張 衡, 覃興蒙, 郭林峻, 常 博

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

0 引言

近年來,軟材料和智能材料表現(xiàn)出的柔順性和良好的環(huán)境交互能力使其在機器人領(lǐng)域越來越受歡迎[1-3].軟體夾持器作為軟體機器人的重要執(zhí)行部件,通常采用硅橡膠[4,5]等軟材料制成.因此,軟體夾持器在實際應(yīng)用中也表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能與環(huán)境交互能力[6],例如通過軟材料的柔性變形能力,軟體夾持器能夠很好地抓取形狀不規(guī)則的物體.

目前,關(guān)于軟體夾持器的研究主要涵蓋了驅(qū)動方式、材料與制造方式以及結(jié)構(gòu)參數(shù)等諸多方面[7].軟體夾持器的驅(qū)動方式主要包括氣動驅(qū)動[8]、繩索驅(qū)動[9]、智能材料驅(qū)動[10]、電活性聚合物驅(qū)動[11]等,其中氣動驅(qū)動和繩索驅(qū)動的驅(qū)動力較大,但是需要較大的輔助裝置,如氣泵和電機,并且繩索驅(qū)動的軟夾持器自由度較低,夾持器與抓取對象貼合性較差；智能材料驅(qū)動和電活性聚合物驅(qū)動驅(qū)動力較小,而且容易受到其自身材料的限制,難以在實際生產(chǎn)生活中應(yīng)用.目前,軟體夾持器的驅(qū)動方式主要采用的是氣動驅(qū)動并且已初步投入生產(chǎn)實踐.

隨著對軟體夾持器研究的深入,多種軟材料被應(yīng)用到軟體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造中,常用的材料包括硅橡膠[12]、纖維[13]、形狀記憶合金[9]等,不同的材料在軟夾持器的設(shè)計中發(fā)揮不同的作用,不同的材料往往決定了其應(yīng)用領(lǐng)域、制造方式和工藝.在軟體夾持器設(shè)計制造中,由于各種硅橡膠被廣泛使用,因此鑄造的方式也被廣泛應(yīng)用于軟體夾持器的制造中.這種方式成本低、效率高,并且便于多材料的融合使用[14].

多年來,國內(nèi)外學(xué)者對軟體夾持器的結(jié)構(gòu)進行了廣泛的研究,其結(jié)構(gòu)主要分為氣動網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[14-17]和纖維增強結(jié)構(gòu)[18-22].氣動網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的軟夾持器結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式簡單,但抓取能力有限[14,16].相比之下,纖維增強結(jié)構(gòu)使夾持器具備更大的負載能力[20],并且具備可編程變形的能力[18],但是其結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝復(fù)雜.因此當(dāng)前提高多腔結(jié)構(gòu)軟體夾持器的抓取能力與穩(wěn)定性和改善纖維增強軟夾持器的制備工藝為軟夾持器結(jié)構(gòu)研究的重點[14].

針對多腔結(jié)構(gòu)軟體夾持器抓取能力和抓取穩(wěn)定性等方面的不足,本文提出一種氣動驅(qū)動的多腔結(jié)構(gòu)的軟體夾持器,采用注模工藝制備,通過仿真研究影響軟體夾持器夾持能力的影響因素,優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù),提高了夾持器的彎曲能力.并且設(shè)計了夾持器的下壁結(jié)構(gòu),使得在抓取物體過程中,增大了與物體接觸面積,對物體的表面壓強更小,降低了對物體表面的損傷,改善了軟體夾持器對極易碎物體抓取難的問題.

1 軟體夾持器的制備

1.1 實驗材料

本文采用硅橡膠(Ecoflex-0030)作為軟體夾持器的主體結(jié)構(gòu)材料.利用ABAQUS軟件對軟體夾持器的彎曲及抓取過程進行仿真分析.由于硅橡膠材料屬于非線性超彈性材料,有限元分析中采用Yeoh本構(gòu)模型表述硅橡膠材料的特征,其應(yīng)變能密度函數(shù)為：

(1)

式(1)中：Ci0和Di為材料特征參數(shù)；Ii為變形張量；J為彈性體積比.由于硅膠為不可壓縮材料,J=1.

1.2 模具制造

當(dāng)前,軟體夾持器的制造方式包括3D打印和注模.本文采用注模的方式制作軟體夾持器,注模所用的模具采用3D打印技術(shù)(3D打印機型號Prismlab-RB200)制造,模具打印參數(shù)為：層厚0.1 mm,曝光功率80%,曝光時長0.7 s.利用光固化3D打印機制作注模模具如圖1所示.

