大柔性靈巧手指彎曲仿真研究*

張建超，楊慶華，邵鐵鋒，鮑官軍

（浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室，浙江 杭州 310032）

0 引 言

作為機(jī)器人與目標(biāo)物體相互作用的最后環(huán)節(jié)和執(zhí)行部件，末端執(zhí)行器對于機(jī)器人智能化水平和作業(yè)水平的提高具有重要意義［1］。末端執(zhí)行器是機(jī)器人的重要構(gòu)成部件，傳統(tǒng)機(jī)器人的末端執(zhí)行器被用于完成一些簡單的操作，如焊接、噴漆、裝配等，但由于這種末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、運動形式單一、自由度少、抓取穩(wěn)定性差、靈活性不足，在很大程度上制約了現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展［2］。

氣動柔性關(guān)節(jié)［3］是在現(xiàn)代機(jī)器人對安全性、柔順性和舒適性提出更高要求的前提下而發(fā)展出來的一種新型氣動末端執(zhí)行元件。與傳統(tǒng)末端執(zhí)行元件相比具有許多無可比擬的優(yōu)點，如:既是驅(qū)動器也是執(zhí)行器，可以直接驅(qū)動，無需傳動裝置與減速裝置、運動自由度多、運動平滑無摩擦、功率重量比大等等。所以氣動柔性關(guān)節(jié)目前已成為氣動末端執(zhí)行器研究與開發(fā)的熱點之一［4］，最典型的代表就是美國原子物理學(xué)家McKibben設(shè)計的McKibben驅(qū)動器［5-8］。近年來，國內(nèi)各大院校也紛紛開始著手研究氣動柔性關(guān)節(jié)，吉林大學(xué)耿德旭等人［9］設(shè)計了雙向主動彎曲氣動柔性關(guān)節(jié)，浙江理工大學(xué)王龍輝等人［10］也提出了一種氣動柔性驅(qū)關(guān)節(jié)，將兩個氣動柔性驅(qū)動器并聯(lián)以起到相互對抗作用來驅(qū)動關(guān)節(jié)，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了一種7自由度氣動人工肌肉機(jī)械手臂。

大柔性靈巧手指是浙江工業(yè)大學(xué)提出的又一種新型氣動柔性末端執(zhí)行器，本研究就手指彎曲特性進(jìn)行ANSYS仿真分析與實驗研究。

1 大柔性靈巧手指結(jié)構(gòu)及工作原理

大柔性靈巧手指結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。圖1中，當(dāng)通過有孔端蓋4將壓縮氣體通入手指內(nèi)腔時，由于螺旋彈簧3的約束作用，橡膠管2不會產(chǎn)生徑向膨脹，同時由于薄彈簧鋼片6的約束作用，橡膠管2在厚壁側(cè)不會產(chǎn)生軸向伸長量，而越靠近薄壁側(cè)軸向伸長量越大，于是手指向厚壁側(cè)方向彎曲，彎曲角度隨著手指內(nèi)腔壓力增大而增大；當(dāng)釋放手指內(nèi)腔壓縮氣體時，由于橡膠管2、螺旋彈簧3及薄彈簧鋼片6的作用，橡膠管恢復(fù)至初始狀態(tài)。

圖1 大柔性靈巧手指結(jié)構(gòu)及工作原理圖

2 大柔性靈巧手指彎曲仿真分析

文獻(xiàn)［11］在結(jié)合了靜力平衡與力矩平衡原理的情況下推導(dǎo)出手指轉(zhuǎn)角靜態(tài)模型，給出了手指彎曲角度θ關(guān)于手指變量的求解公式［11］，并通過Matlab仿真得到手指彎曲角度θ與內(nèi)腔壓力P之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 手指內(nèi)腔壓力與彎曲角度曲線（Matlab仿真）

通過文獻(xiàn)［12］及大柔性靈巧手指工作原理可知，當(dāng)壓縮氣體充入手指內(nèi)腔時手指發(fā)生彎曲，產(chǎn)生的效果可以等效為在手指自由端施加彎矩，即可以將手指視為自由端受彎矩的懸臂梁［13］。手指內(nèi)腔壓力與彎矩關(guān)系如表1所示。

