涂 琴，岳東海，王延杰2，劉光新

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備學(xué)院，江蘇常州 213164； 2.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022)

引言

柔性手爪是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作柔性的重要方式，在很多領(lǐng)域的需求日益突出，如制造業(yè)、食品醫(yī)療行業(yè)、物流行業(yè)、電子裝配、搶險(xiǎn)救災(zāi)、海鮮抓取、水下標(biāo)本采集、管道檢測(cè)、空間碎片抓取、軍事偵查等[1-2]。上述領(lǐng)域中對(duì)異形物體、柔性體、易碎物體等進(jìn)行抓取時(shí)，傳統(tǒng)的剛性手爪很難勝任。相比之下，多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器具有較強(qiáng)的通用性[3-4]。這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)圓柱形柔性手指相比，因接觸面積增大，使得承載能力和抓取穩(wěn)定性增強(qiáng)；同時(shí)多腔體結(jié)構(gòu)能夠釋放壓力作用下手指在與軸向相垂直方向上的變形，降低材料非線(xiàn)性對(duì)曲率半徑的影響，使得手指整體變形趨于常曲率結(jié)構(gòu)，便于形態(tài)的描述與控制[5-6]。但這種變形特點(diǎn)很少有學(xué)者進(jìn)行定量分析[7]。多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器在軟體機(jī)器人中應(yīng)用也較廣，但其變形特性與數(shù)學(xué)模型的研究較少，使其精確控制、優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用受到一定限制[8-10]。

采用多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成柔性手爪時(shí)，由于抓取對(duì)象差異性大、材料非線(xiàn)性等特點(diǎn)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)參數(shù)差異較大，相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和理論較為缺乏；現(xiàn)有的控制方法多是基于線(xiàn)彈性模型，與實(shí)際情況差異較大[11-13]。多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的變形特點(diǎn)與工作壓力、負(fù)載都密切相關(guān)。但目前多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器數(shù)學(xué)模型建立時(shí)，要么很少考慮負(fù)載的作用，要么考慮負(fù)載時(shí)則多基于剛體理論進(jìn)行最小工作壓力的推導(dǎo)。但由于橡膠或硅膠材料的非線(xiàn)性，最小工作壓力很少會(huì)作為實(shí)際的控制壓力[14]。相比之下，形變參數(shù)與工作范圍的探討更具實(shí)際價(jià)值。多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器負(fù)載抓持解析模型建立難度較大，采用仿真方法進(jìn)行分析時(shí)，會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性、邊界條件非線(xiàn)性以及流固耦合特點(diǎn)使得求解難度大大增加[15]。上述情況決定了采用試驗(yàn)的方法分析多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器負(fù)載抓持時(shí)的變形特性會(huì)更加可靠，并且需建立數(shù)學(xué)模型來(lái)指導(dǎo)多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)、控制、材料選擇等工作，為機(jī)器人的手眼控制等人機(jī)共融領(lǐng)域需求提供基礎(chǔ)[16]。

本研究以多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的二指式柔性手爪為例，建立多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的形變?cè)u(píng)價(jià)指標(biāo)。擬通過(guò)試驗(yàn)的方法分析不同工作條件下的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器變形規(guī)律，據(jù)此建立半經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型，為多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的精確控制與應(yīng)用拓展提供參考。

1 材料與方法

1.1 多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

軟體驅(qū)動(dòng)器為實(shí)現(xiàn)彎曲，常采用柔性橡膠管加限制應(yīng)變層的結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)更大的彎曲角以方便抓取尺寸較小的物體，可采用多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器。為提高抓取穩(wěn)定性，采用如圖1a所示內(nèi)側(cè)設(shè)有“V形”紋路的梯形多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器，“V形”紋路高度1.5 mm，其剖面圖如圖1b所示。腔體為梯形結(jié)構(gòu)，上底、下底、腔體高度的比值為1∶2∶4.8，充氣后腔體接近圓形，如圖2所示。采用梯形腔體結(jié)構(gòu)而非矩形腔體是由于梯形腔體變形后的近圓形結(jié)構(gòu)相對(duì)容積較大，能夠最大程度上吸收驅(qū)動(dòng)器的變形，從而使驅(qū)動(dòng)器整體變形趨于常曲率結(jié)構(gòu)，便于形態(tài)控制。當(dāng)工作壓力或負(fù)載變化時(shí)，多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑和腔體擬合圓會(huì)發(fā)生變化。基于該特點(diǎn)，建立梯形多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的形變?cè)u(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖3所示。

1.橡膠 2.腔體 3.無(wú)彈性強(qiáng)力編織層 4.“V形”紋路圖1 多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

