基于振動摩擦的鏟式柔性機械手的研究

吳健　方俊

摘 要：軟性物體的抓取中存在擠壓和摩擦兩個關鍵問題。擠壓可導致物體變形，摩擦可導致物體表面損傷。目前的研究大多著眼于實時采集抓取過程中的力學數據并構建智能反饋系統以準確控制抓取力，達到無損抓取目標。此類系統結構復雜，成本較高，難以實現實用化與市場化。該文提出一種基于振動摩擦的鏟式柔性抓取方案。采用鏟式機械手，以鏟起代替夾持動作，從而有效避免擠壓損傷現象；利用振動摩擦原理有效減輕摩擦，以避免表面擦傷劃傷現象。計算表明該方案效果優于傳統做法，而成本低于智能式機械手，具有一定的實用價值和市場前景。

關鍵詞：振動摩擦 機械手 鏟式抓取。

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（c）-0087-02

傳統的剛性機械手為獲得良好的定位精度，盡量增加機械手構件的剛度來減少振動。用于夾持陶泥、面點等軟性物體時，極容易造成工件變形、表面擦傷等缺陷。為解決機械手操作的速度與精確性的矛盾，柔性機械手應運而生。柔性機械手的動力學特點是系統中的柔性部件在運動過程中經歷著大的剛體整體移動和轉動，同時又有變形運動，而且這兩種運動又是高度耦合的，包括質量矩陣等量都是隨著物體變形而變化，都是時間的函數，這使柔性機械手的動力學問題的復雜性大大增加。

針對上述問題，許多研究者提出了一些解決方法。胡俊峰[1]提出的并聯機械手，采用彈性材料與結構，以利于實現柔性抓取。章軍[2]的研究中為適應抓取大小蘋果的需要，設計了1種靈活的3指6關節蘋果抓取機械手結構。與此類似，熊強等[3]將這種類型的機械手應用于抓取梯形包裝盒，并稱效果良好。哈佛大學能源系和美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的研究人員共同開發出一種軟體機械手，觸手是一個塑料柔性管，內部含有幾個通道可以吸入空氣，以獲得所需的壓力控制住物體。由于每個通道都是獨立加壓，觸手也可能在定向的方式形成卷曲，裹住物體并擠壓。通過增加足夠的空氣壓力，觸手可以將物體輕輕舉起[4]。

上述研究從理論上或者實踐上，對于柔性機械手的研制進行了可貴的探索，取得了一些成果。然而，這些類型的柔性機械手大多結構復雜，成本較高，應用場合單一，從而限制了其發展空間。本文提出了一種簡易的柔性抓取機械手。這種機械手另辟蹊徑，略掉了復雜的手指型構造，采用鏟式結構輔之以擺動式運動，以鏟取代替抓取。同時，利用振動摩擦代替了滑動摩擦，減少了表面損傷。從而以簡單的結構和運動，達到了軟性抓取的目的。

1 振動摩擦原理

實踐與研究表明，振動能夠有效地減少兩接觸面間的摩擦。一些研究者從破壞靜止條件的角度出發，提出了有效摩擦系數的概念，借用有效摩擦系數的概念來分析振動減摩效應，并推導出有效摩擦系數公式[5-6]。

如圖1所示，是振動與正壓力方向平行的情況。靜止物塊質量為m，與接觸平面的最大靜摩擦系數為f；壓力為N，作用力為S；振動為，其中F0是振動源施加于物體的靜態作用力，方向平行于N，ω是系數，t是時間，φ是相位角。

當F（t）絕對值達到最大并與N方向相反瞬間，系統處于臨界狀態，平衡狀態被破壞，轉入滑動狀態，此后實際摩擦系數不會大于靜摩擦系數。

其有效摩擦系數為

令，則有

由于，振動狀態下有效摩擦系數?？梢姡行Σ料禂道碚摻o減摩現象給出較為合理的解釋。

2 基于振動摩擦的鏟式柔性抓取裝置要點

2.1 柔性鏟式機械手結構

振動型鏟式機械手如圖2所示，由基體、振動器、滑桿、連桿和鏟式手指組成。鏟式手指以鏟起方式，代替傳統的抓取動作，避免傷及陶泥類軟性物體?；w、滑桿、連桿與手指協作，實現手指開合動作。振動器提供小幅中頻振動，以利于被抓取物體與工作臺的分離并阻止手指與物體之間的粘合。整個機械手的軸向移動，另有氣缸提供。