圖1 模具示意圖

1.3 注模工藝路線

利用上述模具進行軟體夾持器注模制造,具體工藝流程如圖2所示.

(1)將模具表面噴涂硅膠脫模劑,靜置10 min.稱取Ecoflex-0030A和Ecoflex-0030B等比例混合的硅膠液并緩慢倒入下模中,靜置10 min消泡.

(2)將上模配合蓋在下模上,多余硅膠液由溢流槽流出.合模過程應(yīng)盡量緩慢,避免碰撞到內(nèi)部結(jié)構(gòu).

(3)將澆注好的模具水平靜置12 h后,取出已凝固好的軟體夾持器主體結(jié)構(gòu)(無下壁),切除溢流槽處多余的硅膠,得到無下壁的夾持器主體.

(4)將硅膠液緩慢倒入底模中,靜置5 min消泡.將制作好的夾持器上壁放置于底模中,水平靜置12 h,等硅膠完全凝固即可取出夾持器,軟體夾持器成品如圖2所示.

圖2 注模工藝流程圖

2 軟體夾持器設(shè)計與分析

2.1 有限元分析

2.1.1 仿真分析設(shè)置

利用ABAQUS軟件分析軟體夾持器的彎曲變形,夾持器材料硅膠為超彈性材料,Yeoh參數(shù)為：C10=0.11,C20=0.02,C30=0[15].由于軟夾持器的變形屬于大變形,分析步設(shè)置中需要打開非線性開關(guān),初始步長設(shè)為0.01.并且硅膠屬于不可壓縮材料,且模型形狀較為復(fù)雜,在網(wǎng)格設(shè)置中選擇二次四面體網(wǎng)格,采用改進的雜交單元,網(wǎng)格類型為C3D10MH.軟體夾持器內(nèi)部施加均勻壓強,并將進氣端所在平面完全固定.

2.1.2 網(wǎng)格獨立性檢驗

由于網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對數(shù)值仿真的結(jié)果具有一定影響,因此,本文通過考察50 kPa壓強作用下,單腔軟體夾持器的彎曲角度φ(如圖3所示)對模型進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗,軟體夾持器彎曲角度如表1所示.

表1 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

從表1可以看出,網(wǎng)格尺寸不高于于1.5 mm時,對彎曲角度的影響較小,并且滿足穩(wěn)定性要求的步長.考慮計算時間和精度的影響,本文采用尺寸為1.5 mm的網(wǎng)格.

2.2 單腔軟體夾持器

2.2.1 單腔軟體夾持器彎曲形變模型

在軟體夾持器內(nèi)部壓力的作用下,針對軟體夾持器各部位形變量和夾持器彎曲角度建立模型.當(dāng)內(nèi)部通入一定壓強的空氣時,上下壁產(chǎn)生不同的形變.假設(shè)軟體夾持器在各個方向的變形是連續(xù)且均勻的,并且軟體夾持器的彎曲形變?yōu)閳A環(huán)形(即上下壁的形狀均為圓弧形且圓心相同).根據(jù)扇形圓環(huán)對應(yīng)圓心角的計算公式可以得到夾持器彎曲角度計算公式如下:

(2)

式(2)中：φ為夾持器彎曲角度,Lu為上壁長度,Ld為下壁長度,h為變形后軟體夾持器的高度,各參數(shù)示意如圖3所示.

圖3 軟體夾持器彎曲變形參數(shù)示意圖

2.2.2 單腔軟體夾持器仿真分析

為研究軟體夾持器彎曲過程中各部位變形量,仿照人手指尺寸設(shè)計單腔軟體夾持器,結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示,單腔軟體夾持器長度96 mm,寬度8 mm,高度8 mm,上壁厚度1 mm,下壁厚度1.5 mm.由于軟體夾持器上下壁厚度的差異導(dǎo)致二者在相同內(nèi)部氣壓作用下的變形量不同,上壁相對于下壁容易產(chǎn)生較大形變.

圖4 單腔軟體夾持器結(jié)構(gòu)圖

利用有限元軟件對單腔軟體夾持器進行仿真分析,對軟體夾持器內(nèi)部分別充入30 kPa、40 kPa、50 kPa、60 kPa、70 kPa、80 kPa的空氣,分別測量不同氣壓下的軟體夾持器上壁長度Lu、下壁長度Ld、高度h等參數(shù)如表2所示.