表1 手指內(nèi)腔壓力與彎矩等效關(guān)系

這里需要指出，本研究分析手指彎曲時忽略手指自重影響［14］；當(dāng)手指內(nèi)腔壓力為0.1 MPa時，手指并未充入壓縮氣體，手指所受為大氣壓強，所以等效彎矩為0 N/m。

在ANSYS軟件中，仿真彎矩與手指彎曲角度的關(guān)系，即手指仿真參數(shù)如表2所示。單元類型選擇為BEAM189梁單元，根據(jù)仿真參數(shù)建立梁的分析模型，約束加載采用的是一端施加全約束，另一端施加彎矩差。

表2 大柔性靈巧手指仿真參數(shù)

在后處理模塊中，通過選擇查看彎曲角度，幾張仿真結(jié)果圖如圖3所示（圖中所示角度值為弧度制）。的方式，設(shè)置好載荷步后求解分析。這里要特別強調(diào)的是，由于手指彎曲角度可能會比較大，分析時需要打開大變形分析選項，否則分析結(jié)果將會產(chǎn)生較大誤

圖3 不同手指內(nèi)腔壓力彎曲效果圖

通過整理仿真數(shù)據(jù)可得大柔性靈巧手指彎曲角度θ與內(nèi)腔壓力P之間的關(guān)系曲線（ANSYS仿真）如圖4所示。將圖4與圖1比較可以發(fā)現(xiàn)，曲線走勢基本吻合，從圖中可以看出，隨著手指內(nèi)腔壓力增大，彎曲角度也逐漸增大，且成指數(shù)增長趨勢，當(dāng)手指內(nèi)腔壓力為0.5 MPa時，手指彎曲角度為89.5°，接近于90°。

圖4 手指內(nèi)腔壓力與彎曲角度曲線（ANSYS仿真）

3 大柔性靈巧手指彎曲實驗研究

大柔性靈巧手指實驗原理圖如圖5所示。

圖5 手指彎曲特性實驗原理圖

空氣壓縮機(jī)輸出壓縮氣體，其最高壓力可達(dá)0.8 MPa，貯氣容積為0.26 m3；過濾減壓閥用來過濾空氣并降低氣體壓力，過濾精度是5 μm，其最高可控壓力為1 MPa，調(diào)壓范圍是0.05 MPa～0.85 MPa；油霧分離器可以凈化壓縮空氣，避免顆粒塵埃進(jìn)入下游工作回路和手指內(nèi)腔中，其過濾精度是0.3 μm，最高壓力為1 MPa；電氣比例閥自帶壓力傳感器與控制回路，用來調(diào)節(jié)輸入電壓與輸出氣壓的比例關(guān)系；PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡具有2路D/A，16路A/D，12位分辨率，通過D/A輸出電壓信號，用以控制電氣比例閥，從而改變手指的內(nèi)腔壓力，同時利用A/D轉(zhuǎn)換通道檢測比例閥的壓力反饋信號，實現(xiàn)半閉環(huán)控制；單向彎曲角度傳感器FLX-03 A用來測量手指的彎曲角度，通過嵌入式處理器處理數(shù)據(jù)，并且以CAN總線方式傳送給工控機(jī)；工控機(jī)負(fù)責(zé)實驗系統(tǒng)的整體控制。

大柔性靈巧手指的實物圖與仿真圖如圖6所示。

本研究將實驗數(shù)據(jù)整理分析，通過Matlab軟件可得手指彎曲理論曲線與實驗曲線的對比圖如圖7所示。由圖7可知，手指仿真曲線與手指充氣過程曲線比較吻合，由于手指放氣過程有一個滯后環(huán)節(jié)，所得到的曲線偏差相對較大。

筆者所研究的大柔性靈巧手指由于受到一些實際條件的限制，手指承壓能力有限，在實驗研究中發(fā)現(xiàn)手指所能承受的最高內(nèi)腔壓強為0.6 MPa左右，主要原因是:

