仿象鼻機器人設計與實驗*

蔣煒忠,韓 露,劉志洋,滕 菲,白曉楠,孫龍飛

(1.沈陽理工大學 機械工程學院,遼寧 沈陽 110159; 2.沈陽理工大學 信息科學與工程學院,遼寧 沈陽 110159)

0 引 言

連續(xù)體機器人是一種新型仿生機器人,它可以模仿自然界中象鼻、章魚臂等動物器官的運動機理,其自身不存在離散關(guān)節(jié),但能依靠連續(xù)柔性變形實現(xiàn)運動操作[1-2]。仿生連續(xù)體機器人是根據(jù)觸手、象鼻、舌頭等生物體特殊的器官設計出的無脊柱連續(xù)型機器人[3]。在抓取一些柔軟的目標物體時,仿生連續(xù)體機器人比傳統(tǒng)離散關(guān)節(jié)剛性連接機械手臂更加靈活,它不僅能夠像傳統(tǒng)機器人采用末端執(zhí)行器實現(xiàn)抓取,還能夠利用機器人本身的柔性彎曲包裹住目標物體,可減少機器抓取對物體的損傷[4]。

通過改變自身的外形,連續(xù)型機器人可以靈活地繞過各種障礙物,或穿過狹小彎曲的孔洞,非常適合非結(jié)構(gòu)化環(huán)境和空間受限環(huán)境應用[5]。同時,在面對復雜環(huán)境時,仿生連續(xù)體機器人的靈活性可以避免其與復雜操作環(huán)境產(chǎn)生碰撞,具有很好的工程應用前景[6]。另外,研究者受自然界象鼻的啟發(fā),模仿它們的結(jié)構(gòu)特征與運動機理,設計出具有生物體特征的仿生機器人,此機器人可以彌補傳統(tǒng)機器人自由度少、避障能力不足、靈活性差等缺點[7]。

筆者提出一種采用繩索和SMA彈簧差動驅(qū)動的欠驅(qū)動、模塊化的新型仿象鼻機器人。此機器人通過電流控制SMA彈簧等效剛度,配合繩索驅(qū)動實現(xiàn)對不同形狀物體的包絡抓取。首先,采用D-H法建立了仿象鼻機器人運動學模型,分析機器人工作空間。然后,基于記憶合金彈簧組的理論計算仿真得出仿象鼻機器人的多種彎曲變形效果。最后,通過原理樣機制作和實驗平臺搭建對理論模型進行驗證。

1 仿象鼻機器人結(jié)構(gòu)設計

仿象鼻機器人由多模塊串聯(lián)而成,象鼻內(nèi)側(cè)的相鄰模塊間采用鉸鏈連接,外側(cè)設計為可開合形式。象鼻采用繩索提供牽引力。象鼻內(nèi)側(cè)設計了繩索導向孔,牽引繩索通過導向孔貫穿連接各級模塊。象鼻外側(cè)兩模塊之間并列安裝普通拉伸彈簧和SMA彈簧,通過調(diào)整模塊間彈簧的等效剛度使其產(chǎn)生與繩索對抗的拉力,使象鼻可以彎曲至多種角度。普通拉伸彈簧可以使模塊之間在無外部負載作用下恢復至初始閉合狀態(tài)。開口彈簧可以設計為普通彈簧與SMA彈簧組合使用,改變彈簧組的等效剛度,進而主動控制包絡的曲率半徑。

仿象鼻機器人三維結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用模塊化設計使機器人整體結(jié)構(gòu)簡單。單個模塊長42 mm、寬42 mm、高55 mm,模塊材料為9400樹脂,模型由十個模塊串聯(lián)而成,仿象鼻機器人總長約470 mm。為了達到牢靠抓取物體而不使物體受損的目的,每個模塊夾持面設置緩沖材料,緩沖材料豎直剖面為梯形,這樣可以防止緩沖材料在相鄰模塊化關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動到指定角度前提前相互接觸。

