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      一種內(nèi)骨骼軟體手的抓取策略研究

      2021-04-23 07:20:44武兆平李小寧
      液壓與氣動(dòng) 2021年4期
      關(guān)鍵詞:承力手爪軟體

      武兆平, 李小寧

      (南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

      引言

      機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要組成部分,實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)抓取操作。隨著生產(chǎn)力水平和勞動(dòng)效率的提高,混流柔性生產(chǎn)等新的制造技術(shù)對機(jī)械手功能多樣性提出了更高的要求,尤其是對不同形狀、不同質(zhì)量且易損傷物體的安全可靠抓取[1]。因此工業(yè)生產(chǎn), 尤其是混流柔性生產(chǎn)需求一種靈活高效、通用性強(qiáng)、具有足夠夾持力的柔順機(jī)械手。近年來隨著新興學(xué)科軟體機(jī)器人的出現(xiàn),為機(jī)械手的設(shè)計(jì)提供了新的靈感和思路[2-3]。軟體機(jī)械手作為軟體機(jī)器人的一個(gè)主要分支應(yīng)運(yùn)而生[4-6]。目前各類軟體機(jī)械手雖然具有柔順和適應(yīng)不規(guī)則形狀的優(yōu)點(diǎn),但普遍存在抓持力不足的問題。大部分軟體手都是純軟體材料制作,其本身剛度小的性質(zhì)決定了抓持力較小,且在氣壓驅(qū)動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生各種不需要的變形,如徑向膨脹與不規(guī)則變形等[7-9]。為解決這一問題,本研究設(shè)計(jì)了一種新型關(guān)節(jié)式內(nèi)骨骼氣動(dòng)軟體機(jī)械手。

      對設(shè)計(jì)的軟體機(jī)械手進(jìn)行實(shí)際抓取應(yīng)用是一項(xiàng)關(guān)鍵需求。為了使軟體機(jī)械手能夠安全可靠地抓取,其控制策略與抓取規(guī)劃的研究則尤其重要。軟體機(jī)械手的柔順性與形狀適應(yīng)性是其優(yōu)于傳統(tǒng)剛性機(jī)械手的最主要特點(diǎn)。不同于剛性機(jī)械手抓取物體時(shí)的硬指接觸形式,軟體手貼合物體表面,接觸耦合面積很大,且不是一般的點(diǎn)接觸,大部分情況下不能采用傳統(tǒng)的抓取穩(wěn)定性理論。目前針對軟體機(jī)械手的抓取策略研究較少,一般都是經(jīng)驗(yàn)抓持,或是參考傳統(tǒng)抓取理論,對其進(jìn)行提取、改造和優(yōu)化,針對具體的軟體手進(jìn)行抓取策略討論與分析。ZELANGO N等[10]總結(jié)了軟體手無傷抓持時(shí)的幾種力作用模式,并歸納了其模擬人手兩種抓持方式的機(jī)理,即精確抓持和力度抓持,為抓取規(guī)劃提供了最基本的理論依據(jù)。ZHOU X[11]等研究了軟體手爪在抓取過程中的一些力學(xué)機(jī)制,精確表明了抓取如何實(shí)現(xiàn)和抓取性能如何被系統(tǒng)參數(shù)影響。HOMBERG等[12]通過對軟體手內(nèi)部狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了軟體手的魯棒性抓取和對抓取物體觸覺識(shí)別的功能。ZHONG G等[13]對研制的具有中心真空吸盤的新型軟體機(jī)械手進(jìn)行了抓取模式的分析,和其他軟體手相比,該手爪具有更多的抓持模式和更大的操作空間,共有4種可轉(zhuǎn)換的抓取模式。王寧揚(yáng)等[14]針對研制的蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)軟體手進(jìn)行了抓取策略的研究,結(jié)合其運(yùn)動(dòng)特性和抓取特性,針對每個(gè)備選抓取點(diǎn)進(jìn)行抓取過程模擬,以確定最終的抓取形態(tài)。