振動器采用偏心振動原理，振動幅度<0.1mm，振動頻率50HZ，振動方向為滑桿往復移動方向，初始振動力F0為1N。鏟式手指厚度約2mm，材料為高分子聚酯復合材料，有良好的減摩性能與柔性，以適應軟性物體抓取。手指具有過渡型尖端，以利于無傷抓取。

2.2 抓取過程力學分析

2.2.1 夾持式機械手抓取力的靜態分析

如圖3所示，無振動條件下抓取力P所致摩擦力Ff必須大于陶泥試樣自重G，才不至于脫落，同時不能使其超出屈服強度。實際生產條件下，為適應各種不同外形的工件，機械手形狀為平面。

設機械手與陶泥單側接觸面積為A，則最小抓取力（正壓力）P必須滿足，擠壓應力為。

摩擦力。

2.2.2 無振動條件下鏟式機械手的力學分析

如圖4所示，采用鏟式機械手，在無振動條件下，采用直接插入鏟起的方式，工件受到擠壓力P和摩擦力F。由于鏟片倒角光滑，且角度很小，在垂直方向，鏟刀需要施加一定的力才能托起工件，若兩邊同時鏟起，則托起力為工件重量的一半，即擠壓應力，

其中A2是接觸面積，同時摩擦力

。

2.2.3 振動條件下鏟式機械手的力學分析

如圖5所示，振動條件下，鏟刀與陶泥之間的運動成為振動摩擦，并考慮振動與正壓力平行。如圖5所示。此時擠壓應力

，其中A3是接觸面積，同時摩擦力。

3 各抓取方案比較及實例驗證

擠壓應力：由于，且，顯然有。對于摩擦力，

則有。

顯然，方案2和3的擠壓應力遠小于方案1。鏟式抓取造成的擠壓損傷小于夾持式抓取。

摩擦：一般而言，有，因此。

及。

設陶泥物性如表1所示：

陶泥試樣形狀為圓柱體，直徑100mm，高度100mm，邊緣有2mm倒角，質量為1.33kg。鏟片長為30mm，寬為100mm，厚度為1mm。

方案1：設機械手與陶泥有效接觸寬度為5mm且在陶泥允許的變形范圍，則有效接觸面積A1為500mm2。

方案2：鏟刀與試件底部有效接觸面積為一弓形，設弓形高為30mm，則有效接觸面積A2為1984mm2。

方案3：有效接觸面積A3為1984mm2，

考慮振動可消除陶泥與鏟刀的粘結作用，實際有效滑動摩擦系數應大幅小于，此處設為0.08。

三種情形下的擠壓應力與摩擦力的對比如下：

kPa

3.3kPa

kPa

N

可見采用鏟式抓取后，擠壓問題得以解決，但是摩擦仍然較大，可能導致陶泥工件邊角擦傷，而采用振動式抓取后，摩擦力可減少一半以上，可改善擦傷現象。

4 結論

該文從理論上論證了鏟式振動摩擦型機械手在抓取陶泥類的軟性物體時的優越性。該機械手的優點是：

（1）采用鏟式抓取，避免了夾緊力過大造成的擠壓損傷。

（2）采用振動式抓取動作，減少了鏟刀與工件之間的摩擦，也減輕了陶泥與底板、鏟刀之間的粘結效應，緩解了摩擦造成的劃傷。

（3）與當前成為研究熱點的人工智能式柔性機械手相比，鏟式機械手構造簡單，造價便宜。

其缺點是：

（1）與真空吸盤式柔性抓取機械手相比，鏟刀動作需精確控制，具有一定的制造難度。

（2）振動式抓取時間較長，初步測算為5s以上，仍然難以滿足實際生產需求。

綜上所述，振動型鏟式柔性抓取機械手是可行的。具有結構簡單、造價低廉的優勢，具有廣闊的應用前景。但是存在的問題還需要進一步的研究與完善。

參考文獻

[1] 胡俊峰，張憲民.一種新型兩自由度柔性并聯機械手的優化設計一種新型兩自由度柔性并聯機械手的優化設計[J].機器人，2010，32（4）：459-463.

[2] 章軍.六關節三指蘋果抓取機械手的自適應柔性分析[J].農業工程學報， 2010（1）：141-144.

[3] 熊強，章軍，陳春華，等.抓取梯形包裝盒的柔性機械手結構優化設計[J].包裝工程，2014（11）：80-83.

[4] 中國科技網[DB/OL].http：//www.wokeji.com/jbsj/eb/201311/t20131106_433281.shtml.

[5] 周亞輝.物體在平面上的振動摩擦狀態分析[J].科技信息，2011（10）：200-201.

[6] 楊鐸.振動摩擦機理及其工程應用的研究[D].沈陽：東北大學，2006.