張凌志，葉樹(shù)江，吳明軒

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

基于小顆粒物真空狀態(tài)轉(zhuǎn)換的新型機(jī)器手

張凌志，葉樹(shù)江，吳明軒

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

傳統(tǒng)通用機(jī)器手都是由多個(gè)獨(dú)立活動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的擬人多指機(jī)器手，需要大量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和算法，從而導(dǎo)致其相應(yīng)的高成本，同時(shí)，由于受到計(jì)算速度的限制，傳統(tǒng)機(jī)器手不但抓取動(dòng)作緩慢且不能完全適應(yīng)目標(biāo)物體的形狀，甚至可能損壞目標(biāo)物體。針對(duì)傳統(tǒng)通用機(jī)器手的諸多缺陷，設(shè)計(jì)一種新型的被動(dòng)機(jī)器手，它由大量的小顆粒物質(zhì)包裹在一個(gè)球狀彈性膜中，利用空氣正壓-負(fù)壓的組合迅速地抓取和釋放普通機(jī)器手難以抓取的物體，具有形狀適應(yīng)性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、可靠性高、執(zhí)行效率高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。

機(jī)器手；小顆粒物；真空狀態(tài)；正負(fù)氣壓

傳統(tǒng)通用機(jī)器手都是由多個(gè)獨(dú)立活動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的典型擬人多指結(jié)構(gòu)。多指機(jī)器手是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，并且很多這樣的機(jī)器手已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。目前設(shè)計(jì)出的活動(dòng)通用機(jī)器手已經(jīng)具備抓取和操作的能力，但需要大量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和計(jì)算，這一點(diǎn)從抓取控制算法方面的研究能夠看出。傳統(tǒng)通用機(jī)器手的復(fù)雜性導(dǎo)致了其相應(yīng)的高成本，阻礙了它們?cè)谏逃霉I(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)，由于受到計(jì)算速度的限制，傳統(tǒng)機(jī)器手不但抓取動(dòng)作緩慢且不能完全適應(yīng)目標(biāo)物體的形狀，甚至可能損壞目標(biāo)物體，復(fù)雜的算法和控制電路也極大地降低了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，使得傳統(tǒng)關(guān)節(jié)式機(jī)器手的應(yīng)用范圍受到了制約[1]。

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器手的諸多缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種新型的被動(dòng)通用機(jī)器手，它由大量的小顆粒物質(zhì)包裹在一個(gè)球狀彈性膜中，利用空氣正壓-負(fù)壓的組合迅速地抓取和釋放普通機(jī)器手難以抓取的物體，例如扁平的、柔軟的、幾何形狀復(fù)雜的物體等。在抓取物體時(shí)，機(jī)器手首先保持松弛狀態(tài)并被動(dòng)地貼合被抓取物體的輪廓形狀，然后利用空氣負(fù)壓硬化，將物體緊緊地包裹在彈性膜的內(nèi)表面，從而抓取物體；在需要釋放物體時(shí)，利用空氣正壓則可以使機(jī)器手返回到原狀態(tài)以達(dá)到釋放物體的目的。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器手抓取物體的成功率高達(dá)85%。與傳統(tǒng)的機(jī)器手相比，具有形狀適應(yīng)性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、可靠性高、執(zhí)行效率高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)和生活中都將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

1 原理分析

這種通用機(jī)器手是被動(dòng)式通用機(jī)器手，它利用不隨溫度變化而發(fā)生“類液態(tài)”到“類固態(tài)”轉(zhuǎn)換的顆粒物質(zhì)實(shí)現(xiàn)抓取和釋放。該機(jī)器手利用三種操作方式：1)表面接觸的靜摩擦力；2)通過(guò)捕捉、適應(yīng)物體輪廓進(jìn)行幾何形狀約束；3)當(dāng)緊密貼合物體的一部分表面時(shí)進(jìn)行真空抽氣。這三種抓取狀態(tài)如圖1所示。靜摩擦力是由真空狀態(tài)發(fā)生時(shí)薄膜的輕微體積收縮造成的，反過(guò)來(lái)，導(dǎo)致了合適的抓取力產(chǎn)生[2]。