      軟體機(jī)械手將傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手的應(yīng)用范圍從結(jié)構(gòu)化環(huán)境中對剛性物體的抓取拓展到了對柔性的、表面形狀復(fù)雜的以及易碎物體的抓取中,這極大地豐富了機(jī)械手的應(yīng)用范圍,但又對抓取策略提出了更高的要求。當(dāng)軟體機(jī)械手實(shí)際抓取目標(biāo)物體時(shí),如何規(guī)劃抓取方式,保持抓持的安全可靠,是一個(gè)亟需解決的問題。

      1 內(nèi)骨骼軟體手設(shè)計(jì)

      1.1 設(shè)計(jì)原理

      氣動(dòng)純軟體手的優(yōu)點(diǎn)是柔順性,缺點(diǎn)是剛度低抓持力小。其動(dòng)作是通過氣壓作用使軟體材料的手指發(fā)生彎曲變形,即軟體材料是產(chǎn)生動(dòng)作的“執(zhí)行器”,具有柔順性的優(yōu)點(diǎn);另一方面,軟體手抓取過程中的所有力也是靠軟體材料來承擔(dān)和傳遞,而軟體材料在承力和力傳遞的剛性方面顯然不如機(jī)械結(jié)構(gòu),所以在承力和力的傳遞方面是個(gè)弱點(diǎn)。如果能夠在結(jié)構(gòu)上仍然用軟體材料在氣壓作用下實(shí)現(xiàn)“動(dòng)作柔順驅(qū)動(dòng)”,而在承力和力的傳遞上采用剛性結(jié)構(gòu),那么就可以保持柔順性的優(yōu)點(diǎn),克服抓持力小的缺點(diǎn)。因此,考慮在結(jié)構(gòu)上把驅(qū)動(dòng)和承力的功能從1個(gè)部件承受分解開,由2個(gè)部件來分別承受,這是基本設(shè)計(jì)思路。

      1.2 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      采用驅(qū)動(dòng)和承力功能分解的設(shè)計(jì)方案時(shí),應(yīng)該確定承力部件的結(jié)構(gòu)形式以及其與驅(qū)動(dòng)部件的機(jī)械結(jié)合方式,即結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方案。聯(lián)想到人手的結(jié)構(gòu),除大拇指外的其余手指各有3根骨指,由近及遠(yuǎn)為近節(jié)指骨、中節(jié)指骨和遠(yuǎn)節(jié)指骨,指骨間以活動(dòng)關(guān)節(jié)形式連接,通過肌肉驅(qū)動(dòng)完成動(dòng)作。因此,如果參照人手結(jié)構(gòu),將承力部件嵌入柔性驅(qū)動(dòng)部件,即手指肌肉內(nèi)部,充當(dāng)人手骨骼的功能,這樣就能如人手一般,由柔軟的肌肉驅(qū)動(dòng)并接觸抓取物體,內(nèi)部的剛體部件像骨骼一樣,傳遞和承受抓取時(shí)產(chǎn)生的力。相較于傳統(tǒng)的純軟體手爪驅(qū)動(dòng)與承力都由軟體材料本身承擔(dān),設(shè)計(jì)內(nèi)骨骼的結(jié)構(gòu)可以承受與傳遞大部分抓取過程中產(chǎn)生的力,提高手爪抓取能力。

      綜合分析,提出了一種關(guān)節(jié)式內(nèi)骨骼的結(jié)構(gòu)。軟體手爪的外部采用硅橡膠等軟體材料充當(dāng)手指的肌肉部分,作為驅(qū)動(dòng)單元,通過氣壓實(shí)現(xiàn)軟體材料的變形柔順驅(qū)動(dòng);同時(shí),在軟體材料內(nèi)腔預(yù)先嵌入串聯(lián)的多節(jié)剛性鉸鏈,起到手指內(nèi)骨骼的作用,鉸鏈骨骼能夠約束氣動(dòng)肌肉的變形方向并顯著提高其抓取力。

