一種通用型負壓軟體機械手的設計與分析

張 波，曹淼龍，楊元健，CHIWAWA T A

(浙江科技學院 機械與能源工程學院，浙江 杭州 310023)

引言

傳統意義上的機器人多由剛性材料制成，雖然工作速度快、效率高，但是運動靈活性有限，與環境相互作用的能力較差，安全性較低[1]。軟體機器人的靈感來源于自然界中柔軟的生物，如壁虎[2]、章魚[3-4]、蚯蚓[5]、青蛙等[6]，不僅能靈活改變自身形狀，實現各種動作，而且能承受和吸收較大的能量沖擊。軟體機器人通常由柔性材料制成，具有柔順性好、環境適應性強、安全性高等優點，在非結構化環境中具有廣闊的應用前景[7]。

作為機器人的末端執行器，軟體機械手的設計一直備受關注。軟體機械手主要有兩類：一類是夾持部分由柔性材料制成，并由外部驅動器驅動；另一類是夾持部分就是驅動器本身。氣驅動由于響應時間短、輸出力大而被廣泛應用于驅動軟體驅動器[8]。氣驅動有正壓驅動和負壓驅動兩種形式。正壓驅動多用于多腔室型[9-10]和纖維增強型[11]軟體驅動器，通過充氣增壓產生不同程度的彎曲、扭轉。負壓驅動多是利用顆粒塑形或吸盤產生內外壓力差抓取物體，如BROWN E等[12-13]利用“顆粒堵塞”原理研發的軟體抓手通過抽氣的方式調節氣壓，可一次性穩定抓取一個或多個不規則物體；陳幸等[14-16]設計制作了一種負壓吸盤，能夠包裹并貼合在物體表面，通過抽氣使腔室軟壁的表面產生吸力抓取物體；受吸盤和繩牽引的啟發，WU Peichen等[17-18]設計了一種負壓驅動與線驅動相結合的吸附式夾持器，通過控制負壓大小和拉線行程夾持吸附物體。

目前所設計的負壓軟體機械手多數只具備夾持或吸附抓取功能，對不同形狀和紋理的物體難以實現通用，如圖1所示。

圖1 負壓軟體夾持器

結合現有軟體機械手的設計，基于3D打印技術設計并制作了一種通用型負壓驅動的軟體機械手。該軟體機械手有兩個獨特的設計：一是手指和吸盤能夠獨立或組合工作，以適應不同形狀和紋理的物體；二是雙腔室軟體驅動器，提供驅動力并削減收縮不均勻性。通過對不同影響因素下的軟體驅動器進行仿真分析，優選出合適的結構參數；對驅動器的收縮和驅動性能以及機械手的指尖力學性能進行測試分析，并對該機械手進行實物抓取試驗。

1 軟體機械手結構設計

水母通過收縮外殼改變內腔體積，以噴水推進的方式進行移動。為模仿上述收縮擴張運動機理，利用柔性材料設計了一種嵌套式雙腔室軟體驅動器并同其他組件拼裝成軟體機械手，如圖2所示。各組件均采用低成本的3D打印機制作，打印材料為熱塑性彈性體(TPE-83A)和聚丙交酯(PLA)。TPE材料柔順性好，用于制作軟體驅動器、吸盤以及柔性墊片；PLA材料硬度和強度高，用于打印固定支撐結構、連桿以及手指支撐結構。

圖2 軟體機械手結構示意圖

軟體驅動器是由2個波紋管結構嵌套組成，具有2個獨立腔室。當驅動器在自然狀態下抽氣后，驅動器整體產生收縮變形；當驅動器通氣后，驅動器能夠利用彈性恢復到原始狀態。軟體驅動器分為三部分，頂部包含固定和進氣口兩部分，中間為收縮變形部分，底部為吸盤連接部分，結構剖面示意圖如圖3所示，尺寸參數如表1所示。外部驅動器為軟體機械手提供主要的收縮動力。內部驅動器一是削減收縮不均勻性；二是連通吸盤，提供吸附力。當外部驅動器單獨工作時，適用于抓取表面粗糙的物體；當內外驅動器同時工作時，吸盤吸附住物料光滑表面的同時借助手指支撐物體，承載更大的重量。

圖3 軟體驅動器結構剖面示意圖

表1 軟體驅動器結構參數表 mm

2 軟體驅動器仿真分析

2.1 TPE材料

軟體機械手實現抓取的基礎是驅動器能夠產生定向的大變形，故選材需擁有良好的彈性性能。TPE材料斷裂伸長率可達420%，可以很好的滿足彈性要求，常作為汽車、航空航天、液壓等領域的防震和密封材料。

