□ 王熙杰

湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道機(jī)車學(xué)院 湖南株洲 412006

1 分析背景

隨著當(dāng)前機(jī)械手控制技術(shù)的快速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷拓展,要求機(jī)械手能夠靈活適應(yīng)各類外形工件的控制過(guò)程。如何提高機(jī)械手對(duì)物體的適應(yīng)能力,提高機(jī)械手柔性,成為開(kāi)展智能機(jī)器人技術(shù)研究的一個(gè)重要方向[1-2]。

在現(xiàn)有各類機(jī)械手中,采用專用機(jī)械手能夠很大程度提高抓取效率,但專用機(jī)械手的適用范圍很小,缺乏良好的適應(yīng)能力[3]。多指靈巧機(jī)械手可以適應(yīng)多種外形結(jié)構(gòu)的物體,但是需要設(shè)置大量關(guān)節(jié),并對(duì)各關(guān)節(jié)分別開(kāi)展控制,這樣才能完成復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)模式,由此導(dǎo)致整體處理成本提高,進(jìn)而制約應(yīng)用范圍[4]。

根據(jù)當(dāng)前工業(yè)機(jī)械手的研究情況,優(yōu)化機(jī)械手結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)方式,已經(jīng)成為目前的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。為滿足當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求,開(kāi)發(fā)一種具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)模式,成本低,能夠快速推廣的柔性機(jī)械手,成為機(jī)械手領(lǐng)域的重要研究方向[5]。

利用流體抽充方式能夠控制抓取動(dòng)作,在抓取過(guò)程中,手指對(duì)各外形物體不同的觸碰力會(huì)造成機(jī)械手腔壓力改變,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手指驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程,直至所有手指都與物體保持貼合狀態(tài)。機(jī)械手能夠自主根據(jù)物體外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,極大擴(kuò)展機(jī)械手對(duì)不同外形物體進(jìn)行搬運(yùn)與分揀的使用范圍,有效克服當(dāng)前機(jī)械手結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜,無(wú)法有效適應(yīng)各類外形工件混合抓取的不足[6]。

當(dāng)前一般以仿造人手方式來(lái)設(shè)置靈巧機(jī)械手,其制備材料主要為金屬材質(zhì),可以實(shí)現(xiàn)很大的剛度。通常以電機(jī)、氣缸、液壓動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能,通過(guò)綜合運(yùn)用鉸鏈、齒輪等來(lái)實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過(guò)程,確保動(dòng)力被傳輸至機(jī)械手關(guān)節(jié)部位,由此達(dá)到驅(qū)動(dòng)手指關(guān)節(jié)的效果[7]。

2 建模

2.1 軟件介紹

采用SolidWorks軟件Motion模塊來(lái)模擬裝配體運(yùn)動(dòng)過(guò)程。這一模塊提供高效的動(dòng)力算法,計(jì)算過(guò)程中同時(shí)考慮材料綜合性能與慣性因素,可以準(zhǔn)確完成各項(xiàng)計(jì)算。結(jié)合計(jì)算結(jié)果,繪制得到對(duì)應(yīng)曲線,作為后續(xù)分析依據(jù)。也可以利用上述方法精確模擬裝配體運(yùn)動(dòng)狀態(tài),再合成運(yùn)動(dòng)算例單元。

2.2 機(jī)械手三維模型

對(duì)柔性自適應(yīng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程開(kāi)展仿真,考慮到機(jī)械手中存在部分不能運(yùn)動(dòng)的零件,因此進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中需要對(duì)不能運(yùn)動(dòng)的零件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。組成各根手指的彈簧與硅膠套也屬于不可變形的零件,會(huì)對(duì)手指指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程造成制約,因此進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)忽略這兩個(gè)零件,只保留各手指的指尖與指節(jié)結(jié)構(gòu),直接接觸抓取對(duì)象。對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真機(jī)械手裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行保存,由此構(gòu)建得到三維模型。機(jī)械手三維模型如圖1所示。

圖1 機(jī)械手三維模型

2.3 參數(shù)

構(gòu)建運(yùn)動(dòng)仿真場(chǎng)景時(shí),需要在裝配體文件中按照參數(shù)指標(biāo)加入機(jī)械手與被抓取對(duì)象,同時(shí)繪制一個(gè)平面零件,作為托住抓取對(duì)象的基礎(chǔ)。仿真機(jī)械手為柔性結(jié)構(gòu),確保機(jī)械手所有關(guān)節(jié)都可以完成運(yùn)動(dòng)過(guò)程,然后將抓取對(duì)象設(shè)置于合適區(qū)域,形成固定平面后,等待機(jī)械手實(shí)施抓取操作。設(shè)置機(jī)械手運(yùn)動(dòng)特征,針對(duì)全局結(jié)構(gòu)設(shè)置引力,控制方向朝下的狀態(tài),并將引力數(shù)值設(shè)定為與重力一致。為抓取對(duì)象和平面設(shè)置實(shí)體接觸及線性阻尼,從而控制抓取對(duì)象在平面處保持靜止。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,得到機(jī)械手抓取的仿真結(jié)果。