      軟體手指的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先確定了手指的輪廓外形。軟體手指的外形仿照章魚等軟體生物的觸手形式,由指尖以一定角度向末端尺寸漸變增大,呈現(xiàn)順滑的錐形結(jié)構(gòu)。內(nèi)骨骼的也相應(yīng)地遵循手指的外形輪廓,結(jié)構(gòu)尺寸從指處出往后遞增,并限制了手指整體形狀。當(dāng)軟體手抓取物體時(shí),一般手指前端與目標(biāo)物體的接觸較多,較小的截面尺寸使得軟體手指更易彎曲,動(dòng)作更加靈活。

      手指由多個(gè)指關(guān)節(jié)串聯(lián)鏈接而成,每個(gè)指關(guān)節(jié)相同的結(jié)構(gòu)與工作原理。單個(gè)指關(guān)節(jié)由3部分構(gòu)成:

      (1) 由鉸鏈串聯(lián)鏈接的剛性內(nèi)骨骼;

      圖1 軟體手指整體結(jié)構(gòu)圖

      (2) 軟體硅膠驅(qū)動(dòng)層;

      (3) 均勻嵌入軟體硅膠驅(qū)動(dòng)層中的纖維加強(qiáng)層。

      指關(guān)節(jié)氣腔充氣后,氣壓力作用在內(nèi)骨骼的剛性端面上,使關(guān)節(jié)產(chǎn)生沿軸向的伸展變形,由于關(guān)節(jié)底部鉸接的結(jié)構(gòu),使內(nèi)骨骼在底部變形只能產(chǎn)生繞鉸接點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng);而關(guān)節(jié)上部沒有軸向剛性約束僅有硅膠的柔性約束,所以可以產(chǎn)生一定程度的軸向伸展,形成了關(guān)節(jié)的彎曲,而纖維加強(qiáng)層的作用是約束硅膠的徑向膨脹變形,使充氣量能高效地實(shí)現(xiàn)硅膠層的軸向伸展。

      為了獲得更多的形狀控制可能性,完成更多的動(dòng)作以抓取不同形狀、尺寸的目標(biāo)物體,整個(gè)軟體手指分為相對獨(dú)立的3指段,每個(gè)指段由5個(gè)相互連通的指關(guān)節(jié)組成,指關(guān)節(jié)間相互以鉸鏈形式串聯(lián)鏈接,在外力作用下可以旋轉(zhuǎn),根據(jù)設(shè)計(jì)的骨骼結(jié)構(gòu),其旋轉(zhuǎn)角度為-45°~180°。每個(gè)指段的彎曲變形為各個(gè)指關(guān)節(jié)的作用之和,軟體手指彎曲變形如圖2所示。

      圖2 手指彎曲變形示意圖

      1.3 柔性彎曲傳感器的集成

      本研究所設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)式內(nèi)骨骼氣動(dòng)軟體機(jī)械手具有位置傳感功能。在軟體手指中植入了柔性彎曲傳感器。傳感器采用了Flex Sensor。根據(jù)手指的結(jié)構(gòu)尺寸,選擇了flex2.2″型號(hào),如圖3所示。傳感器以一定的安裝方式嵌入手指底部的硅膠層中,可以隨手指一起彎曲動(dòng)作。每個(gè)指段下方各集成了1片柔性彎曲傳感器,可以有效的完成對各指段彎曲角度的信號(hào)采集,

      圖3 Flex Sensor柔性彎曲傳感器

      為之后的軟體手控制打下基礎(chǔ)。

      1.4 三指軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)

      在完成了軟體機(jī)械手的核心部件,即軟體手指的結(jié)構(gòu)方案后,應(yīng)基于軟體手指進(jìn)一步完成整個(gè)軟體手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軟體手采用常用的三指結(jié)構(gòu),控制簡單靈活,可以對目標(biāo)物體完成可靠的抓取。軟體機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要由3根軟體手指與中央連接手掌構(gòu)成。手掌采用剛性材料,保持足夠剛度的同時(shí)較為輕便。手掌為3D打印一體成型,具有流線型的外表與完備的內(nèi)部流道,方便手指氣管以及傳感器信號(hào)線的布置連接,隱藏式布線設(shè)計(jì)使得走線有序整潔,軟體手美觀、一體化。手掌根部設(shè)計(jì)有法蘭安裝孔,方便軟體手與操作臺(tái)或者操作機(jī)械臂連接使用。