圖1 新型機(jī)器手動(dòng)作原理

通過(guò)實(shí)現(xiàn)這三種操作方式的組合動(dòng)作，機(jī)器手可以抓取很多不同形狀、不同重量、易碎的物體，也包括那些傳統(tǒng)機(jī)器手難以抓取的物體。例如，機(jī)器手成功地抓取了硬幣、四面體、半球體、雞蛋、積木玩具和泡沫耳塞等。當(dāng)機(jī)器手裝配在機(jī)器臂上時(shí)，可以工作在沒(méi)有動(dòng)作規(guī)劃、機(jī)器視覺(jué)和觸覺(jué)反饋的開(kāi)環(huán)狀態(tài)下。通過(guò)兩次抓取任務(wù)之間復(fù)位機(jī)器手到一個(gè)松弛狀態(tài)可以保持該通用機(jī)器手的最佳性能。最初，機(jī)器手的復(fù)位是通過(guò)搖晃、揉捏機(jī)器手，或者對(duì)準(zhǔn)裝配在工作區(qū)的復(fù)位裝置進(jìn)行推壓，稱之為手動(dòng)復(fù)位機(jī)器手，如果沒(méi)有這些復(fù)位操作，則機(jī)器手再次抓取物體的成功率會(huì)迅速降低[3]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，一股短時(shí)突發(fā)的空氣正壓沖擊可以使處于抓取狀態(tài)的機(jī)器手迅速釋放物體并復(fù)位，這種方法可以用來(lái)替代手工復(fù)位操作。研究還發(fā)現(xiàn)，使用空氣正壓可以提高機(jī)器手的速度、可靠性、容錯(cuò)性和精確性。另外，快速噴射的空氣正壓沖擊使機(jī)器手將物體投擲向指定的目標(biāo)，該功能拓展了機(jī)器手的工作范圍，如在工廠里投擲物體到指定容器里或是在家里投擲垃圾[4]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型制造

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種機(jī)器手只需要在一個(gè)球狀彈性薄膜里填充小顆粒物即可以產(chǎn)生抓取的動(dòng)作，不需要有電機(jī)、線纜和鉸鏈，只有一個(gè)用來(lái)產(chǎn)生正負(fù)氣壓的空氣泵。在前面的基礎(chǔ)上一個(gè)稍微復(fù)雜些的機(jī)器手已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，它被裝在一個(gè)商用機(jī)器臂上，由剛性托支撐，另外，還設(shè)計(jì)了通氣孔和空氣過(guò)濾裝置[5]。

這一設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。機(jī)器手僅僅由12個(gè)零件構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致它有低成本和容易制造的特點(diǎn)。剛性托是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要素，因?yàn)樗茌o助機(jī)器手指向被抓取對(duì)象，并且可以增加與物體之間的垂直接觸面積，加強(qiáng)抓取效果。在這個(gè)模型里，剛性托和支架都是由3D打印機(jī)制造出來(lái)的，這使得支架可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)制造的機(jī)器手模型如圖2所示。

圖2 重新設(shè)計(jì)制造的機(jī)器手模型

乳膠球膜被夾在基座和剛性托之間以達(dá)到氣密密封的目的，球膜的厚度小于0.33 mm，其內(nèi)部填充了350 cm3體積的磨碎咖啡豆微小顆粒，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。在這個(gè)容積狀態(tài)下，機(jī)器手是剛好充滿的，但是球膜沒(méi)有發(fā)生形變，因此，機(jī)器手在松弛狀態(tài)容易適應(yīng)目標(biāo)物體的形狀。機(jī)器手的形狀近似一個(gè)半徑為43 mm球形?？Х阮w粒的低密度是有利的，因?yàn)檫@種材料可以大量使用，同時(shí)避免像沙子那樣的材料因?yàn)樽灾囟绊懽ト×蛘呤骨蚰ぷ冃蝃6]。