表2 不同壓強下軟體夾持器各部位尺寸

將表1中的計算數(shù)據(jù)代入公式(2)中,計算理論上軟體手指的彎曲角度,將仿真結(jié)果與理論計算得到的彎曲角度進行比較,結(jié)果如圖5所示.根據(jù)對比結(jié)果可知,理論數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)趨勢相同,隨著氣壓增加,夾持器彎曲角度增加,理論結(jié)果相對于仿真結(jié)果的平均誤差為3.24%.

理論模型和仿真分析結(jié)果一致性較好,根據(jù)公式(2)可知,彎曲角度和夾持器上下壁伸長變形量的差值成正比、和夾持器高度成反比.因此增強軟體夾持器彎曲能力的主要方法為,在減小夾持器徑向膨脹量的同時,增加軟體夾持器上下壁伸長量的差值.在不改變夾持器材料等參數(shù)情況下,這需要對夾持器上下壁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計才能實現(xiàn).

圖5 壓強-彎曲角度圖

2.3 多腔軟體夾持器

由章節(jié)2.2可知,提高夾持器彎曲能力應(yīng)著力于提高軟體夾持器上壁伸長量,進而提高上下壁伸長量的差值,這需要軟體夾持器上壁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計.本節(jié)設(shè)計了U、V兩種褶皺形上壁結(jié)構(gòu),如圖6所示,具備該結(jié)構(gòu)的軟體夾持器受到氣壓作用時,上壁不僅會發(fā)生材料的彈性變形,還會發(fā)生褶皺結(jié)構(gòu)的伸展變形,二者疊加使上壁伸長變形量增加,從而增大軟體夾持器上下壁伸長量的差值,進而使軟體夾持器發(fā)生更大的彎曲變形.褶皺形上壁結(jié)構(gòu)將軟體夾持器的腔體分割成一個個小腔體,從而形成了多腔軟體夾持器.本節(jié)對比了U、V兩種上壁結(jié)構(gòu)對夾持器彎曲量的影響,并分析了上壁褶皺深度對多腔軟體夾持器彎曲能力的提升效果.

圖6 多腔軟體夾持器結(jié)構(gòu)圖(H為上壁褶皺深度)

為對比U、V兩種結(jié)構(gòu)對軟體夾持器彎曲能力的促進效果,首先根據(jù)圖6所示的多腔軟體夾持器的結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)建褶皺深度為4 mm和5 mm的U、V形上壁多腔軟體夾持器三維模型,利用有限元軟件對夾持器腔體分別施加20 kPa、25 kPa、30 kPa、35 kPa、40 kPa的氣壓,分析結(jié)果如圖7所示.

圖7 U、V形上壁軟體夾持器彎曲角度對比圖

根據(jù)圖7的對比結(jié)果可知相同氣壓作用下,U形軟體夾持器彎曲角度比V形軟體夾持器增加10%,即U形上壁結(jié)構(gòu)軟體夾持器彎曲能力優(yōu)于V形上壁結(jié)構(gòu)軟體夾持器.

為研究多腔軟體夾持器上壁褶皺深度H對夾持器單向彎曲能力的影響,構(gòu)建不同褶皺深度的U形上壁軟體夾持器的三維模型,褶皺深度分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm,褶皺深度為0 mm指上壁沒有褶皺,即為單腔軟體夾持器.利用有限元軟件分別對軟體夾持器內(nèi)部施加20 kPa、30 kPa、40 kPa的壓強,仿真不同壓強作用下軟體夾持器彎曲角度,結(jié)果如圖8所示.

圖8 上臂褶皺深度對彎曲角度的影響趨勢圖

由圖8可知,相同壓強作用下,隨著褶皺深度的增加,軟體夾持器彎曲能力得到顯著提升.這表明在結(jié)構(gòu)尺寸允許的情況下,不改變其他結(jié)構(gòu)尺寸,僅通過增大褶皺深度就能提高軟體夾持器的彎曲能力.