      圖4 3指軟體機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)圖

      3根軟體手指沿中央連接手掌周向均布,其具體安裝尺寸如圖5所示。手指間周向間隔為120°。手指的軸線與手掌軸心線的夾角設(shè)為35°,為軟體手的初始張開角度。連接手掌整體呈圓柱狀,其頂部截面直徑為120 mm。

      2 軟體手自主抓取策略

      2.1 抓取原理與假設(shè)條件

      機(jī)械手的抓取主要分為指尖抓取與包絡(luò)抓取。其中指尖抓取是指軟體機(jī)械手手指指尖接觸被抓取物體表面,把物體夾住,物體依靠手指指端實(shí)現(xiàn)對物體的穩(wěn)定抓持,為點(diǎn)接觸形式。指尖抓取方式靈活度較大,有較好的抓取精度,涉及位置和力兩個(gè)方面的規(guī)劃問題,能夠?qū)崿F(xiàn)對物體靈活可靠的操作,但抓取力較小,且控制較難,運(yùn)算復(fù)雜。當(dāng)軟體機(jī)械手執(zhí)行包絡(luò)抓取時(shí),所有手指和手掌均可參與對物體的抓取。此種抓取具有較好的穩(wěn)定性和魯棒性,缺點(diǎn)是靈活性較小,但是具有較好的抓持穩(wěn)定性,并且能夠提供較大的抓取力。由于軟體手具有優(yōu)異的柔順性,與目標(biāo)物體耦合面積大,適應(yīng)物體形狀的特性,因而適合采用包絡(luò)抓取理論來分析。

      圖5 手指與手掌安裝尺寸圖(mm)

      包絡(luò)抓取控制策略的目的是使手指能夠以較快的速度接近物體,且以合適的力來抓取物體,如果用力太大,會(huì)使易碎物品損壞,太小則會(huì)夾不住物體或者物體在抓取過程中滑落。要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo),只有從一個(gè)較小的力開始,逐漸增大,直到物體與手指間沒有相對滑動(dòng)為止,這時(shí)應(yīng)該是最小的抓取力。

      軟體手由于本身的高柔順性,因自身或是外力作用而產(chǎn)生彈性變形,與目標(biāo)物體的接觸形式為軟接觸,耦合面形式復(fù)雜多樣。由于接觸類型一般為面接觸,無法如指尖抓持一樣確定接觸點(diǎn)位置而進(jìn)行精確建模。因此,包絡(luò)抓取時(shí),本研究不考慮力的規(guī)劃,從手指實(shí)時(shí)位置的角度進(jìn)行探討,并進(jìn)行了如下假設(shè)條件。

      (1) 軟體手位于被抓取目標(biāo)物體正上方,即距離目標(biāo)物體幾何中心距離,已經(jīng)處于最佳抓取姿態(tài);

      (2) 為了較少控制量,軟體手采用三手指對稱抓取方式,即軟體手3根不同手指相同位置處的指段保持相同輸入壓力,即接入同一氣路;

      (3) 信號(hào)處理的速度足夠快,能夠滿足控制算法判定需求。

      2.2 基于實(shí)時(shí)位置檢測的壓力補(bǔ)償包絡(luò)抓取算法

      包絡(luò)抓取模式下,軟體機(jī)械手需要對具體參數(shù)未知的目標(biāo)物體進(jìn)行自主抓取,進(jìn)行力封閉規(guī)劃是不可行的。因而需要一種簡單、快捷、可靠的抓取方案來進(jìn)行抓取操作,本研究考慮從間接檢測的角度來進(jìn)行控制,并通過相關(guān)規(guī)則來判定抓取的可靠性。

