一種柔性恒力變胞機械手設計

吳明

摘 要：柔性機構在彈性變形的過程中往往伴隨著能量的儲存與釋放，若儲存與釋放的能量較為接近時即可達到恒力的效果。變胞機構可以在極短的時間內完成部分構件的合并與分離動作，同時改變機構中有效構件數或自由度數量并形成新構型機構。本文在柔性變胞原理的基礎上設計了一種恒力機械手，介紹了該機械手的運動分析與結構設計，并實施了恒力運動分析。這種柔性變胞恒力機械手能夠實現較好的自適應性，可以用在芯片、玻璃等易碎產品的夾取，具有廣闊的市場空間。

關鍵詞：機械手;柔性變胞;恒力;運動分析

科學技術的進步始終是人類社會繼續發展的原動力，其中精密工程、機器人產業、生物工程產業以及材料學的發展和應用就離不開柔性機構的支持。目前，已經在柔性機構的研究中取得不錯成績的知名學府包括南洋理工大學、日本大阪大學、馬來西亞大學以及首爾大學等，為柔性機構的應用奠定了基礎。1998年美國機械工程師協會第一次提出了變胞機構的概念，其中變胞機構能夠在瞬間內完成機構自由度的變換并實現奇異變形的特點得到了業界的極大興趣。在當前的高新科技中，芯片、玻璃以及其他一些易碎物品的夾持始終是一大難題，以往往往是在薄壁易碎類產品的夾持方案中引入力反饋傳感器，以達到實時調整夾持力的效果。通過柔性變胞機構的合理運用以及其與機械手的設計相結合，能夠擺脫力反饋傳感器的限制，在實現恒力柔性夾持的前提下實現較高的可靠性，并有效降低成本。

由于柔性恒力機構能夠保證在工作過程中消除輸入力大小波動的影響，保持機械手輸出力始終保持穩定，因而可以保證在夾持薄壁、易碎類產品的時候不會造成產品的損壞。例如，使用柔性恒力變胞機械手用于生物工程領域研究中的細胞、植物纖維以及動物卵等薄壁物的夾取，可以實現較高的夾取可靠性;在精密工程領域中可以使用柔性恒力變胞機械手夾持芯片等精密元器件進行過程中轉與終端裝配。

1 柔性恒力變胞機械手設計概述

1.1 柔性恒力變胞機械手運動分析

燈泡是一種典型且常見的薄壁易碎類物品，如下圖1所示為柔性恒力變胞機械手夾持燈泡的三個過程，其中A、B、C、D皆為轉動副，桿件1和2連接處設置了扭簧。

如上圖1（a）所示，滑塊4向上移動時桿件1和2之間的轉動分離力矩小于桿件1與桿件2連接處的扭簧力或者等于0。將桿件1與桿件2看成是一個整體，其中活動構件數n=3，低副數 Pl=4，高副數ph=0，可求得機構自由度F：

圖1所示的結構中只有1個原動件，自由度F也等于1，機構運動方向向上。當構件1接觸需要夾取的產品時，構件1與構件2之間的轉動分離力矩會超過扭簧的閉合力，該機構會出現變胞運動。由桿件1與桿件2都從1個構件變成2個構件，整體構件的數量就從3個變成4個，如上圖1（b）所示。由于桿件1接觸燈泡時不會出現相對運動，因而可以作為固定端，隨著滑塊4的向上移動，桿件2會圍繞轉動副B為中心開始旋轉，如上圖1（c）所示。最終，該柔性變胞機構的活動構件數、低副數以及高副數與自由度均未發生改變，即n=3，低副數pl=4，高副數ph=0，機構自由度，

該機構中仍只有一個原動件，原動件數與機構自由度數相等，機構運動方向為向上。

1.2 柔性變胞恒力機械手結構分析

柔性變胞恒力機械手結構示意圖如下圖2（a）所示，其中桿件4、5、6皆為連架桿，分別當成1個構件來處理，此三個構件相互成120°夾角，通過轉動副實現連接。為了適應多種規格大小的燈泡，設計了螺紋桿結構來調節機械手的開口大小。使用該柔性變胞恒力機械手拆卸燈泡時，操作人員手持機構的手柄，當機械手與燈泡之間的距離較近時，開始向右旋轉螺母，圖2（a）中構件6與燈泡的玻璃罩接觸，繼續旋轉螺母時會導致扭簧閉合力小于構件轉動分離力矩，機構隨即開始變胞，圖中構件5驅動機械手加緊燈泡玻璃罩。由于在一定的條件下可以認為柔性機構在變形過程中儲存和釋放的能量近似相等，可以認為該機械手裝置夾緊燈泡過程中保持恒力。

2 柔性變胞恒力機械手恒力運動分析

如下圖3所示，仍以夾持燈泡玻璃罩為例，將短臂柔性鉸鏈視為轉動副，則自由度F

圖3所示機構自由度數為1，運動方向確定，k1、k2、k3、k4都表示鉸鏈剛度，a、b、 c、d分別表示四個桿件的長度。夾持過程中e，f與燈泡玻璃罩不發生相對轉動，將二者作為整體桿件c處理。

取F輸出/Fmax輸出為目標函數，使用Matlab軟件進行函數優化，當該目標函數的比值等于1時說明機械手函數效果最好。使用Matlab軟件進行優化后的目標函數比例如下表1所示，與之相對應的恒力特性圖。

3 結論

綜上所述，機械手在現代工業中具有極其重要的應用，傳統機械手為了實現相對恒定的輸出力往往需要引入較多的反饋傳感器，不僅增加了成本，還使得系統結構更加復雜，可靠性不高。柔性恒力變胞機械手則可以很好的解決夾持過程中力穩定性的問題，在當前以及未來都有著極其重要的應用市場。

參考文獻：

[1]陳曉東，鄧子龍.基于三桿滑塊變胞機構柔性機械手設計及分析[J].制造業自動化，2020，42（03）：122-125+147.

[2]鮑佳蕾，韓康，鄭承譜，曹宇男，孫愷.基于變胞理論的欠驅動機械手設計[J].機械傳動，2020，44（01）：90-93.