2.4 螺旋彎曲軟體夾持器設(shè)計與分析

傳統(tǒng)多腔軟體夾持器的運動形式單一,只能發(fā)生單向彎曲變形,執(zhí)行作業(yè)時需要多指協(xié)調(diào)工作才能抓取如細長物體等形狀的物體.本節(jié)在多腔軟體夾持器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,對腔體排布方式對螺旋彎曲情況進行了仿真,分析了不同腔體排列角度α(如圖9所示)對軟體夾持器螺旋彎曲變形的影響.結(jié)果顯示,通過改變多腔軟體夾持器的腔體排列角度可以使軟體夾持器發(fā)生螺旋彎曲.軟體夾持器的螺旋彎曲可以保證軟體夾持器抓取細長物體時,夾持器纏繞在被抓取物體表面,不會發(fā)生單向彎曲時夾持器前端與末端發(fā)生碰撞的現(xiàn)象,從而可以抓取細長物體或較小尺寸的物體.

本節(jié)分析采用U形上壁的多腔軟體夾持器,其上壁褶皺深度為5 mm.通過改變腔體的排列角度使軟體夾持器發(fā)生螺旋彎曲變形,以螺旋升角作為螺旋程度的評判參數(shù),以彎曲角度作為彎曲程度的評判參數(shù).通過有限元仿真,分析腔體排列角度對軟體夾持器螺旋彎曲的影響,軟體夾持器內(nèi)部壓強設(shè)置為40 kPa.

圖9 腔體排列角度α示意圖,圖中腔體排列角度α為腔體中線與端面之間的夾角

夾持器螺旋升角計算公式如下：

(3)

式(3)中：β為螺旋升角；D為指尖在寬度方向的位移量；R為下壁彎曲半徑；φ為彎曲角度,如圖10所示.

圖10 螺旋變曲軟體手指的變形參數(shù)示意圖

測量軟夾持器的彎曲角度并根據(jù)公式(3)計算軟體夾持器的螺旋升角,結(jié)果如圖11所示.根據(jù)圖11可知：隨著腔體排列角度的增大,夾持器螺旋升角隨之增加,夾持器彎曲角度也隨之增大.經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可知：腔體內(nèi)部壓強為40 kPa時,腔體排列角度每增加1°,夾持器螺旋升角增加1.28°,二者呈線性關(guān)系.

圖11 腔體排列角度與軟體夾持器彎曲角度及螺旋升角關(guān)系圖

2.5 軟體夾持器下壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過對夾持器上壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,軟體夾持器的彎曲能力得到了很大提升.但有限元分析結(jié)果顯示,夾持器在充氣后,軟體夾持器下壁會呈現(xiàn)凸起的情況,如圖12所示,這種凸起會導(dǎo)致軟體夾持器下壁呈外凸的圓弧形.在實際作業(yè)環(huán)境中,這種外凸弧形會減小軟體夾持器與被抓取物體之間的接觸面積,從而降低軟體夾持器抓取物體的可靠性.因此本節(jié)對軟體夾持器下壁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,從而提高軟體夾持器對物體的負載能力與可靠性.

圖12 軟體夾持器下壁凸起示意圖

通過有限元分析計算軟體夾持器與被抓取物體的接觸面積與接觸力,將接觸面積的大小作為軟體夾持器抓取可靠性的指標參數(shù),接觸力作為夾持器負載能力的指標參數(shù).

在多腔軟體夾持器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了如圖13所示的下壁結(jié)構(gòu),分別為實體形、倒V形、一字形和V字形.實體形是指下壁結(jié)構(gòu)為實體,截面形狀為矩形；倒V形是指下壁的外形為倒V形；一字形結(jié)構(gòu)是指在下壁增加一個長方形的通孔；V型是指下壁截面為V字型.本節(jié)以實體形下壁結(jié)構(gòu)作為對照,通過有限元仿真,分析其余三種下壁結(jié)構(gòu)對軟體夾持器抓取可靠性的影響.

圖13 多腔軟體夾持器下壁結(jié)構(gòu)示意圖

為判斷軟體夾持器四種下壁結(jié)構(gòu)對軟體夾持器與被抓取物體之間接觸面積的影響,需保證四種下壁結(jié)構(gòu)的軟體夾持器具有相同的彎曲能力,即在相同氣壓作用下,四種軟體夾持器彎曲角度相同.因此,本文利用有限元軟件,對四種底部結(jié)構(gòu)的軟體夾持器分別施加20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa的氣壓,對比判斷四種軟體夾持器的彎曲角度是否相同.經(jīng)過對軟體夾持器下壁結(jié)構(gòu)尺寸的多次調(diào)節(jié),20 kPa到50 kPa壓力下,四種軟體夾持器的彎曲能力基本相同,四種下壁結(jié)構(gòu)的軟體夾持器結(jié)構(gòu)彎曲角度如表3所示.