      假設(shè)在一次抓取試驗(yàn)中,軟體機(jī)械手從初始狀態(tài)開始動(dòng)作,運(yùn)動(dòng)至接觸目標(biāo)物體,并繼續(xù)加壓抓緊物體到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),然后在三自由度直角工作臺(tái)中由初始工位搬運(yùn)被抓取物體至目標(biāo)工位。在整個(gè)抓取試驗(yàn)過程中,手指各指段的彎曲角度從初始值開始變化至完成抓取操作到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),如果抓取過程發(fā)生擾動(dòng),或者抓取失敗,則手指也會(huì)脫離穩(wěn)定狀態(tài),發(fā)生偏移,相應(yīng)的各指段彎曲角度值也會(huì)發(fā)生改變。因此,考慮從機(jī)械手開始動(dòng)作起,實(shí)時(shí)監(jiān)測手指各指段位置,即實(shí)時(shí)采集彎曲角度信號(hào),通過控制算法判定機(jī)械手的當(dāng)前狀態(tài),并根據(jù)需要對手指指段腔室內(nèi)的氣壓力進(jìn)行補(bǔ)償,完成軟體手整個(gè)“運(yùn)動(dòng)—抓取—搬運(yùn)”操作流程?;趯?shí)時(shí)位置檢測的壓力補(bǔ)償包絡(luò)抓取算法流程如下所述。

      Step1:軟體手處于最佳抓取位置,手指各指段開始輸入氣壓,3根手指相同位置的指段由同一路流道供氣,軟體手三手指對稱抓?。?/p>

      Step2:以采樣頻率f實(shí)時(shí)采集手指各指段彎曲傳感器信號(hào),選定1個(gè)判定時(shí)長tc,則在1個(gè)判定時(shí)長控制器共采集tc*f個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。從剛輸入氣壓,手指開始運(yùn)動(dòng)的0時(shí)刻起,對每個(gè)采集數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行判定。判定規(guī)則為計(jì)算第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所對應(yīng)的角度值與第(i+tc*f)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所對應(yīng)的角度值之差θm,并與設(shè)定角度差值θd1以及θd2比較,其中θd1>θd2。

      若θm滿足:

      θm>θd1且θm>θd2

      (1)

      則這個(gè)過程為手指彎曲動(dòng)作過程,角度變換速率大于設(shè)定值,且手指處于正角速度狀態(tài),即彎曲角度增大。系統(tǒng)判定手指處于前期運(yùn)動(dòng)接近目標(biāo)物體階段。θd1與θd2的值由大量試驗(yàn)設(shè)定,θd1由手指一般運(yùn)動(dòng)角速度確定,θd2由彎曲傳感器測量精度確定;

      Step3:保持手指各指段充氣狀態(tài),繼續(xù)計(jì)算θm,并與θd1以及θd2比較。

      若θm滿足:

      θm<θd1且θm>θd2

      (2)

      則判定手指剛開始與目標(biāo)物體發(fā)生接觸,是軟體手的抓取接觸過程;

      Step4:繼續(xù)充氣,同時(shí)計(jì)算θm與|θm|。

      若|θm|滿足:

      |θm|<θd2

      (3)

      則判定手指已經(jīng)完全接觸了目標(biāo)物體。定義此時(shí)手指腔室內(nèi)氣壓為pf,繼續(xù)向手指輸入設(shè)定好的初始預(yù)加載氣壓力pd,通過氣壓傳感器反饋控制。初始預(yù)加載氣壓值需要預(yù)先估算,主要由目標(biāo)物體的重量決定。完成預(yù)加載氣壓輸入后,手指腔室內(nèi)氣壓為:

      p=pf+pd

      (4)

      Step5:關(guān)閉高速開關(guān)閥,暫停氣壓輸入,控制三自由度直角工作臺(tái)豎直方向動(dòng)作,通過調(diào)節(jié)控制工作臺(tái)氣缸輸入流量,給軟體手一個(gè)極小的向上運(yùn)行趨勢;