機(jī)械手抓取運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示。

圖2 機(jī)械手抓取運(yùn)動(dòng)模型

在手指、大拇指根部與掌心的關(guān)節(jié)處安裝旋轉(zhuǎn)馬達(dá),利用旋轉(zhuǎn)馬達(dá)動(dòng)作來(lái)模擬手指在負(fù)壓下發(fā)生彎曲的狀態(tài)。保持旋轉(zhuǎn)馬達(dá)處于等速控制狀態(tài),將速度設(shè)定在0.6～0.9 r/min之間。在模型中加入手指指節(jié)和抓取對(duì)象接觸組,確保手指與抓取對(duì)象發(fā)生接觸時(shí)不會(huì)造成穿透的問(wèn)題,使手指能夠穩(wěn)定地控制抓取對(duì)象。選擇鋁和鐵作為接觸材料,在保持10.2 mm/s速率的條件下,進(jìn)行動(dòng)態(tài)摩擦測(cè)試,設(shè)置摩擦因數(shù)為0.2。選擇恢復(fù)接觸的模式,設(shè)置恢復(fù)因數(shù)為0.2。

3 運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果

在仿真平臺(tái)配置參數(shù)后,進(jìn)行柔性機(jī)械手抓取運(yùn)動(dòng)仿真。以位移作為結(jié)果分量,特征面包括指尖與指節(jié)側(cè)面,得到每根手指中各個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的線性位移結(jié)果。

最終獲得五指指尖線性位移結(jié)果,如圖3所示。通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真分析,可以直觀觀察到機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,同時(shí)也能夠獲得各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。對(duì)五條指尖線性位移曲線進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)各手指都形成了平滑過(guò)渡的位移曲線,表明各指運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)速度。

圖3 指尖線性位移結(jié)果

隨著抓取的進(jìn)行,各個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)規(guī)律特征一致,均基本表現(xiàn)出單調(diào)減小的變化規(guī)律,可見(jiàn)均進(jìn)行了抓取動(dòng)作,并且各個(gè)手指的動(dòng)作是同步進(jìn)行的。

通過(guò)橫向?qū)Ρ任逯钢讣饩€性位移結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),中指指尖形成最大移動(dòng)距離,之后為食指、無(wú)名指、小拇指指尖,移動(dòng)距離最小的是大拇指指尖,這與實(shí)際手指對(duì)圓形物體的抓取特點(diǎn)一致。此外,所有手指都形成了相似的線性位移變化趨勢(shì),表明各個(gè)粗細(xì)與長(zhǎng)度不同的手指都保持相近的運(yùn)動(dòng)控制穩(wěn)定性,可以判斷機(jī)械手達(dá)到了很高的穩(wěn)定性。根據(jù)指尖位移曲線具有同樣的停止時(shí)間可以判斷,五個(gè)手指的接觸過(guò)程存在先后順序,先接觸手指控制抓取對(duì)象的移動(dòng),直至各個(gè)手指都與抓取對(duì)象保持接觸并達(dá)到穩(wěn)定后,抓取狀態(tài)才發(fā)生停止。通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果,可以清晰觀察到機(jī)械手對(duì)物體進(jìn)行抓取的控制過(guò)程。

在手指出口形成負(fù)壓后,氣體從手指內(nèi)部抽出,此時(shí)手指內(nèi)部形成低于外部大氣的壓力,表現(xiàn)為被大氣作用后形成擠壓狀態(tài)。同時(shí)各關(guān)節(jié)間發(fā)生相互轉(zhuǎn)動(dòng),形成更小的空腔體積,并與出口負(fù)壓保持平衡。硅橡膠外表與手指指節(jié)保持貼緊,再與指節(jié)共同發(fā)生變形,隨著手指不斷彎曲,與抓取對(duì)象間形成更短的距離[8]。

手指不同關(guān)節(jié)間保持連接狀態(tài),構(gòu)成手指主體結(jié)構(gòu)。手指關(guān)節(jié)外部采用彈性硅橡膠作為包裹物。在硅橡膠和手指關(guān)節(jié)間設(shè)置密閉容腔,同時(shí)對(duì)手指指節(jié)開(kāi)設(shè)圓孔,利用圓孔連接外部區(qū)域,再利用氣體壓入與抽出方式來(lái)調(diào)節(jié)手指的彎曲和伸直。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者開(kāi)展柔性機(jī)械手抓取運(yùn)動(dòng)仿真分析,通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真,能夠非常直觀地觀察到機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,獲得各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。在抓取運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,中指指尖形成了最大移動(dòng)距離,之后為食指、無(wú)名指、小拇指指尖,移動(dòng)距離最小的是大拇指指尖。