仿生柔性機械爪優化設計

宋楊　趙憶錳　任小偉　藍鈺　于夢曉

摘 要：機械手自上世紀產生發展以來，解放了大批勞動生產力，但純機械結構的手臂，由于原理的局限性不具有人手靈活，多自由度的特點，在進行相關操作過程中機械爪只能抓取形狀規則的物體，而且易對抓取的軟體物體產生一定的損害。基于該問題，本文進行了傳統機械爪的優化設計：利用柔性關節取代傳統機械關節，基于ANSYS軟件進行軟體部分相關材料性能及受力情況的模擬，基于實際需要設計機械爪結構，實現在機械爪張合的過程中抓穩物體，同時利用Ardino編程軟件實現自動化控制，最終獲得成型的柔性機械爪，實現精確，無損害的過程抓取。

關鍵詞：柔性機械爪；ANSYS模擬；多自由度

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）04-0063-02

1 引言

機械手作為最早出現的工業機器人，可以代替人的繁重勞動實現生產過程中的機械化和自動化。自上世紀60年代起出現的傳統機器人手爪在傳統制造業中實現了大規模產業應用。但由于原理性局限，機械爪遠遠不能滿足智能制造產業的需求，這成為當前機器人產業發展的一個關鍵性瓶頸。

與此同時，各國科學家積極展開了仿生柔性機械爪的研究。例如：來自北京的創業公司SRT研發的“機械手”采用的是硅膠材質：充氣時，這款柔性夾爪會脹大，并通過自適應包覆住不同尺寸、形狀和重量的目標物體；中國科大自主研發的柔性手爪采用剛柔合一、電-氣互補的設計原理，顯著提高了手爪與被操作物體表面之間的貼合度，有效降低了物體形狀分析的精度要求，極大改善了手爪與操作環境之間的可接觸性；斯坦福大學的RoboSimian DRC機械爪采用多刺微型手掌設計，可以完成攀巖的目標。

2 優化設計內容

2.1 材料選擇性試驗

2.1.1 軟體部分材料實驗

為實現柔性機械爪的預期效果，機械爪柔性部分選用三種材料配比獲得，分別是10號硅膠+固化劑；硅膠A+硅膠B。對三種材料進行不同配比所獲得實物進行硬度試驗分析及實物運行分析，選取最適宜的材料以配比。試驗結果見表1，表2。

有以上實驗結果可以得知，10號硅膠（白色）+固化劑容易出現氣泡，易產生裂紋，不適合做連接材料；選用硅膠原料A（膚色）+硅膠原料B（白色）質量比1：2時，機械爪運行正常，多次使用未出現明顯缺陷。

2.1.2 基體硬質部分材料選擇

由于設計的機械爪并非用于重物抓舉，基于試驗的方便性，制造的快捷性以及環保方面考慮，我們最終選取PLA（聚乳酸）材料進行3D打印。該材料熱穩定性好，有良好的抗溶劑性，由此打印出的機械爪能生物降解，光澤度、手感以及耐熱性好，具有很高的阻燃性。

2.2 機械爪結構設計

仿生柔性機械爪主要包括固定底座、舵機、線輪、牽引線、上固定板、柔性機械爪、螺柱和電路板，所述底座和電路板座通過螺柱連接，所述舵機通過螺柱的緊固卡在下固定座上，所述線輪通過螺紋配合與舵機連接，所述機械手通過上固定板的卡槽實現與固定板的連接并通過牽引線連接（見圖1、圖2）。所述舵機帶動線輪轉動改變牽引線長度實現機械爪的開合。

2.3 機械爪結構的程序控制

柔性機械爪的動作控制主要由舵機與牽引絲線來實現。首先在電腦上進行編程，通過信號線將控制信號傳輸于控制電路板。柔性牽引絲線將柔性手指的指部骨架和柔性關節全部連接起來后，穿過第一固定件上的通道與牽引絲線卷繞裝置連接，將牽引絲線卷繞裝置安裝于舵機的轉動軸上。

機械手在進行物體抓取時，舵機接收到外部電腦發動的信號時開始工作，舵機轉動，繞線裝置隨舵機的轉動軸轉動，帶動牽引絲線進行收縮動作，牽引絲線纏繞在牽引絲線繞線裝置上，柔性關節彎曲，從而實現抓取動作。由于柔性關節的彈性特性，舵機反方向轉動將牽引絲線放松，柔性手指會自動返回原來位置，動作完成。通過反饋調節，電路板根據所在位置決定電機轉動的方向和速度，實現操作過程的可控性。

2.4 ANSYS仿真模擬及受力分析

對機械爪進行仿真力學分析（見圖3），由于機械爪的柔性部分是受力較復雜且柔性材料相對強度較低，因此主要分析柔性材料的受力。對機械爪進行兩種不同方向加載，進行ANXSYS力學分析，結果見圖4，5。

3 結語

從所取得的成果看，利用生物界的許多有益構思來發展技術是可為的。但現階段已有的研究成果僅僅邁出了對于仿生機械學的探索應用的第一步。在未來的發展過程中，必將有更多先進完善的理論和結構充實進來，仍具有極大的研究工作需要進行。

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