      Step6:在td時(shí)長內(nèi),繼續(xù)計(jì)算θm與|θm|,td為抓取穩(wěn)定判定時(shí)間,預(yù)設(shè)為2 s。共有3種狀況進(jìn)行分析。

      (1) 若 |θm|始終小于θd2,則判定抓取穩(wěn)定,提高軟體手向上運(yùn)動(dòng)速度,搬運(yùn)目標(biāo)物體。期間繼續(xù)保持位置實(shí)時(shí)監(jiān)測,判定抓取是否穩(wěn)定或者受到干擾;

      (2) 若檢測到|θm|大于θd2,且θm小于0,則判定手指有了脫離目標(biāo)物體回復(fù)運(yùn)動(dòng)的趨勢,立即恢復(fù)充氣,由氣壓傳感器反饋控制輸入一個(gè)迭代氣壓值pm進(jìn)行補(bǔ)償,pm的值預(yù)設(shè)為5 kPa。此時(shí)手指腔室內(nèi)的氣壓:

      p=pf+pd+pm

      (5)

      并跳轉(zhuǎn)至Step6繼續(xù)進(jìn)行判定,若|θm|還是大于θd2,繼續(xù)輸入一個(gè)迭代氣壓值pm,循環(huán)此步驟。則抓取穩(wěn)定時(shí)手指腔室氣壓為:

      p=pf+pd+n×pm

      (6)

      其中,n為氣壓的迭代補(bǔ)償次數(shù)。

      (3) 若檢測到θm有一個(gè)巨大的變化值,則判定手指完全脫離了目標(biāo)物體,該次抓取失敗,則跳轉(zhuǎn)Step1進(jìn)行重抓取,重抓取過程中預(yù)加載氣壓值設(shè)定為初始預(yù)加載氣壓值pd加上(n+2)個(gè)迭代氣壓值,即:

      pd2=pd+(n+2)×pm

      (7)

      以上就是軟體手基于實(shí)時(shí)位置檢測的壓力補(bǔ)償包絡(luò)抓取算法流程,其中的各項(xiàng)設(shè)定值可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改,以獲得更好的抓取效果。

      2.3 手指初始預(yù)加載氣壓估算

      在軟體手基于位置檢測的壓力補(bǔ)償包絡(luò)抓取算法中,初始預(yù)加載氣壓值是一個(gè)很重要的設(shè)定參數(shù),是手指剛接觸到目標(biāo)物體后,對物體施加的預(yù)抓取力,在此基礎(chǔ)上通過算法判定決定是否進(jìn)行壓力補(bǔ)償。如果預(yù)加載氣壓值設(shè)定過小,抓取較重物體則會(huì)增加迭代次數(shù),增加運(yùn)算量與運(yùn)算時(shí)間,且可能導(dǎo)致進(jìn)行多次重抓取。如果預(yù)加載氣壓值設(shè)定過大,則有可能會(huì)損壞易碎易損目標(biāo)物體,且不是最小抓取力。因此,為了簡化控制過程,減少計(jì)算時(shí)間,提高抓取效率與抓取成功率,需要對目標(biāo)物體參數(shù)進(jìn)行一定的評估。

      根據(jù)一般的抓取經(jīng)驗(yàn),對一個(gè)任意形狀物體的特征屬性進(jìn)行模糊評判,將物體本身的特征用3個(gè)屬性來描述:形狀、體積和重量。物體的形狀可以分為細(xì)長、中等和扁平。物體體積則是與軟體手操作空間相比較,分為三類:較大、中等和較小。同樣將物體的重量和軟體手的最大抓取重量相比較,得到重量的5個(gè)分類:很重、較大、中等、較小和很小。

      這里主要需要考慮的是目標(biāo)物體的重量。根據(jù)物體材質(zhì)和大概尺寸,估算物體大概重量。將估算質(zhì)量代入物體重量的5個(gè)分類中。每個(gè)重量分類對應(yīng)一個(gè)初始預(yù)加載氣壓值。根據(jù)大量的試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)定了手指各指段的預(yù)初始預(yù)加載氣壓值,如表1所示。