（1）手指材料為橡膠材料，為了滿足易變性且彈性好等實際要求，手指彈性模量比較小，大角度彎曲時薄壁側(cè)拉伸長度比較大，容易產(chǎn)生應(yīng)力屈服，如圖6（c）所示；

（2）目前是采用硅橡膠等粘接劑接合手指端蓋與手指，實驗時發(fā)現(xiàn)接合部位也容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成端蓋脫離。

圖6 大柔性靈巧手指實物

圖7 仿真與實驗曲線對比圖

觀察圖6（b）也可以發(fā)現(xiàn)，手指彎曲并不僅限于理論彎曲平面內(nèi)，在彎曲平面法線方向上也有少量變形，那是由于手指受到制作工藝的限制，實際手指形態(tài)并不完全與理論模型相符，手指受力情況也并不一定是均勻分布，而且薄彈簧鋼片也不能夠完全起到限制手指側(cè)向彎曲或扭轉(zhuǎn)的作用。

4 結(jié)束語

本研究通過ANSYS仿真及實驗研究很好地驗證了大柔性靈巧手指轉(zhuǎn)角靜態(tài)模型的正確性，但同時也發(fā)現(xiàn)了手指的一些不足，現(xiàn)大致列舉如下:①手指承壓能力有限，導(dǎo)致手指抓取強度不高；②手指制作精度不夠，抓取時存在定位誤差；③相同模型的不同手指之間彎曲結(jié)果也存在一定誤差。針對以上各點，在以后的研究工作中需不斷改進(jìn)，盡量完善。

（References）:

［1］姜 力，蔡 鶴，皋劉宏.新型集成化仿人手指及其動力學(xué)分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2004，40（4）:139-143.

［2］劉 杰，張玉茹.機(jī)器人靈巧手抓持分類器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.機(jī)器人，2003，25（3）:259-263.

［3］章 軍，須文波，宋 浩.氣動柔性關(guān)節(jié)的抓取機(jī)械手的受力分析［J］.設(shè)計與研究，2006（8）:35-37.

［4］李尚會，楊慶華，鮑官軍，等.基于FPA的新型氣動柔性球關(guān)節(jié)的研究［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，37（6）:662-666.

［5］CALDWELL D G，MEDRANO-CERDA G A，GOODWIN M J.Braided pneumatic actuator control of a multi-jointed manipulator［C］//IEEE International Conference on Systems，Man and Cybernetics.Piscataway，NJ，USA:IEEE，1993:423-428.

［6］CHOU C P，HANNAFORD B.Static and dynamic character?istics of McKibben pneumatic artificial muscles［C］//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Pis?cataway，NJ，USA:IEEE，1994:281-286.

［7］CHOU C P，HANNAFORD B.Measurement and modeling of McKibben pneumatic artificial muscles［J］.IEEE Trans?actions on Robotics and Automation，1996，12（1）:90-103.

［8］TSAGARAKIS N，CALDWELL D G.Improved modeling and assessment of pneumatic muscle actuators［C］//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Pis?cataway，NJ，USA:IEEE，2000:3651-3636.

［9］耿德旭.雙向主動彎曲氣動柔性關(guān)節(jié)及其在機(jī)械手中的應(yīng)用［D］.吉林:吉林大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2011.

［10］王龍輝，金英子，朱紅亮，等.七自由度氣動人工肌肉機(jī)械手臂的設(shè)計及研究［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報，2012，29（1）:74-78.

［11］盧君宜，熊曉松，朱 東.正自由度采摘機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃［J］.輕工機(jī)械，2013，31（4）:11-14.

［12］羅鑫遠(yuǎn).大柔性靈巧手指特性研究［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2012.

［13］徐 生.氣動柔性手指的運動分析及其控制研究［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2005.

［14］鮑官軍.氣動柔性驅(qū)動器FPA的特性及其在多指靈巧手設(shè)計中的應(yīng)用研究［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2006.