圖2 軟體驅(qū)動(dòng)器空載下的變形

圖3 軟體驅(qū)動(dòng)器形變?cè)u(píng)價(jià)指標(biāo)示意圖

1.2 多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器形變?cè)u(píng)價(jià)指標(biāo)

1) 末端軌跡

末端軌跡是指不同壓力或負(fù)載下多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器內(nèi)側(cè)末端的橫向坐標(biāo)lx/mm與縱向坐標(biāo)ly/mm，如圖3所示。末端軌跡是軟體驅(qū)動(dòng)器形態(tài)控制的重要依據(jù)。

2) 末端接觸力

末端接觸力是指由多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的手爪抓取物體時(shí)的單側(cè)正壓力，用F/N表示。

3) 曲率半徑

多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑是指負(fù)載抓取時(shí)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)側(cè)輪廓擬合圓的半徑，記為R/mm，如圖3所示。采用曲率半徑而非彎曲角作為多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器總體形態(tài)變化的指標(biāo)，一方面是考慮負(fù)載對(duì)曲率半徑的正向影響關(guān)系；另一方面，對(duì)于橡膠彈性體，受氣壓作用柔性手指在軸線(xiàn)方向會(huì)有一定的伸長(zhǎng)，對(duì)彎曲角有影響。同時(shí)，曲率半徑是壓力控制的直接參考指標(biāo)。

4) 腔體擬合圓直徑

當(dāng)多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器通氣彎曲時(shí)，腔體由梯形演變?yōu)榻鼒A形，如圖2和圖3所示。將腔體擬合圓直徑作為腔體微結(jié)構(gòu)的形變指標(biāo)，記為di/mm，與曲率半徑形成補(bǔ)充。腔體位于驅(qū)動(dòng)器外側(cè)，受約束較小，對(duì)受壓力和負(fù)載的作用會(huì)比較敏感。由于能量守恒原理，腔體微結(jié)構(gòu)的變化可能是決定多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器能否實(shí)現(xiàn)常曲率彎曲以及形態(tài)可控性的重要因素。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

為了研究多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的變形特點(diǎn)，構(gòu)建如圖2單指空載變形特性試驗(yàn)臺(tái)，圖4a所示軟體驅(qū)動(dòng)器負(fù)載抓持變形試驗(yàn)臺(tái)。圖1所示多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度為85 mm，指根寬度均為18 mm。圖2所示多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器二指手爪指根間距為64 mm。對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器的接觸力進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一般采用柔性傳感器。但一方面柔性傳感器需內(nèi)嵌于多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，制作難度較大；另一方面，由于如圖1b所示多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器夾持面“V”形結(jié)構(gòu)的存在會(huì)使傳感器的靈敏度受限。故構(gòu)建如圖4b所示的軟體驅(qū)動(dòng)器末端接觸力模擬試驗(yàn)臺(tái)，基于平面壓力傳感器，通過(guò)調(diào)節(jié)軟體驅(qū)動(dòng)器的上下位置來(lái)模擬二指手爪抓取不同直徑物體時(shí)的末端接觸力。圖4中，采用高靈敏度200 萬(wàn)像素工業(yè)相機(jī)WP-GC200和配套軟件Democam進(jìn)行手爪變形過(guò)程的圖像采集和顯示。相機(jī)安裝在高度可調(diào)的支架上。柔性手爪的操作臺(tái)和坐標(biāo)板采用加工定制。坐標(biāo)板距軟體驅(qū)動(dòng)器中心的距離為100 mm，坐標(biāo)板距相機(jī)鏡頭的距離為455 mm。

1.單體軟體驅(qū)動(dòng)器 2.控制器(含比例減壓閥、換向閥)3.工業(yè)相機(jī) 4.坐標(biāo)版 5.平面壓力傳感器6.平面壓力顯示 7.氣動(dòng)系統(tǒng)遙控器 8.操作臺(tái)圖4 軟體驅(qū)動(dòng)器變形特性試驗(yàn)臺(tái)

圖4中氣動(dòng)系統(tǒng)控制器進(jìn)氣壓力0.3～0.8 MPa，輸出壓力-0.03～0.11 MPa。采用比例減壓閥對(duì)柔性手爪的進(jìn)氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)壓力值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。抓持對(duì)象選擇以火腿腸為代表的圓柱體，以減小抓取對(duì)象特性對(duì)結(jié)果的影響，其參數(shù)如表1所示。表中 “負(fù)載一”為空載，是參照組。