類橡膠材料在使用有限元方法進行力學分析時，在受力過程中具有材料和幾何非線性特性及各向同性、不可壓縮的超彈性特征，因此需要建立材料本構模型[19]。針對于TPE材料在實際工程應用中，本研究采用Mooney-rivlin兩參數模型進行求解[20]，本次仿真所設定的模型參數為C10=0.677，C01=1.621，密度ρ=1.14 g/cm3。

2.2 軟體驅動器仿真分析

軟體驅動器的收縮性能主要受波紋管結構的數量n、壁厚t和內外驅動器直徑尺寸D1，D2的影響。為研究不同因素對驅動器性能的影響，將驅動器模型導入ABAQUS中，使用Mooney-rivlin本構模型來表征材料的特性，網格劃分采用十節點二次四面體雜交單元類型(C3D10H)。

為充分利用軟體機械手的抓取范圍，所設計的軟體驅動器在保證允許氣壓范圍內不發生橫向變形條件下，還應具備良好的收縮性和足夠的末端驅動力。下面分別對不同結構參數的軟體驅動器進行仿真分析，以優選驅動器合適的結構參數。

1)波紋管結構數量對收縮量影響

為了解波紋管結構的數量對軟體驅動器收縮性能的影響，在其他條件不變的情況下，僅改變波紋數量進行仿真分析。圖4為3種驅動器在-0.02 MPa氣壓時的收縮量仿真云圖，圖5為3種軟體驅動器-0.05～0 MPa氣壓下收縮量l變化曲線。

圖4 -0.02 MPa時各驅動器收縮量仿真云圖

圖5 不同波紋數量下收縮量與氣壓關系曲線

通過圖4分析得出，4結構驅動器受結構剛度影響，收縮時容易發生不規則變形；8結構驅動器在-0.02 MPa時達到最大收縮量30.71 mm。從圖5整體收縮量與氣壓關系曲線來看，4結構驅動器收縮量較小，最大值僅有15.68 mm，且收縮趨勢逐漸平緩；6和8結構驅動器都具有良好的收縮性，區別在于6結構驅動器最大收縮量為35.44 mm，相比于8結構驅動器收縮量略大。相同設計高度下，波紋數量過少會導致縱向剛度變大，氣壓越大收縮性能越差；數量過多會導致每一個波紋管內部收縮空間減小，影響收縮量。

2)壁厚對收縮量的影響

為了解不同壁厚對軟體驅動器收縮性能的影響，選擇波紋數量為6，壁厚分別為0.8，1.2，1.6 mm的驅動器進行仿真分析。為模擬實際抓取過程中驅動器的受力情況，將底部固定，分析比較相同負壓下各驅動器的形變。圖6為-0.05 MPa氣壓時各驅動器的形變云圖，圖7為-0.05～0 MPa氣壓范圍內驅動器收縮量的變化曲線。

圖6 -0.05 MPa時各驅動器仿真形變云圖

圖7 不同壁厚下收縮量與氣壓關系曲線

由圖6可知，在有負載的情況下，腔內氣壓-0.05 MPa 時壁厚為0.8 mm的驅動器橫向變形過大，表面向內凹陷，說明驅動器的末端驅動力過小，不足以提供較大的支撐力。由圖7可知，在-0.05～0 MPa 氣壓范圍內，壁厚為1.2 mm和1.6 mm的驅動器均未發生明顯形變，說明在允許的氣壓范圍內二者均符合條件。但由于壁厚過大，1.6 mm驅動器的收縮性能受限，-0.05 MPa時收縮量僅為24.65 mm。

3)內外驅動器直徑尺寸對收縮量的影響

為了解內外驅動器直徑D1，D2對驅動器收縮量的影響(內外驅動器直徑越大，波紋深度越小)，在波紋數量為6、壁厚為1.2 mm情況下，分別對直徑為A(D1=22 mm，D2=52 mm)，B(D1=18 mm，D2=48 mm)和C(D1=14 mm，D2=44 mm)的驅動器進行仿真分析。圖8為-0.02 MPa氣壓時各驅動器收縮量云圖，圖9為-0.05～0 MPa氣壓范圍內驅動器收縮量的變化曲線。

圖8 -0.02 MPa時各驅動器收縮量仿真云圖

圖9 不同驅動器直徑下收縮量與氣壓關系曲線

由圖8得出，施加相同負壓，A驅動器收縮量較小，說明內外驅動器直徑尺寸對收縮量有較大影響。隨著直徑尺寸減小，驅動器的收縮量增加，即內外驅動器直徑尺寸與收縮量成反比。由圖9可知，當內外驅動器直徑減小到一定值后，驅動器收縮量達到最大(B與C驅動器均達到最大收縮量)。