表3 不同下壁結(jié)構(gòu)軟體夾持器彎曲角度

根據(jù)表3可知,三種下壁結(jié)構(gòu)在20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa的氣壓作用下的彎曲角度和實體形軟體夾持器的彎曲角度偏差最大僅為2.28%,在誤差允許范圍下,可以認為三種軟體夾持器具備相近似的彎曲能力,可以用上述四種下壁結(jié)構(gòu)對比判斷不同下壁結(jié)構(gòu)對軟體夾持器抓取能力的影響.

為探討四種下壁結(jié)構(gòu)軟體夾持器的抓取可靠性和負載能力,設(shè)計了蘋果形的被抓取物體.通過有限元軟件分別仿真軟體夾持器抓取蘋果的情況,通過對比接觸面積的大小評判軟體夾持器的抓取可靠性,對比接觸力的大小評判夾持器的負載能力.分析設(shè)置為：軟體夾持器腔體內(nèi)部的壓強分別為10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa、30 kPa、35 kPa；有限元分析中,夾持器與被抓取物體之間的接觸類型為表面與表面接觸,切向接觸無摩擦，徑向接觸為“硬接觸”,分析二者的法向接觸面積和接觸力.

通過有限元軟件導(dǎo)出軟體夾持器與蘋果模型之間的接觸力和接觸面積,如圖14所示.由圖14可知,相同氣壓作用下,倒V形和一字形下壁結(jié)構(gòu)的軟體夾持器與其接觸面積分別比對照組大69%和52%,這表明倒V形和一字形下壁的軟體夾持器具備更高的抓取可靠性.另外,隨著壓強的增加,接觸力呈增加的趨勢,且相同壓強作用下,四種下壁結(jié)構(gòu)的軟體夾持器接觸力基本一致,這表明四種夾持器具備相近的負載能力.并且,由于倒V形和一字形結(jié)構(gòu)增大了接觸面積,從而減小了接觸壓強,這有利于對易碎物體的抓取.

但是,隨著壓強的增加,接觸面積呈先增大后減小的趨勢.這是由于氣壓過大時,夾持器中部與蘋果接觸的位置隆起從而導(dǎo)致與蘋果分離(如圖14(a)所示),進而導(dǎo)致接觸面積下降.在抓取物體時,這種現(xiàn)象容易導(dǎo)致夾持不牢靠的問題,這對提高軟體夾持器的抓取穩(wěn)定性非常不利.因此,在較高氣壓作用時,提高軟體驅(qū)動器的順應(yīng)性,進而提高與被抓物體的接觸面積顯得極為重要.

圖14 不同下壁結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

3 實驗演示

通過上述仿真,明確了多腔軟體夾持器具備較好的抓取能力,本文通過注模的方式制作了三、四指多腔軟體夾持器,利用arduino控制小型直流氣泵同時給軟夾持器各個手指泵入空氣,利用氣壓傳感器反饋控制供氣壓強,分別試驗抓取了多種形狀的物體如圖15所示,抓取效果表明多腔軟體夾持器具備較好的順應(yīng)性,能夠可靠抓取圓柱形、球形、細長桿等形狀的物體.

圖15 多指軟體抓持手抓取示意圖

4 結(jié)論

本文利用有限元分析的方法,對軟體夾持器變形過程中各部位形變進行了分析,明確了軟體夾持器上下壁伸長差值決定夾持器彎曲角度的大小.設(shè)計了U、V兩種褶皺形上壁的多腔軟體夾持器,分析結(jié)果表明相同氣壓作用下,U形上壁結(jié)構(gòu)的軟體夾持器的彎曲角度相對于V型結(jié)構(gòu)提高10%.

本文開展了多腔軟體夾持器結(jié)構(gòu)參數(shù)對軟體夾持器彎曲變形能力和形式的研究,結(jié)果表明多腔軟體夾持器上壁褶皺深度越大,軟體夾持器彎曲角度越大；多腔體的排列角度不為0°時,軟體夾持器會發(fā)生螺旋彎曲變形.腔體內(nèi)部氣壓為40 kPa時,腔體排列角度每增加1°,螺旋升角增加1.28°,二者呈線性關(guān)系.

本文優(yōu)化設(shè)計了軟體夾持器的下壁結(jié)構(gòu),仿真結(jié)果表明：倒V形和一字形下壁結(jié)構(gòu)在抓取球形或類球形物體時,接觸面積分別提高69%和52%,這極大提高了抓取穩(wěn)定性.