氣動柔性手腕結構設計與實驗研究

梁 正，武廣斌，王 佩，李名哲，孫 宇

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

人類手腕是典型的橢圓關節，可以繞兩個軸運動，可作屈、伸、外展、內收及環轉運動.人類手腕作為靈活的轉動關節，在手抓取物體過程中起著非常重要的作用，手腕轉動調節位姿，聯動人手完成穩定抓取，且能保持抓取動作姿態[1-4].機械手臂是各類服務機器人的關鍵執行部件，腕關節對于確定機械臂末端執行器的位姿及接觸狀態具有重要作用，其性能直接決定了整個機械臂的性能優劣[5-6].為提高柔性手腕運動柔順性、控制精度以及環境適應性，各國學者經過潛心研究，已研制出以電機驅動、人工肌肉驅動、液壓驅動及記憶合金驅動等多種驅動方式驅動剛性本體的機器人手腕[7-9].

本文氣動柔性手腕結構上采用氣動驅動器與球形制動器并聯的方式，實現了手腕末端的俯仰、橫擺運動，且有剛性骨架提升了本體的剛度和抗扭性能.手腕關節本體與驅動單元復合為一體，具有結構緊湊、安全清潔等優點，同時能夠實現關節驅動與制動聯動協調，具有剛柔結合等特點.

1 氣動柔性手腕結構與功能

1.1 氣動柔性手腕整體結構與功能

氣動柔性手腕本體呈柱狀，整體結構高度對稱，如圖1所示，整體剛性支撐結構由上下端蓋、耳板、套筒、制動球、摩擦片組成，為手腕提供了良好的剛度和抗扭能力.手腕驅動機構由沿分布圓安裝的4個伸長型柔性驅動器組成，制動機構由2個制動器氣囊、1對摩擦片和制動球組成，制動器氣囊放置在套筒內.上、下端蓋均有其定位作用的安裝槽及用于固定連接的通孔，耳板和套筒安裝于槽內與端蓋通過螺釘連接.各驅動器以端蓋中心為圓心，分布圓直徑為90 mm，制動球置于手腕軸線上，球心距上下端蓋60 mm，驅動器原長105 mm，其安裝在上下端蓋需預拉伸15 mm，驅動器端蓋有螺旋環形槽，與約束彈簧兩端旋緊配合.驅動器工作氣壓為0～0.37 MPa，制動器工作氣壓為0～0.4 MPa.

圖1 手腕整體結構

1.2 手腕驅動器與制動器氣囊結構與基本參數

圖2為驅動器，外部有約束彈簧，內部嵌套氣動人工肌肉，人工肌肉為腔體硅膠管，一端密封，另一端連接進氣接口，通入壓縮氣體后可伸長.圖3為制動器氣囊，采用內徑為20 mm、壁厚為2 mm、有效長度為25 mm的硅氟硅膠管.將上、下堵頭與膠管兩端連接形成密閉空腔；上、下堵頭各有不同大小螺紋孔，上堵頭與進氣接口連接，通過螺紋連接分別與端蓋和制動片固定連接，驅動器與制動器結構參數如表1所示.

圖2 氣動柔性驅動器

圖3 制動器氣囊實物

表1 驅動器與制動器結構參數

2 氣動柔性手腕實驗研究

2.1 手腕轉角實驗分析

實驗原理圖如圖4所示.

圖4 手腕端蓋轉角實驗原理圖

將手腕上端蓋和陀螺儀連接在一起，然后固定在實驗臺上，陀螺儀與單片機和計算機相連，如圖5所示.利用精密減壓閥調節驅動器內氣壓值(0～0.34 MPa)，記錄間隔0.02 MPa的氣壓數值，并通過氣壓傳感器檢測通入的壓縮氣體，保證氣壓值的準確性.

圖5 手腕端蓋轉角實驗裝置

在不同實驗條件下進行實驗，各個實驗進行3組平行實驗，通入一側驅動器壓縮氣體，驅動器變形彎曲，上端蓋向未通入氣體一側轉動，如圖6所示，單片機將陀螺儀采集到的數據傳輸到計算機上，利用MATLAB軟件對數據進行處理，取各組實驗數值平均值得出上端蓋轉角-氣壓變化曲線，如圖7所示.

