基于振動摩擦的鏟式柔性機(jī)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(gè)關(guān)鍵問題。擠壓可導(dǎo)致物體變形，摩擦可導(dǎo)致物體表面損傷。目前的研究大多著眼于實(shí)時(shí)采集抓取過程中的力學(xué)數(shù)據(jù)并構(gòu)建智能反饋系統(tǒng)以準(zhǔn)確控制抓取力，達(dá)到無損抓取目標(biāo)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)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(jī)械手，以鏟起代替夾持動作，從而有效避免擠壓損傷現(xiàn)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(xiàn)象。計(jì)算表明該方案效果優(yōu)于傳統(tǒng)做法，而成本低于智能式機(jī)械手，具有一定的實(shí)用價(jià)值和市場前景。

關(guān)鍵詞：振動摩擦 機(jī)械手 鏟式抓取。

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

傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手為獲得良好的定位精度，盡量增加機(jī)械手構(gòu)件的剛度來減少振動。用于夾持陶泥、面點(diǎn)等軟性物體時(shí)，極容易造成工件變形、表面擦傷等缺陷。為解決機(jī)械手操作的速度與精確性的矛盾，柔性機(jī)械手應(yīng)運(yùn)而生。柔性機(jī)械手的動力學(xué)特點(diǎn)是系統(tǒng)中的柔性部件在運(yùn)動過程中經(jīng)歷著大的剛體整體移動和轉(zhuǎn)動，同時(shí)又有變形運(yùn)動，而且這兩種運(yùn)動又是高度耦合的，包括質(zhì)量矩陣等量都是隨著物體變形而變化，都是時(shí)間的函數(shù)，這使柔性機(jī)械手的動力學(xué)問題的復(fù)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(lián)機(jī)械手，采用彈性材料與結(jié)構(gòu)，以利于實(shí)現(xiàn)柔性抓取。章軍[2]的研究中為適應(yīng)抓取大小蘋果的需要，設(shè)計(jì)了1種靈活的3指6關(guān)節(jié)蘋果抓取機(jī)械手結(jié)構(gòu)。與此類似，熊強(qiáng)等[3]將這種類型的機(jī)械手應(yīng)用于抓取梯形包裝盒，并稱效果良好。哈佛大學(xué)能源系和美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）的研究人員共同開發(fā)出一種軟體機(jī)械手，觸手是一個(gè)塑料柔性管，內(nèi)部含有幾個(gè)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(gè)通道都是獨(dú)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(shí)踐上，對于柔性機(jī)械手的研制進(jìn)行了可貴的探索，取得了一些成果。然而，這些類型的柔性機(jī)械手大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，應(yīng)用場合單一，從而限制了其發(fā)展空間。本文提出了一種簡易的柔性抓取機(jī)械手。這種機(jī)械手另辟蹊徑，略掉了復(fù)雜的手指型構(gòu)造，采用鏟式結(jié)構(gòu)輔之以擺動式運(yùn)動，以鏟取代替抓取。同時(shí)，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(jié)構(gòu)和運(yùn)動，達(dá)到了軟性抓取的目的。

1 振動摩擦原理

實(shí)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(fā)，提出了有效摩擦系數(shù)的概念，借用有效摩擦系數(shù)的概念來分析振動減摩效應(yīng)，并推導(dǎo)出有效摩擦系數(shù)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(zhì)量為m，與接觸平面的最大靜摩擦系數(shù)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(tài)作用力，方向平行于N，ω是系數(shù)，t是時(shí)間，φ是相位角。

當(dāng)F（t）絕對值達(dá)到最大并與N方向相反瞬間，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，平衡狀態(tài)被破壞，轉(zhuǎn)入滑動狀態(tài)，此后實(shí)際摩擦系數(shù)不會大于靜摩擦系數(shù)。

其有效摩擦系數(shù)為

令，則有

由于，振動狀態(tài)下有效摩擦系數(shù)。可見，有效摩擦系數(shù)理論給減摩現(xiàn)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(diǎn)

2.1 柔性鏟式機(jī)械手結(jié)構(gòu)

振動型鏟式機(jī)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?zhèn)鹘y(tǒng)的抓取動作，避免傷及陶泥類軟性物體。基體、滑桿、連桿與手指協(xié)作，實(shí)現(xiàn)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(gè)機(jī)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?yàn)榛瑮U往復(fù)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(fù)合材料，有良好的減摩性能與柔性，以適應(yīng)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(xué)分析

2.2.1 夾持式機(jī)械手抓取力的靜態(tài)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(shí)不能使其超出屈服強(qiáng)度。實(shí)際生產(chǎn)條件下，為適應(yīng)各種不同外形的工件，機(jī)械手形狀為平面。

設(shè)機(jī)械手與陶泥單側(cè)接觸面積為A，則最小抓取力（正壓力）P必須滿足，擠壓應(yīng)力為。

摩擦力。

2.2.2 無振動條件下鏟式機(jī)械手的力學(xué)分析

如圖4所示，采用鏟式機(jī)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(shí)鏟起，則托起力為工件重量的一半，即擠壓應(yīng)力，

其中A2是接觸面積，同時(shí)摩擦力

。

2.2.3 振動條件下鏟式機(jī)械手的力學(xué)分析

如圖5所示，振動條件下，鏟刀與陶泥之間的運(yùn)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(shí)擠壓應(yīng)力

，其中A3是接觸面積，同時(shí)摩擦力。

3 各抓取方案比較及實(shí)例驗(yàn)證

擠壓應(yīng)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(yīng)力遠(yuǎn)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(shè)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(zhì)量為1.33kg。鏟片長為30mm，寬為100mm，厚度為1mm。

方案1：設(shè)機(jī)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(shè)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(jié)作用，實(shí)際有效滑動摩擦系數(shù)應(yīng)大幅小于，此處設(shè)為0.08。

三種情形下的擠壓應(yīng)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(dǎo)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(xiàn)象。

4 結(jié)論

該文從理論上論證了鏟式振動摩擦型機(jī)械手在抓取陶泥類的軟性物體時(shí)的優(yōu)越性。該機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)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(jié)效應(yīng)，緩解了摩擦造成的劃傷。

（3）與當(dāng)前成為研究熱點(diǎn)的人工智能式柔性機(jī)械手相比，鏟式機(jī)械手構(gòu)造簡單，造價(jià)便宜。

其缺點(diǎn)是：

（1）與真空吸盤式柔性抓取機(jī)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(shí)間較長，初步測算為5s以上，仍然難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

綜上所述，振動型鏟式柔性抓取機(jī)械手是可行的。具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是存在的問題還需要進(jìn)一步的研究與完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡俊峰，張憲民.一種新型兩自由度柔性并聯(lián)機(jī)械手的優(yōu)化設(shè)計(jì)一種新型兩自由度柔性并聯(lián)機(jī)械手的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人，2010，32（4）：459-463.

[2] 章軍.六關(guān)節(jié)三指蘋果抓取機(jī)械手的自適應(yīng)柔性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2010（1）：141-144.

[3] 熊強(qiáng)，章軍，陳春華，等.抓取梯形包裝盒的柔性機(jī)械手結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2014（11）：80-83.

[4] 中國科技網(wǎng)[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(tài)分析[J].科技信息，2011（10）：200-201.

[6] 楊鐸.振動摩擦機(jī)理及其工程應(yīng)用的研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2006.