間，并且沿著一個(gè)方向攪拌混合后的硅膠液體。先在模具上涂刷薄薄一層硅膠，等氣泡消失后再將模具灌滿，然后將模具的兩部分閉合，靜止3小時(shí)后將成型的部分軟體驅(qū)動(dòng)器取出來(lái)。最后將成型的軟體驅(qū)動(dòng)器的上下兩部分通過(guò)硅膠粘連接在一起來(lái)完成軟體驅(qū)動(dòng)器的制作。將單個(gè)模塊末端用硅膠專用膠粘在一起構(gòu)成雙模塊軟體抓手，如圖13所示為雙模塊軟體抓手。

圖13 硅膠模型實(shí)體

4 軟體驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)的性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

圖15為搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要由計(jì)算機(jī)、電源、氣泵、調(diào)壓閥、軟體驅(qū)動(dòng)器、PU軟管、PU氣管三通、直通接頭、測(cè)力計(jì)和角度測(cè)量尺等組成。

圖15 試驗(yàn)平臺(tái)

其中計(jì)算機(jī)用于處理輸出測(cè)力計(jì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)控制輸入壓力，PU氣管接頭用于將氣泵輸出氣體分流到多個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器，角度測(cè)量尺用于測(cè)量軟體抓手的扭轉(zhuǎn)角度。

4.2 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

1）單模塊軟體抓手扭轉(zhuǎn)角度試驗(yàn)

以0.005MPa梯度通入大氣壓，待單模塊軟體抓手的扭轉(zhuǎn)角度穩(wěn)定后用角度測(cè)量尺測(cè)量其扭轉(zhuǎn)角度。如圖16為其在不同大氣壓作用下的扭轉(zhuǎn)角度變化。

圖16 單模塊扭轉(zhuǎn)角度

將實(shí)驗(yàn)采集的扭轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)與ABAQUS有限元分析所得到的扭轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)擬合得到如圖17所示擬合曲線圖。

圖17 單模塊扭轉(zhuǎn)角度擬合曲線

如圖17所示，單個(gè)模塊的軟體抓手的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與ABAQUS仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

2）雙模塊軟體抓手扭轉(zhuǎn)角度試驗(yàn)

以0.005MPa梯度通入大氣壓，待雙模塊軟體抓手的扭轉(zhuǎn)角度穩(wěn)定后用角度測(cè)量尺測(cè)量扭轉(zhuǎn)角度。如圖18為其在不同大氣壓作用下的扭轉(zhuǎn)角度變化。圖19為雙模塊軟體抓手扭轉(zhuǎn)的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線。

圖19 雙模塊扭轉(zhuǎn)角度擬合曲線

如圖19所示，在氣壓小于0.025Mpa時(shí)，固定端模塊的扭轉(zhuǎn)程度由于一端固定的原因明顯小于末端模塊。且雙模塊軟體抓手在0.03Mpa時(shí)扭轉(zhuǎn)角度已經(jīng)接近360°，能夠很好地包裹被抓物體。

4.3 接觸力試驗(yàn)

軟體抓手接觸力試驗(yàn)

將軟體抓手的一端固定，以0.005MPa為梯度通入大氣壓，使用蘇測(cè)SH-100型測(cè)力計(jì)分別測(cè)量不同大氣壓作用下單模塊與上模塊軟體抓手末端的壓力大小。如圖20、圖21為軟體抓手末端壓力實(shí)驗(yàn)與有限元仿真據(jù)的擬合曲線。

圖20 抓手末端接觸力擬合曲線

4.4 實(shí)物抓取試驗(yàn)

抓取直徑和抓取重量試驗(yàn)

最大氣壓設(shè)置為0.05Mpa，在最大氣壓下測(cè)試抓手能夠抓取的最小直徑棒狀物體。最小氣壓設(shè)置為0.02Mpa，在最小氣壓下測(cè)試能夠抓取的最大直徑。如圖21所示為單模塊和雙模模塊抓手能夠抓取的最小直徑和最大直徑。

圖21 抓取直徑實(shí)驗(yàn)

取圓周率為3.14，如圖21單模塊軟體抓手能夠抓取的最小直徑為dmin=1.31cm，最大直徑為max=3.28cm，雙模塊抓手能夠抓取的最小直徑為Dmin=1.02cm，最大直徑為Dmax=6.27cm。

保持最大氣壓0.05MPa，通過(guò)電子秤稱量重量向抓手逐漸增加重量，從而測(cè)試抓手能夠抓取的最大重量。圖22為單模塊和雙模塊能夠抓取的最大重量，分別為0.3475kg、1.013kg。雙模塊軟體抓手的抓取重量顯著增加。

圖22 抓取重量

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)ABAQUS有限元分析研究軟體驅(qū)動(dòng)器腔室角度對(duì)于扭轉(zhuǎn)性能的影響，確定了扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的較優(yōu)結(jié)構(gòu)，基于此設(shè)計(jì)了腔室角度為60°的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器；

2）通過(guò)模塊化的組合得到雙模塊軟體抓手，并進(jìn)行單模塊和雙模塊軟體抓手的扭轉(zhuǎn)和末端接觸力有限元分析和樣機(jī)試驗(yàn)，將仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致；

3）對(duì)單模塊和雙模塊軟體抓手進(jìn)行樣機(jī)抓取試驗(yàn)，其中單模塊軟體抓手能夠抓取的最小直徑為dmin=1.31cm，最大直徑為dmax=3.28cm，抓取的最大重量為0.3475kg；雙模塊抓手能夠抓取的最小直徑為Dmin=1.02cm，最小直徑為Dmax=6.27cm，抓取的最大重量為1.013kg。雙模塊軟體抓手的抓取能力明顯優(yōu)于單模塊軟體抓手的能力。進(jìn)一步的研究可考慮加入更多模塊，研究雙模塊以上的軟體抓手的性能。