圖6 0.34 MPa時手腕轉動狀態

同側兩驅動器氣壓值/MPa圖7 端蓋轉角-氣壓實驗曲線

從圖7可以看出，隨著向同側驅動器通入的壓縮氣體氣壓值增大，上端蓋轉角非線性增加.當氣壓值達到0.34 MPa時，手腕端蓋轉角可達41°.

2.2 手腕制動理論與實驗分析

制動器受力模型如圖8所示，向制動器氣囊通入壓縮氣體，氣囊膨脹變形產生軸向驅動力Fd，進而推動摩擦片施加于制動球Fp，摩擦片與制動球無間隙.

圖8 制動器受力分析

由受力分析可得：Fp=Fd，

(1)

式中，Fp為軸向推力；Fd為軸向驅動力.

Fd=P·S，

(2)

式中，為制動器變形不均勻系數，與硅膠管氣囊和端蓋套筒接觸狀態有關；P=P0-Patm為壓力差；P0為硅膠管內部氣壓；Patm為硅膠管外部大氣壓.

在工作狀態下，制動器軸向伸長，內部硅膠管變形過程中，硅膠管外壁與套筒內徑有一定間隙，實際設計套筒內徑為25 mm.通入硅膠管氣囊壓縮氣體，內徑變大，硅膠管厚度變薄，膠管外壁受套筒限制，其外徑尺寸與套筒內徑近似相同，彈性體變形前后體積不變，其橫截面積將發生變化.因此，驅動器軸向變形有一定幾何非線性.

(3)

(4)

則可知上、下制動器共同工作時，摩擦力Ff為：

Ff=2μ·Fd，

(5)

式中，μ為摩擦片與制動球的摩擦系數.

Mf=R·Ff，

(6)

式中，Mf為制動器提供的制動力矩；R為制動球半徑.

將式(4)、(5)代入式(6)，

(7)

測量制動器氣囊在氣壓值0～0.4 MPa范圍內的軸向驅動力.實驗過程中使用的實驗設備由氣源、精密減壓閥、數顯式推拉力計、固定座、XY工作臺和氣壓傳感器等組成.實驗方法是將制動器一端與固定座連接，固定座套筒內徑為25 mm，與制動器套筒內徑一致，固定座安裝在XY工作臺上，將測力計固定在XY工作臺上，實驗過程中制動器始終處于原長狀態，調節滑臺使測力計頂端與制動器上端蓋接觸，逐步提高氣壓值，測量過程均采取面接觸測量.實驗原理圖如圖9所示，根據實驗原理搭建實驗系統裝置，見圖10.

圖9 制動器驅動力-氣壓實驗原理

圖10 制動器驅動力-氣壓實驗裝置

將在不同氣壓值下(0～0.4 MPa)的實驗數據進行處理，氣壓間隔0.02 MPa遞增，可得到制動器軸向驅動力的變化曲線，如圖11所示.

由圖11可知，制動器的軸向力隨氣壓值的增加而逐漸增大，且呈現出線性變化.當氣壓值達到0.4 MPa時，制動器軸向驅動力Fd為107 N.制動器在不同氣壓下的制動力矩實驗數據進行擬合，可以得到制動力矩經驗公式(擬合誤差0.025 N·m)：

Mf=2.05P-0.05 .

(8)

氣壓值/MPa圖11 制動器驅動力-氣壓曲線圖

圖12為制動器制動力矩實驗-氣壓實驗與理論曲線，從圖中可以看出，制動器制動力矩隨氣壓增加而增大，趨勢呈正相關.理論曲線與實驗數據趨勢吻合，具有較好一致性，說明理論模型能較好地描述制動器制動力矩特性.實驗進行初期，通入氣體未完全充滿氣囊，氣囊存在自身變形阻力，造成制動器驅動力增長速率較慢.

氣壓值/MPa圖12 制動器制動力矩-氣壓實驗與理論曲線

3 結 論

(1)基于伸長型柔性驅動器，設計了一種剛性較好的氣動柔性手腕，并制作了樣機.

(2)利用陀螺儀進行了手腕端蓋轉角實驗，處理數據得到了端蓋轉角-氣壓實驗曲線，當同側兩驅動器腔內氣壓值為0.34 MPa時，手腕端蓋轉角為41°.

(3)建立了柔性手腕制動器理論模型，通過實驗驗證了制動器理論模型的正確性.當制動器氣囊腔內氣壓值為0.4 MPa，軸向推力可達107 N，得到了制動力矩經驗公式Mf=2.05P-0.05.