表1 抓取對(duì)象結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.4 試驗(yàn)方法

先進(jìn)行多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器空載下的變形特性試驗(yàn)，再進(jìn)行負(fù)載質(zhì)量分別為30.5 g和87.5 g時(shí)的負(fù)載抓取試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，先分別得到多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器不同負(fù)載下穩(wěn)定抓持的最小壓力，再線(xiàn)性加壓，拍攝記錄對(duì)應(yīng)的手爪形狀。根據(jù)手爪變形情況及時(shí)停止加壓。末端接觸力測(cè)量時(shí)，使圖4b中軟體驅(qū)動(dòng)器指根到平面壓力傳感器上表面的距離滿(mǎn)足式(1)所示的關(guān)系。并保持安裝位置不變，從軟體驅(qū)動(dòng)器能接觸到平面壓力傳感器開(kāi)始，線(xiàn)性加壓，模擬測(cè)量表2中不同抓取對(duì)象在不同壓力下的驅(qū)動(dòng)器末端接觸力。采用MATLAB對(duì)Democam軟件拍攝到的圖片進(jìn)行處理，再提取手爪變形特性參數(shù)等信息。依據(jù)圖像上坐標(biāo)板單位刻度和圖4中相機(jī)、手爪中心、坐標(biāo)板之間的間距換算得出軟體驅(qū)動(dòng)器變形的實(shí)際尺寸。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟體驅(qū)動(dòng)器變形特性的分析。

H=(LS-D)/2

(1)

式中，H—— 驅(qū)動(dòng)器指根到平面壓力傳感器上表面的距離，mm

LS—— 圖4a中軟體驅(qū)動(dòng)器二指手爪指根間距，mm

D—— 抓取對(duì)象直徑，mm

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器工作特性

1) 末端軌跡

當(dāng)負(fù)載質(zhì)量m分別為0，30.5，87.5 g時(shí)，多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的末端軌跡坐標(biāo)lx與ly隨工作壓力的變化規(guī)律如圖5所示。從圖中可以看到，空載下隨著工作壓力增大，末端軌跡坐標(biāo)呈拋物線(xiàn)的趨勢(shì)變化。負(fù)載的增大使驅(qū)動(dòng)器的工作范圍和末端軌跡變化范圍均減小、線(xiàn)性度增加。當(dāng)負(fù)載質(zhì)量為30.5 g時(shí)，在工作壓力為0.065 MPa附近多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的末端軌跡坐標(biāo)發(fā)生突變，這是工作壓力、負(fù)載、多腔體結(jié)構(gòu)、超彈性材料交互作用的結(jié)果，說(shuō)明了軟體驅(qū)動(dòng)器變形過(guò)程的復(fù)雜性。

圖5 不同負(fù)載下的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器末端軌跡變化

本研究采用火腿腸作為抓持對(duì)象，在夾持力作用下會(huì)有一定變形。但一方面本研究采用的火腿腸直徑與傳統(tǒng)火腿腸相比更大、長(zhǎng)度更短，因而相對(duì)變形更??；另一方面，與傳統(tǒng)柔性手指的平直表面或圓柱體表面不同，圖1中的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器內(nèi)側(cè)設(shè)有鋸齒狀“V形”紋路，抓取柔性物體時(shí)該“V形”紋路(紋路高度1.5 mm)與抓持對(duì)象的變形相補(bǔ)償，使得不同負(fù)載下圖3和圖4中的軟體驅(qū)動(dòng)器內(nèi)側(cè)輪廓線(xiàn)與抓取對(duì)象外表面輪廓基本貼合。當(dāng)考慮火腿腸表面的微變形時(shí)，主要影響圖5中的手指末端橫向坐標(biāo)lx。對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器負(fù)載抓取變形圖片的分析顯示，火腿腸變形造成的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器負(fù)載抓持時(shí)手指末端橫向坐標(biāo)lx偏差的觀測(cè)值在0.7 mm以?xún)?nèi)，與相應(yīng)負(fù)載下末端橫向坐標(biāo)lx的比值在5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明圖5的試驗(yàn)結(jié)果具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。火腿腸是否變形，會(huì)影響軟體驅(qū)動(dòng)器負(fù)載抓持時(shí)的接觸力，但圖4中的手指末端接觸力是基于試驗(yàn)的方法，并且是在受力平衡的狀態(tài)下讀取，因而能反映“V形”紋路實(shí)際抓取時(shí)受擠壓的情況，使誤差減小。

