一種組合式氣動柔性機械手設計

(重慶科技學院 機械與動力工程學院， 重慶 400331)

引言

傳統(tǒng)機器人是一種由剛性連接和關節(jié)構成的剛性裝備，其設計目的是為了高效地執(zhí)行任務，但適應性有限，對人類來說存在不安全的因素，在工廠中人與機器人的工作空間通常是分離的。機器人操作中的適應性通常是通過軟件來實現的，這給控制系統(tǒng)和設計人員增加了較大的負擔[1]。

為了解決剛性機器人適應性差的問題，當前較為理想的解決方法就是將靈活性納入機器人本體，最大限度地降低機器人的剛度，采用更安全的軟執(zhí)行機構，通過變形吸收大部分的能量。這種方案為機器人在工廠、田野或家庭中與人類一起工作打開了大門[2]。氣動機械手是國內外研究、設計、發(fā)展最為矚目的一項技術[3-4]，最早出現在1950年， 由醫(yī)學博士JOSEPH L. MCKIBBEN首創(chuàng)[5]，并應用于骨髓灰質炎患者的矯形器。最早的商用氣動機械手是1980年日本的普利司通橡膠公司開發(fā)的。氣動機械手作為一種典型的柔性驅動器，其特征在于平滑、準確和快速響應，并且完全伸展時也能夠產生較大的力。氣動機械手當前主要應用于生物仿生領域、醫(yī)療康復、工業(yè)、航空等領域[6]。

通常的氣動柔性手主要使用硅膠、橡膠等軟體材料制造，由壓縮氣體驅動，使手指內腔膨脹，產生變形彎曲，完成各種動作。但當前研制的各種氣動柔性手均采用整體式的結構形式，存在的問題是：動作形式和控制方式單一、固定，缺乏多樣性、靈活性，如果使用條件和要求發(fā)生改變，只有重新設計和制造新的氣動柔性手[7-10]。

在吸收和消化國內外先進設計成果的基礎上，創(chuàng)新設計了組合式氣動柔性手指和由該手指組裝成的可自由組合的多用途氣動柔性機械手。氣動柔性手指和機械手采用靈活、組合式的方式，可以最大限度地滿足各種使用條件和要求，其軟體特征特別適用于傳統(tǒng)機械手不宜使用的脆性目標等對象。經過設計、分析、制造、應用后，達到良好的效果，已分別申請國家實用新型和發(fā)明專利，已獲得的實用新型專利號是：ZL201620587032.0[11]和ZL201620589836.4[12]。

1 組合式氣動柔性手指

1.1 有限元分析

圖1是設計好的氣動柔性手指段，在具體制作前，用ANSYS軟件進行了詳細的有限元分析優(yōu)化，如圖2所示，確定采用Ecoflex Supersoft 0030硅膠材料，充氣變形部分壁厚1 mm，其余部分壁厚約3 mm，充氣壓力約120 kPa，可達到最優(yōu)的效果。

1.手指段凸端 2.連通氣管 3.分支氣管圖1 組裝好的氣動柔性手指段

圖2 氣動柔性手指段有限元分析

1.2 具體制作過程

如圖3所示，首先用3D打印的方法制造上模A1、下模A2、上模B1、下模B2。在真空箱中將液態(tài)硅膠澆注到模具中，以排除液態(tài)硅膠中的空氣。待模具中的硅膠手指塊固化成型后，將其取出，去除、清理硅膠手指塊上的澆口、冒口等多余部分，如圖4所示。

1.上模A1 2.下模A2 3.上模B1 4.下模B2圖3 氣動柔性手指模具

1.硅膠手指塊A 2.硅膠手指塊B 3.通氣孔圖4 脫模后的硅膠手指塊

如圖5所示，將分支氣管和連通氣管裝入硅膠手指塊的通氣孔中，并用液態(tài)硅膠粘接；在硅膠手指塊A、硅膠手指塊B的結合面上均勻涂抹液態(tài)硅膠，合上并粘接，形成硅膠手指段。待液態(tài)硅膠固化后，將手指段凸端裝入另一手指段凹槽中，指尖裝入首端的手指段凹槽中。各手指段凸端圓周上有止口凹槽，各手指段凹槽圓周上有止口凸緣，相互形成緊密配合，以保證硅膠手指段裝配時的準確定位，連接牢固。最后通過扎帶將各硅膠手指段及指尖扎緊。裝配好后，先充氣測試，并用液態(tài)硅膠對漏氣部位密封，保證各分支氣管、連通氣管和各硅膠手指段內部的氣道、內腔相通，如圖6所示。