圖3 新型機(jī)器手的結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)和誤差分析

該新型機(jī)器手被裝配在一個(gè)工業(yè)機(jī)器臂上進(jìn)行測(cè)試。正壓空氣流的氣壓為600 kPa、速率2 L/s。真空狀態(tài)由一個(gè)獨(dú)立的空氣泵提供。為了抓取物體，當(dāng)乳膠腔內(nèi)的氣壓低至-85 kPa且持續(xù)1 s，則認(rèn)為真空狀態(tài)轉(zhuǎn)換完畢。其氣壓也可以保持在自然狀態(tài)下，這種狀態(tài)使機(jī)器手自然松弛，并且適合目標(biāo)物體輪廓。所有的測(cè)試都是在機(jī)器臂全速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下完成的，相當(dāng)于機(jī)器手在200 mm/s線速度下進(jìn)行測(cè)試。以上參數(shù)設(shè)置使用于后面提到的測(cè)試。

通過(guò)大量的測(cè)試，將物體形狀與機(jī)器手的抓取力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以條形圖的形式呈現(xiàn)出來(lái)，具體如圖4所示。從圖3可以看到新型機(jī)器手適應(yīng)各種形狀的物體，可以抓取生活中的絕大多數(shù)物體。

圖4 物體形狀與抓取力關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的新型通用機(jī)器手采用小顆粒物真空狀態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)，利用空氣正壓-負(fù)壓的組合迅速地抓取和釋放普通機(jī)器手難以抓取的物體，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器手抓取物體的成功率高達(dá)85%。機(jī)器手可以抓取很多不同形狀、不同重量、易碎的物體，也包括那些傳統(tǒng)機(jī)器手難以抓取的物體。它具有形狀適應(yīng)性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、可靠性高、執(zhí)行效率高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)和生活中都將擁有廣闊的應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步提高抓取成功率和改善復(fù)位效果，未來(lái)將重點(diǎn)研究該機(jī)器手的閉環(huán)控制系統(tǒng)以及突發(fā)氣流復(fù)位系統(tǒng)。

[1]SAXENA A,DRIEMEYER J,NG A Y.Robotic grasping of novel objects using vision[J].Int.J.Robot.Res.,2008(27): 157-173.

[2]王一,劉常杰,任永杰,等.通用機(jī)器人視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的全局校準(zhǔn)技術(shù)[J].光學(xué)精密工程,2009,17(12): 3028-3032.

[3]張鐵異,何國(guó)金,黃振峰.基于PLC控制的混合型氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].液壓與氣動(dòng),2008(9): 6-8.

[4]于殿勇,劉興義.基于PLC與觸摸屏控制的搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009(8): 121-123，127.

[5]VADA V J.The evolution of PLC-based loop control[J].Control Engineering,2010(3): 33-37.

[6]王亞?wèn)|,雷國(guó)華,安波,等.一種仿人足球機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)環(huán)境特征獲取與識(shí)別方法[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013,27(2): 71-75.

Anewmachinehandbasedonsmallparticlevacuumstatetransition

ZHANG Ling-zhi,YE Shu-jiang,WU Ming-xuan

(College of Electrical and Information Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin,150050,China)

Traditional universal machine hand is composed of independent activities of multi-fingered robot hand,with complex structure and a large number of calculations,which leads to the high cost.At the same time,due to the computing speed limit,not only can the traditional machine hand grasp in slow movements and but can not fully adapt to the shape of an object,even damaging the target object.According to the defects of traditional universal machine hand,a design is proposed of a new passive machine hand,which is composed of small particles wrapped in a large number of spherical elastic membrane.The air pressure and negative pressure are combined to quickly grab and release the objects,which has strong adaptability of shape,simplicity in control,high reliability,high efficiency and low cost advantages.

machine hand; small particle; vacuum; positive and negative pressure

2014-05-04

黑龍江工程學(xué)院博士科研基金項(xiàng)目(2011BJ16)

張凌志(1982-)，男，講師，研究方向：測(cè)試計(jì)量技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù).

TP274

B

1671-4679(2014)06-0029-03

郝麗英]