      表1 手指各指段初始預(yù)加載氣壓值 kPa

      對于估算好大概重量的目標(biāo)物體,根據(jù)設(shè)定好的手指各指段初始預(yù)加載壓力值,進(jìn)行包絡(luò)抓取試驗(yàn)。

      3 手爪試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

      3.1 抓取控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

      對內(nèi)骨骼軟體手進(jìn)行抓取試驗(yàn),驗(yàn)證抓取算法的可行性以及抓取性能。通過硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)及控制算法的協(xié)調(diào)配合,即可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的抓取操作。搭建了軟體機(jī)械手抓取氣動(dòng)回路、硬件回路以及軟件控制平臺(tái),如圖6所示,并采用設(shè)計(jì)的算法完成了軟體機(jī)械手的抓取控制。

      圖6 軟體手抓取控制平臺(tái)原理圖

      氣控回路中空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣經(jīng)過油霧分離器及減壓閥處理后進(jìn)入電磁閥組。二位三通電磁閥組控制手指腔室的充放氣狀態(tài),高速開關(guān)閥組通過控制氣體輸出流量驅(qū)動(dòng)手各指段。工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的主機(jī),通過PCI總線數(shù)據(jù)采集控制板卡控制光耦隔離電路輸出,進(jìn)而控制電磁換向閥組的方向切換以及高速開關(guān)閥組的PWM波占空比,從而控制軟體手運(yùn)動(dòng)。手指指段彎曲角度通過嵌入的柔性彎曲傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測反饋;手指各指段腔室內(nèi)氣壓由壓力傳感器采集。軟體手的所有傳感信息經(jīng)過數(shù)據(jù)采集控制板卡輸送進(jìn)工控主機(jī)控制系統(tǒng),完成閉環(huán)控制。

      軟體手抓取控制系統(tǒng)在Simulink/RTW環(huán)境下搭建。抓取時(shí),首先根據(jù)目標(biāo)物體的大致重量以及尺寸估算,給定手指接觸目標(biāo)位置后的初始輸出壓力迭加值,進(jìn)行抓取并實(shí)時(shí)檢測手指位置狀態(tài),并根據(jù)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整手指各指段壓力值,進(jìn)行包絡(luò)抓取。

      3.2 抓取試驗(yàn)結(jié)果與分析

      對研制的軟體機(jī)械手進(jìn)行了包絡(luò)抓取試驗(yàn)。選取了9種日常生活中常見的物品作為抓取對象,其尺寸、質(zhì)量、材質(zhì)等參數(shù)如表2所示,并依次標(biāo)注了序號(hào)。

      表2 抓取試驗(yàn)物體參數(shù)

      采用設(shè)計(jì)的控制算法對這9種目標(biāo)物體進(jìn)行了自主抓取,抓取試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

      圖7 軟體手包絡(luò)抓取試驗(yàn)結(jié)果

      待抓取成功且穩(wěn)定后, 記錄了手指各指段腔室內(nèi)

      表3 包絡(luò)抓取不同目標(biāo)物體指段內(nèi)氣壓值 kPa

      的氣壓值,如表3所示。

      同時(shí),對這9中物品進(jìn)行了多次重復(fù)性抓取試驗(yàn),測試本研究設(shè)計(jì)的自主抓取算法的成功率。每樣物品進(jìn)行了30次抓取試驗(yàn),結(jié)果如表4所示。分析可以發(fā)現(xiàn),對于具有一定弧度的物品,手爪的抓取成功率很高,接近100%。手爪可以較好地適應(yīng)物體的表面形狀,有助于抓取成功。而對于柱形或方形物品,手爪的接觸位置如果沒有選取好,則會(huì)降低一定的成功率,容易產(chǎn)生滑移,導(dǎo)致抓取失敗。另外對于較重的物品,其抓取成功率較較小質(zhì)量的物品略低。從整體看,手爪自主包絡(luò)抓取成功率在90%以上。

