曹淼龍,楊元健,張波,CHIWAWA Tafara Austine

(1. 浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院,杭州 310023; 2. 浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,杭州 310018)

隨著科技水平的提高以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,機(jī)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(yīng)用于生產(chǎn)制造、交通運(yùn)輸、醫(yī)療健康等領(lǐng)域[1]。

與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人上的剛性末端執(zhí)行器相比,軟體末端執(zhí)行器因?yàn)槠淙藱C(jī)交互更安全、柔順性好且可自由改變自身形狀等特點(diǎn)受到得到國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)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(dòng)夾持器與電子附著夾持器相結(jié)合,既能抓取扁平的物體,又能抓取形狀復(fù)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(dòng)器,以制造一種多功能機(jī)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(jī)器人。該機(jī)器可以通過控制電場的空間變化實(shí)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(yàn),計(jì)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(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果。進(jìn)行抓取試驗(yàn),表明其在在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,抓取表皮易損果蔬中有一定的應(yīng)用前景。

1 執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(gè)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(cè)形變(限制層),整個(gè)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(jié)合本研究的需要,設(shè)計(jì)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(gè)“關(guān)節(jié)”可實(shí)現(xiàn)彎曲。

圖1 執(zhí)行器模型

執(zhí)行器剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示,整個(gè)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(guān)節(jié)”處較薄,充氣受到相同的應(yīng)力時(shí),關(guān)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(biāo)準(zhǔn),制作試樣并進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn),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(yàn)

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

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

(3)

式中Cij為材料常數(shù)。

TPE應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可由應(yīng)變能函數(shù)W對主應(yīng)變?chǔ)饲笃珜?dǎo)表示,可得主應(yīng)力ti與應(yīng)變?chǔ)薸關(guān)系表達(dá)式如下:

(4)

式中ti為主應(yīng)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(dǎo)入Abaqus中,設(shè)置材料為TPE,材料參數(shù)C10=0.620 4,C01=-0.210 4,部分仿真結(jié)果如圖4a)所示,從上到下對應(yīng)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(shí)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(jié)果繪制充氣壓強(qiáng)——彎曲角度曲線,如圖6所示。由圖可知當(dāng)充氣壓強(qiáng)為0時(shí),彎曲角度也為0,隨著充氣壓強(qiáng)的增大,末端執(zhí)行器的彎曲角度也隨著增大,呈非線性關(guān)系。

3 試驗(yàn)

3.1 執(zhí)行器制作

在Solidworks中建模后另存為STL格式,再導(dǎo)入到軟件Cura中切片,主要打印參數(shù)如表2所示。打印機(jī)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(yīng)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(yàn)

搭建如圖5所示實(shí)驗(yàn)臺(tái),使用TJ-800型空壓機(jī)作為氣源,用PU軟管將氣壓表和軟體驅(qū)動(dòng)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(qiáng)。

圖5 彎曲性能試驗(yàn)臺(tái)

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

表3 不同壓強(qiáng)下仿真與試驗(yàn)彎曲角度

為直觀比較試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果,在同一坐標(biāo)系下繪制壓強(qiáng)——彎曲角度曲線,如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)壓強(qiáng)-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(guān)系。原因可能為:1) 從圖3c)可以看出應(yīng)力應(yīng)變曲線呈非線性說明打印材料(TPE)的力學(xué)性能具有一定的非線性;2) 執(zhí)行器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且不是絕對密封,充氣時(shí)存在漏氣現(xiàn)象,執(zhí)行器受到的壓強(qiáng)非線性。實(shí)驗(yàn)彎曲角度小于仿真彎曲角度且隨著充氣壓強(qiáng)的增大差值也增大。原因可能為:1) TPE材料參數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值存在誤差;2) 隨著充氣壓強(qiáng)的增大,執(zhí)行器位移增大無法穩(wěn)定在指定點(diǎn),導(dǎo)致測量誤差增大。

3.3 抓取試驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)執(zhí)行器抓取性能,需搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行抓取試驗(yàn)。根據(jù)兩指抓取的工作原理設(shè)計(jì)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(dòng)滑塊,調(diào)節(jié)執(zhí)行器間距。

將所設(shè)計(jì)的執(zhí)行器固定在臺(tái)架上,氣源為TJ-800型空氣壓縮機(jī),功率為800 W,儲(chǔ)氣量為30 L,排氣量為60 L/min。可以準(zhǔn)確對執(zhí)行器進(jìn)行充氣、氣壓保持、放氣等操作,通過流量閥準(zhǔn)確控制執(zhí)行器進(jìn)氣量。臺(tái)架如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)臺(tái)架

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

表4 抓取物品尺寸及質(zhì)量

圖9 抓取試驗(yàn)

通過滑動(dòng)滑塊,調(diào)節(jié)執(zhí)行器間距成功抓取螺栓,說明設(shè)計(jì)的機(jī)械爪具有一定的適應(yīng)性;成功抓取獼猴桃,且未損壞表皮,說明該執(zhí)行器可以應(yīng)用于易破損的果蔬抓取中;電蚊香以及鼠標(biāo)的成功抓取說明執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)對表面光滑的輕質(zhì)物體進(jìn)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(yīng)用于智能農(nóng)業(yè)果蔬無損采摘時(shí)要基于滑覺檢測優(yōu)化無損采摘控制系統(tǒng)[17]。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種具有3個(gè)關(guān)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(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)以及抓取驗(yàn)證了其性能。抓取試驗(yàn)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(yīng)性。

3) 試驗(yàn)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(yīng)用前景。