綜合上述，對不同影響因素下的軟體驅動器仿真分析可知，軟體驅動器的最優結構參數范圍：4

3 軟體機械手試驗研究

3.1 軟體機械手制作

根據有限元仿真優選的結構參數，利用3D打印機將各組件打印成型并組裝起來，完成整體軟體機械手的制作，如圖10所示。

圖10 制作過程和組裝后的軟體機械手

3.2 軟體機械手性能測試試驗

本次試驗所使用的控制系統為基于dSPACE RT1104的PWM閉環直流調速系統，通過輸出的PWM脈動信號控制氣泵電機轉速來調節軟體驅動器內部氣壓大小。試驗所用的主要儀器有：微型雙用氣泵(-0.08～0.12 MPa)、壓力表(-0.1～0.15 MPa)、薄膜壓力傳感器(0～19.6 N)、電子測力計(0～30 N)、拉線位移傳感器(0～600 mm)以及節流閥，整體試驗臺架如圖11所示。試驗主要對軟體機械手的性能進行了研究。

圖11 試驗臺架

1)軟體驅動器收縮量測試試驗

為驗證軟體驅動器仿真結果，對軟體驅動器的收縮性能進行測試，記錄每增加-0.005 MPa時的收縮量。將仿真結果和試驗結果繪制成曲線比較分析，如圖12所示。

圖12 驅動器仿真與實際測試收縮量對比曲線

通過試驗測試可知，在-0.05 MPa氣壓下該驅動器的最大收縮量為36.72 mm，就仿真結果相比，誤差僅為1.28 mm，且整體收縮趨勢相同，可驗證仿真結果的準確性。

2)驅動器末端驅動力和指尖力測試試驗

為測試所設計軟體機械手的力學性能，將薄膜壓力傳感器分別貼在各個指尖，并使指尖接觸到物體表面；用不可變形細線將驅動器底部與電子測力計相連，并使細線處于張緊狀態。緩慢增大氣壓至-0.05 MPa，記錄每增加-0.005 MPa時各指尖力和末端驅動力大小，繪制成曲線如圖13所示。

圖13 驅動器末端驅動力F1及指尖力F2與氣壓的關系曲線

經過試驗測試，在-0.05 MPa下，最大指尖力為4.86 N，驅動器最大末端驅動力為22.53 N。從指尖力曲線中可以看出，整體趨勢都是隨著負壓絕對值增大而增大的，由于該軟體機械手各組件均由低成本的3D打印機制作，結構精度有限，故各指尖力有一定誤差。末端驅動力較大，說明吸盤可以吸附起的物體質量較大。從整體曲線圖中可以看出，末端驅動力越大則指尖力越大，驅動器末端驅動力與指尖力成正比關系。

3.3 軟體機械手實物抓取試驗

為測試軟體機械手的抓取性能，選擇不同大小和形狀的物體進行抓取試驗，抓取結果如圖14所示。抓取結果顯示，外部驅動器獨立驅動時，該機械手適用于抓取不同形狀、表面粗糙的物體；內部驅動器獨立驅動時，可吸附并提起表面光滑、質量更大的物體；當二者結合共同工作時，可用于抓取0～300 g范圍內不同大小、形狀和紋理的物體。

圖14 抓取試驗

4 結論

(1)本研究通過模仿水母的運動機理，提出并設計了一種基于3D打印技術的多功能負壓軟體機械手。所設計的軟體機械手通過手指和吸盤實現抓取，二者可獨立或組合操作。對軟體驅動器的結構及特性進行仿真分析和實驗研究，并對軟體機械手進行性能測試分析及實物抓取試驗；

(2)影響軟體驅動器性能的主要因素為波紋管結構數量n、壁厚t和內外驅動器直徑D1，D2，通過對不同影響因素下的驅動器進行仿真分析可知，波紋數量、壁厚和內外驅動器直徑對軟體驅動器的收縮性能影響較大，最優結構參數范圍為4

(3)后續研究中將使用機械臂操控，并在抓取試驗中增加一臺高清攝像機，對被抓取的物體進行分析，實現一種機器學習算法來識別空間中的不同物體，并根據它們的位置、大小和形狀來進行選擇，該算法還將指定最適合的抓取方式，以便單獨或同時使用手指和吸盤來抓取和處理對象。