2) 手指末端接觸力

采用圖4b所示試驗(yàn)臺(tái)模擬測(cè)試得到的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器抓取表1中不同直徑物體時(shí)末端接觸力F隨工作壓力的變化結(jié)果如圖6所示。從圖中看到，末端接觸力總體上呈線(xiàn)性變化，空載下當(dāng)工作壓力高于0.08 MPa時(shí)，末端接觸力顯著增加。當(dāng)負(fù)載直徑增加時(shí)，末端接觸力變化曲線(xiàn)線(xiàn)性度提高，且普遍左移，這是由于抓取對(duì)象直徑越大，圖4中軟體驅(qū)動(dòng)器內(nèi)側(cè)受擠壓導(dǎo)致接觸面增加，使得所需的工作壓力減小。隨著負(fù)載直徑增加，末端接觸力變化率減小，負(fù)載直徑為28 mm和38 mm時(shí)的軟體驅(qū)動(dòng)器末端接觸力差值平均值僅為0.059 N。

圖6 不同負(fù)載末端接觸力隨工作壓力的變化曲線(xiàn)

3) 不同負(fù)載下的腔體擬合圓半徑

空載時(shí)多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器不同壓力下的各腔體擬合圓半徑變化如圖7所示；工作壓力為0.08 MPa時(shí)，不同負(fù)載下的各腔體擬合圓半徑變化如圖8所示。圖7表明，工作壓力增大時(shí)腔體變形總體增大，并且在力

圖7 空載時(shí)不同壓力下的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器各腔體擬合圓半徑變化

圖8 工作壓力為0.08 MPa時(shí)不同負(fù)載下多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器各腔體擬合圓半徑變化

矩作用下靠上端腔體的變形明顯大于靠下端腔體的變形。圖8顯示，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，手指腔體變形普遍增大，并且靠下端腔體的變形明顯大于靠上端腔體的變形。這說(shuō)明了多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器變形規(guī)律的復(fù)雜性。

2.2 多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑變化特性分析

1) 不同負(fù)載下多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑變化規(guī)律

曲率半徑反映多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的總體形態(tài)。不同負(fù)載下多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑隨工作壓力的變化情況如圖9所示。

圖9 不同負(fù)載下的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑變化

隨著工作壓力增大，曲率半徑呈指數(shù)下降的趨勢(shì)。當(dāng)負(fù)載增大，軟體驅(qū)動(dòng)器的工作范圍和曲率半徑變化范圍明顯減小，變形線(xiàn)性度提高；負(fù)載增大時(shí)，軟體驅(qū)動(dòng)器的工作范圍普遍右移。

由表1和圖9，負(fù)載三的質(zhì)量是負(fù)載二質(zhì)量的近3倍，但兩種情況下的驅(qū)動(dòng)器曲率半徑差異較小，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器抓取穩(wěn)定性較強(qiáng)。負(fù)載三的曲率半徑隨工作壓力的變化很小，這就意味著，負(fù)載較大時(shí)工作壓力的增大主要用于與負(fù)載力相平衡。對(duì)比圖9中不同負(fù)載下軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑向右移動(dòng)的幅度，可知負(fù)載的作用呈現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性。由圖5、圖7、圖8 和圖9可以發(fā)現(xiàn)，工作壓力和負(fù)載增大時(shí)，多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器末端軌跡、腔體直徑均有所變化，但曲率半徑卻越來(lái)越穩(wěn)定，說(shuō)明多腔體微結(jié)構(gòu)的變形和末端軌跡的變化換來(lái)了驅(qū)動(dòng)器曲率半徑的穩(wěn)定，可控性提高，進(jìn)一步證明了多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器作為可控型柔性手爪和軟體驅(qū)動(dòng)器組成部分的潛力。

2) 多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑數(shù)學(xué)模型建立

從圖9可知，不同負(fù)載下的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑變化趨勢(shì)有較強(qiáng)的規(guī)律性，可以采用MATLAB數(shù)值擬合的方法逐步建立曲率半徑與負(fù)載和工作壓力之間的數(shù)學(xué)模型。故首先采用式(2)對(duì)3種負(fù)載質(zhì)量0，30.5，87.5 g下的曲率半徑隨工作壓力的變化曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到式(3)～式(5)。再根據(jù)得到的擬合公式，以負(fù)載為自變量對(duì)式(2)中的系數(shù)a，b進(jìn)行擬合，得到統(tǒng)一的式(6)。

R=a×pb

(2)

式中，R—— 曲率半徑，mm

p—— 工作壓力，MPa

a，b—— 系數(shù)

負(fù)載一：

R=4.856×p(-0.9821)

(3)

負(fù)載二：

R=16.19×p(-0.8062)

(4)

負(fù)載三：

R=35.97×p(-0.509)

(5)