      表4 軟體手自主包絡(luò)抓取成功率

      試驗(yàn)結(jié)果表明:內(nèi)骨骼軟體手能夠在較大范圍內(nèi)可靠夾持各種不同形狀、不同重量的物體,且能適應(yīng)金屬、塑料等不同材質(zhì)的目標(biāo)物體,能安全可靠夾持水果等食品以及玻璃等易碎物品,保護(hù)物體表面、避免劃痕和損傷。抓取整體成功率在90%以上,因此,研制的關(guān)節(jié)式內(nèi)骨骼氣動(dòng)軟體手可應(yīng)用于混流柔性生產(chǎn)中。

      3.3 手爪驅(qū)動(dòng)力與承力測試

      為了體現(xiàn)新型內(nèi)骨骼軟體手在承力方面的性能優(yōu)劣,與純軟體手進(jìn)行了對比試驗(yàn)。為此設(shè)計(jì)了一款相同規(guī)格的純軟體手。其具有相同的結(jié)構(gòu)尺寸,包括手指長度、周向尺寸等。該軟體手指只有1個(gè)腔室,由氣壓整體驅(qū)動(dòng)。對其氣壓驅(qū)動(dòng)下的承力進(jìn)行了測量。這里定義手爪承力即為可以抓取的最大物品重量,并與本研究提出的內(nèi)骨骼軟體手進(jìn)行了對比分析,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

      表5 手爪驅(qū)動(dòng)與承力對比

      從表中可以看出,在最大驅(qū)動(dòng)氣壓150 kPa時(shí),純軟體手的最大承力約為10 N,而內(nèi)骨骼軟體手最大承力為35 N。這主要是由于新型軟體手的內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu),手指與被抓取物間的接觸力通過內(nèi)骨骼傳遞到末端手掌基座,而不是直接由軟體手指本身來承擔(dān),因此內(nèi)骨骼軟體手的承力功能較純軟體手顯著增大了。

      4 結(jié)論

      (1) 根據(jù)混流柔性生產(chǎn)對機(jī)械手提出的性能要求,提出了一種新型的驅(qū)動(dòng)與承力功能分解的關(guān)節(jié)式內(nèi)骨骼氣動(dòng)軟體機(jī)械手。軟體手指外部采用周向均勻纏繞纖維的軟體硅橡膠作為手指肌肉,通過氣壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生軸向拉伸而實(shí)現(xiàn)柔順的彎曲變形動(dòng)作;手指內(nèi)部植入通過鉸鏈鏈接的剛性單元充當(dāng)手指的內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)。這種新結(jié)構(gòu)剛?cè)岵?jì),避免了軟體肌肉既承擔(dān)驅(qū)動(dòng)功能又承擔(dān)承力功能的固有缺陷,在保持軟體手柔順性的同時(shí)顯著提高了抓持能力。

      (2) 為了對軟體手進(jìn)行有效的控制,研究了軟體機(jī)械手的抓取策略。分析了兩種抓取方式,其中對于包絡(luò)抓取模式,提出了一種基于實(shí)時(shí)位置檢測的壓力補(bǔ)償算法,并通過估算手指各指段的初始預(yù)加載氣壓值,提高了抓取成功率與抓取效率。并對軟體手進(jìn)行了實(shí)物抓取試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,軟體手可以對柔軟、不規(guī)則、易損易碎物體進(jìn)行安全可靠抓取,驗(yàn)證了抓取控制算法的有效性。此外,進(jìn)行了手爪的驅(qū)動(dòng)力與承力測試,結(jié)果顯示內(nèi)骨骼軟體手的承力較純軟體手有了顯著提高,驗(yàn)證了內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

      研究結(jié)果表明,本研究提出的新型關(guān)節(jié)式內(nèi)骨骼氣動(dòng)軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)與自主抓取策略是成功的,可應(yīng)用于混流柔性生產(chǎn)中,具有工程應(yīng)用價(jià)值。

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