圖1 仿象鼻機械手三維模型

仿象鼻機器人模塊之間選用的SMA彈簧的材料為鎳鈦合金,絲徑為0.6 mm,外徑為4 mm,總長為10 mm。

2 運動學分析

工作空間是評價機器人性能的重要指標之一,工作空間可以根據(jù)每個關(guān)節(jié)的運動范圍和連桿的長度進行確定。建立的仿象鼻機器人的坐標系如圖2所示。在相鄰模塊轉(zhuǎn)軸位置建立D-H坐標系{Oi},(i=0,1,2,…,8),得到相應系統(tǒng)的D-H參數(shù)表,如表1所列。

表1 象鼻機器人D-H參數(shù)表

所有轉(zhuǎn)角都在x-y平面內(nèi)繞z軸旋轉(zhuǎn),θ表示轉(zhuǎn)動變量,頂部單元模塊與基座固連,坐標系{O0}為固定坐標系,其余坐標系通過旋轉(zhuǎn)θi后沿X軸平移L得到,兩個相鄰坐標系之間的變換矩陣為nTn+1。

nTn+1=

(1)

式中:S=sinθ,C=cosθ。

所有坐標系都是相對于當前的坐標系變換的,因此可得機器人基座與末端模塊之間的總變換矩陣為:

0T8=0T11T22T33T44T55T66T77T8

(2)

其中S12、C12可表示為:

S12=S(θ1+θ2)=S1C2+C1S2

(3)

C12=C(θ1+θ2)=C1C2-S1S2

(4)

使用式(3)、(4)對結(jié)果簡化,計算得到:

0T8=[Rot(z,θ)×Trans(L,0,0)]8

(5)

式中:PX=L×(C1+C12+C1～3+C1～4+C1～5+

C1～6+C1～7+C1～8);PY=L×(S1+S12+S1～3+

S1～4+S1～5+S1～6+S1～7+S1～8);PZ=0。

Cθ1～n和Sθ1～n為n個轉(zhuǎn)軸余弦和正弦角的和,可以表示為:

Cθ1～n=cos(θ1+θ2+θ3+……+θn)

(6)

Sθ1～n=sin(θ1+θ2+θ3+……+θn)

(7)

根據(jù)正運動學方程,給定轉(zhuǎn)角θ和連桿長度L值便可以求出空間當中末端相對于基座的位姿。在實際使用當中,為減少末端模塊在卷曲時與其它模塊發(fā)生交叉碰撞的次數(shù),需限定張角運動范圍,限定情況如表2所列。仿真得到象鼻機器人的工作空間如圖3所示。

表2 張角運動范圍 /(°)

圖3 象鼻機器人工作空間

3 實 驗

為了驗證仿象鼻機器人的運動學關(guān)系,設計搭建了仿象鼻機器人實驗裝置。實驗系統(tǒng)由象鼻機器人樣機、TD3020電源模塊、上位機、ESP8266 NodeMCU-12F CH340開發(fā)板等構(gòu)成。實驗中,SMA彈簧在通電后發(fā)熱,溫度達到SMA絲的相變溫度(文中所用SMA絲的相變溫度為65 ℃)時,SMA彈簧會收縮。包絡抓取實驗如圖4所示。

圖4 象鼻機器人抓取實驗

4 結(jié) 語

文中設計了一種由繩索和彈簧組聯(lián)合驅(qū)動的象鼻機器人,機器人由模塊單元串聯(lián)形成,結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,結(jié)構(gòu)靈活性好,可以實現(xiàn)靈活彎曲運動?；贒-H法建立了仿象鼻機器人的正運動學模型,在正運動學基礎上采用蒙特卡洛法得出仿象鼻機器人包絡空間。并最終完成仿象鼻機器人實物樣機的制作,驗證了象鼻機器人的包絡功能。此機器人在果蔬采摘、復雜物體抓取等領(lǐng)域有一定應用前景。