1.手指段凹槽 2.止口凸緣 3.止口凹槽圖5 裝配好分支氣管和連通氣管的硅膠手指段剖面圖

1.3 動作控制方式

根據使用條件和動作要求， 確定硅膠手指段的裝配數量，調整各硅膠手指段的安裝角度。用藍丁膠選擇性封堵各硅膠手指段的分支氣管或連通氣管， 則可改變組合式氣動柔性手指內的氣體通路。通過選擇控制從不同的分支氣管或連通氣管通入壓縮氣體，使硅膠手指段呈現不同的變形彎曲，完成各種不同的動作。

1.硅膠手指段 2.扎帶 3.指尖 4.氣道 5.內腔圖6 裝配好的各硅膠手指段及剖面圖

組合式氣動柔性手指主要采用以下2種控制方式：

(1) 整體控制方式：如圖7所示，用藍丁膠封堵各硅膠手指段的分支氣管，保持各連通氣管的暢通，并從手指末端的連通氣管通入壓縮氣體，即可同時控制各硅膠手指段的變形彎曲。如圖8所示，改變各段硅膠手指段的安裝角度，從手指末端的連通氣管通入壓縮氣體，組合式氣動柔性手指呈現不同形態(tài)的變形彎曲。

1.藍丁膠圖7 整體控制方式變形A

圖8 整體控制方式變形B

(2) 分段控制方式：用藍丁膠封堵各硅膠手指段的連通氣管，從各硅膠手指段的分支氣管通入壓縮氣體，可分別控制各個硅膠手指段的變形彎曲，使組合式氣動柔性手指呈現不同的變形彎曲。如圖9所示，從左右兩端的硅膠手指段的分支氣管通入壓縮氣體，使其變形彎曲，而中間的硅膠手指段不通入壓縮氣體，使其保持原狀。該方式可任意選擇分別控制各段硅膠手指段，實現各種不同的動作。

動作完成后，釋放各硅膠手指段內腔的壓縮氣體后，相應的硅膠手指段恢復原狀，如圖6所示。

圖9 分段控制方式變形

2 可自由組合的多用途氣動柔性機械手

如圖10所示，將各組合式氣動柔性手指裝入在基座的安裝孔中，按要求調整好各組合式氣動柔性手指在基座上的安裝角度，并夾緊、固定在基座上，形成類似人手的形狀。通過壓縮氣體控制各組合式氣動柔性手指的彎曲變形，使可自由組合的多用途氣動柔性機械手完成各種動作。

1.基座 2.氣動柔性手指圖10 裝配好的氣動柔性機械手

如果使用條件和動作要求改變，只需重新設計和制造基座，仍采用原有的組合式氣動柔性手指，便可實現多用途的功能。如圖11所示，在重新設計、制造的基座上安裝、調整、夾緊、固定好3只組合式氣動柔性手指，通過壓縮氣體使氣動柔性手動作，可方便完成夾持脆性橢圓形物體的動作。

圖11 用于夾持橢圓形物體的氣動柔性機械手

3 結論

本設計可根據使用條件和要求自由組合成型，通過壓縮氣體控制各硅膠手指段的變形彎曲，使組合式氣動柔性手指實現不同的動作。通過設計和制造不同類型的基座，按要求在上面安裝好氣動柔性手指，就可以滿足多用途、自由組合的功能，最大限度的擴展了氣動柔性機械手的功能和使用場合。為氣動柔性機械手的設計、制造、應用提供了新的方法和思路，具有很好的應用價值。