軟體驅動器的設計制作和仿真分析＊

吳越

（安徽工業大學機械工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

隨著工業技術的不斷發展，工業機械有了長足的進步，越來越多的機械裝備不斷投入生產使用，制造工藝、材料性能、控制技術也越來越成熟，越來越先進，我們的生產生活也離不開各式各樣的機器人。但是傳統的機器人通常是由常規的鋼鐵等材料制作，其間通過剛性關節連接，柔性不夠，在安全性和適應性上越來越不能滿足人們的要求。而使用能夠變形的材料而非鋼鐵等制作的一系列新型機器人，其結構更加柔和，動作也更加順暢。

隨著研究的進一步深入，軟體機器人的概念應運而生，依托于變形材料的發展、仿生學的設計、仿真分析技術的驗證等，軟體機器人有了很大的發展。軟體機器人的最大特點就是制作材料的軟性或者彈性，其可以實現任意的變形，結構連接更加柔順，通過一根管道輸入氣流等其他方式，配合結構特征，就可以實現相應的運動。軟體機器人由于其本身的物理特性，能夠適應各種非結構化環境，人機交互更加安全，具有連續變形結構，軟體機器人的柔順型和安全性等讓其有著廣闊的發展應用前景。軟體機器人是一個新的領域，但是它的發展確實非常迅速。軟體機器人涉及材料學、生物工程學、機電控制等諸多學科，是多重學科的綜合體[1-4]。

軟體機器人的常規驅動方式有氣動驅動、繩拉驅動、化學驅動等，其中氣動驅動原理簡單、污染小、效率高、可靠性高，備受研究人員的歡迎。軟體機器人通常為多結構設計，即采用多驅動單元組合陣列，通過控制小單元驅動器的運動，進而控制軟體機器人。故本文由氣動軟體機器人出發，研究單個軟體驅動單元的結構、制作、變形仿真分析等，討論軟體機器人的發展。

1 結構設計

氣動驅動器利用其獨特的形態結構和特殊的材料特性，在受到氣體壓強作用時，結構發生特定的形變，材料主要以各種類型的硅膠為主。為了實現軸向變長的功能，本文氣動驅動器結構如下，由于充氣過程中，徑向和軸向的作用面積的差異，導致驅動器不同部位的形變程度不同，產生外在的變長現象[5]。當保持氣壓時，驅動器保持狀態，當泄壓時，驅動器由于材質特性而恢復原狀。軟體驅動器如圖1 所示，由兩個單側單元軟體結構粘合而成，最大長度為77 mm，最大直徑為36 mm，驅動器采用兩部分分別倒模再粘合的方式制作，單側單元軟體結構如圖2 所示，根據模具制作中空形式的半圓柱形軟體驅動器，利用粘合劑粘合。底部開一進氣孔，接入氣管后封堵住氣管防止漏氣，在運轉過程中，改變氣壓大小氣壓完成相應動作。

圖1 軟體驅動器

圖2 單側單元軟體結構

2 軟體驅動器的制作

氣動軟體驅動器最重要的一環就是材料的選擇，硅膠的材質對結構能否實現預期的工作特性至關重要。目前廣泛使用的材料之一是ECOFLEX 硅膠，其固化快、延展性高，有著極大的變形能力，力學特性優良，但是價格較高。常規的室溫硫化硅橡膠價格較低，固化時不放熱不膨脹，力學特性較好。軟體驅動器往往結構復雜多變，制作方式異于常規零部件，通常使用3D 打印或者倒模，而3D 打印由于通常使用材料是金屬、樹脂等，無法制作復雜硅膠模型，所以本文驅動器采用硅膠倒模的方式制作。硅膠澆筑倒模技術成熟，即通過驅動器模型尺寸設計相應的模具形狀和尺寸，將澆筑倒模原料（硅膠及固化劑等）倒入模具，一定時間后固化脫模，即可得到所需實體[6]。

2.1 混合

根據驅動器實體模型預估所需硅膠的質量，防止因為過多而導致浪費或者過少而導致二次添加產生不良影響。估算質量后，留取一定的合理余量，按照硅膠A 和硅膠B 質量比為1∶1 倒入攪拌容器，用攪拌棒攪拌至混合均勻。在此過程中，硅膠中會混合少量的氣泡，為了使驅動器質地均勻，要盡量減少氣泡的介入，攪拌時攪拌棒應該按照固定的方向攪拌，防止過多氣泡產生進而造成不利影響。

2.2 注模

硅膠混合攪拌完成后，選擇合適的模具作為主模具，如圖3 所示，緩慢勻速地倒入適量的硅膠，不可注滿，此時將腔室形成模具與其配合，如圖4 所示，靜置數小時等待固化，為了實體完全穩定，時間可適當延長。

圖3 主模具

圖4 腔室形成模具

2.3 脫模

拆卸模具過程應緩慢，防止黏連撕裂，先拆腔室形成模具，再取出軟體驅動器。

3 有限元分析

3.1 仿真參數設置

ABAQUS 具有較全面且人性化的三維建模功能，同時具有外部導入三位模型的功能[7-10]。建立硅膠的超彈性材料和布料的屬性，其中硅膠的材料常量依據文獻分別選取C10=0.11，C20=0.02，其他參數均為0。定義材料屬性的截面特征，賦予界面材料屬性。仿真分析設置有縱向彎曲和無縱向彎曲兩組。將底面的位置定義六個自由度下的全約束，內部所有空腔內表面定義壓強載荷，確定壓強范圍。本文采用四面體網格劃分，定義四面體網格類型。定義網格大小，根據尺寸大小，采用2 mm 的網格大小對網格進行劃分，最終形成40 597 個四面體網格。

3.2 計算結果

圖5、圖6 分別表示有縱向彎曲和無縱向彎曲時，軟體驅動器內部充氣不同氣壓值下的變形情況。從結果來看，內部壓強不斷增大后，氣囊膨脹持續增大，向底部彎曲變化愈發厲害，彎曲角度隨之變大。

圖5 有縱向彎曲時的軟體驅動器充氣變形

圖6 無縱向彎曲時的軟體驅動器充氣變形

4 結語

通過對硅膠結構的設計以及有限元分析，得到了軟體驅動器在不同氣壓下的變形。和剛性機器人相比，軟體材料的由于其獨特的材料特性，使得軟體驅動器的安全性得到了很大的提升，并且軟體驅動器結構簡單，通過簡單的氣壓差就可以實現復雜靈活運動，未來軟體驅動器有著廣闊的發展前景。