可得，多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑通用公式如下：

R=(-2.926×G2+38.79×G+4.856)×

p(0.5492×G-0.9775)

(6)

式中，G為抓取對(duì)象的重量，即負(fù)載，N。

從式(6)可以看出，負(fù)載的作用出現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性。將擬合式(6)得到的曲率半徑仿真結(jié)果與圖9中的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。從圖中擬合曲線(xiàn)的殘差可以看到，數(shù)學(xué)模型(6)的擬合精度很高。

圖10 曲率半徑擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2) 多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑變化規(guī)律預(yù)測(cè)

采用擬合式(6)對(duì)不同負(fù)載下的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑進(jìn)行預(yù)測(cè)和對(duì)比，如圖11所示。

圖11 不同負(fù)載下的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑預(yù)測(cè)

從圖11可以看到，負(fù)載G增大時(shí)，式(2)中的系數(shù)a發(fā)生變化，使多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑曲線(xiàn)的初始點(diǎn)先上升，再回落。且當(dāng)G>0.588 N以后回落迅速，與圖9中的試驗(yàn)結(jié)果相符。當(dāng)0.588 N

圖12 不同工作壓力下負(fù)載對(duì)多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑的影響

從圖12可以看出，多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑隨負(fù)載增加先增大后急劇減小。試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程及結(jié)果表明，多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器通有壓氣體進(jìn)行球形物體夾持時(shí)，由于橡膠材料的非線(xiàn)性和回彈能力，兩側(cè)柔性手指指尖的摩擦力會(huì)與負(fù)載經(jīng)歷從接觸耦合力適應(yīng)到穩(wěn)定夾持的平衡狀態(tài)。當(dāng)工作壓力一定，負(fù)載在低值區(qū)逐步增加時(shí)，是通過(guò)增加正壓力來(lái)使摩擦力增加，以平衡負(fù)載，此時(shí)多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的彎曲角增大、曲率半徑減小。此階段橡膠回彈力的作用大于負(fù)載的作用，每次負(fù)載增加對(duì)應(yīng)多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)平衡姿態(tài)。只有當(dāng)負(fù)載達(dá)到一定數(shù)值時(shí)(圖12中2種壓力下此臨界值均為0.68N)，負(fù)載的作用大于橡膠回彈力的作用，負(fù)載的增加才會(huì)使多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器向下拉長(zhǎng)，此時(shí)彎曲角減小、曲率增大，長(zhǎng)度和曲率的增大使得接觸面積增加，進(jìn)而使摩擦力增大，以平衡負(fù)載。工作壓力為0.075，0.08 MPa時(shí)多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑變化的臨界負(fù)載大小相差不大，說(shuō)明該值很可能主要與材料特性有關(guān)。由圖11與圖12，對(duì)不同重量的物體抓取時(shí)，為提高抓取穩(wěn)定性和精度，需制定不同的壓力控制方案，使其工作在圖11中曲率半徑變化曲線(xiàn)的線(xiàn)性區(qū)。

3 結(jié)論

針對(duì)多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的變形特點(diǎn)建立了反映驅(qū)動(dòng)器末端軌跡、末端受力、整體變形、微結(jié)構(gòu)變形等情況的多維度評(píng)價(jià)指標(biāo)。并針對(duì)不同的運(yùn)行條件設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行不同負(fù)載下的抓取測(cè)試，逐步建立基于數(shù)據(jù)擬合方法的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型，為軟體驅(qū)動(dòng)器形態(tài)的影響因素分析和精確控制提供參考。研究結(jié)論如下：

(1) 負(fù)載的增大使多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的工作范圍和末端軌跡變化范圍均減小、線(xiàn)性度增加。工作壓力對(duì)末端軌跡的作用呈現(xiàn)一定的非線(xiàn)性。末端接觸力總體上呈線(xiàn)性變化；

(2) 多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器變形后各腔體擬合圓直徑隨工作壓力和負(fù)載變化呈現(xiàn)出相反的規(guī)律。工作壓力增大時(shí)靠上端腔體的變形明顯大于靠下端腔體的變形；當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，情況相反。腔體微結(jié)構(gòu)的變形使不同工況下驅(qū)動(dòng)器的曲率半徑變化減小，形態(tài)可控性和抓取穩(wěn)定性增強(qiáng)；

(3) 不同負(fù)載下多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑隨工作壓力增加呈指數(shù)下降的趨勢(shì)。據(jù)此建立了以壓力與負(fù)載為自變量的多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器曲率半徑數(shù)學(xué)模型，試算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。負(fù)載對(duì)曲率半徑的作用呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線(xiàn)性。因此，多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載和工作壓力范圍需根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。