模塊化氣動扭轉(zhuǎn)軟體抓手的仿真與實驗

張遠飛，劉 勝，霍前俊，徐青瑜

（上海工程技術(shù)大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引言

傳統(tǒng)的末端執(zhí)行器多為剛性結(jié)構(gòu)，通過多點接觸產(chǎn)生的摩擦力實現(xiàn)夾持，雖然這些剛性結(jié)構(gòu)具有較高的精度，但是卻難以抓取易碎、形狀不規(guī)則的物體。為了實現(xiàn)更加理想的抓取，很多學者通過仿生的方法研究了自然界中的大象[1]、章魚[2,3]、蛇[4]等生物，提出了軟體抓手的概念。

軟體驅(qū)動器是軟體抓手的核心部件，主要依靠軟體驅(qū)動器來實現(xiàn)抓取、夾持動作。軟體驅(qū)動器一般由低彈性模量的材料通過3D打印或3D打印模具澆注而成[5,6]。目前常用的軟體驅(qū)動器材料有：形狀記憶合金、水凝膠、硅膠材料和復合材料等[7,8]。由彈性材料構(gòu)成的軟體驅(qū)動器常采用氣體驅(qū)動[9]，目前常用的氣動軟體驅(qū)動器有多腔型和纖維增強型兩種[10,11]。其中多腔型軟體驅(qū)動器通過改變腔室結(jié)構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等復雜運動，并且結(jié)構(gòu)簡單、制造方便[12]，因此多腔型氣動軟體驅(qū)動器被國內(nèi)外學者廣泛研究應用。例如，ILIEVSKI等[13]研發(fā)了一種自適應性很強的氣動多腔型軟體海星夾持器，能夠有效包絡和夾持物體，但該抓手與物體的接觸力較小，抓取物體時的穩(wěn)定性不夠。Manti M[14]等設計了一種具有良好適應性且能夠?qū)崿F(xiàn)無損抓取的軟體機械手。HAO Yufei等[15]研發(fā)并制作了一種氣動多腔型軟體抓手，通過實驗測試了其抓取性能。魏樹軍[16]等設計并制作了一種纖維增強型的三指軟體抓手，并進行了抓取直徑、重量等性能測試。曹毅[17]等模仿蛇的螺旋纏繞運形態(tài)設計了一種纖維增強型纏繞軟體抓手，能夠有效提高抓手的夾持力。

目前，研究彎曲多腔型軟體驅(qū)動器的比較多，研究扭轉(zhuǎn)多腔型軟體驅(qū)動器的比較少。并且采用多腔型氣動軟體驅(qū)動器制作的軟體抓手很少有能夠有效地抓取棒狀等較長物體的，其末端與物體的接觸力較小，對物體的抓取穩(wěn)定性不夠。基于此，本文設計并且制作了一種模塊化的扭轉(zhuǎn)軟體抓手，該抓手能夠根據(jù)所要抓取物體的長度來調(diào)整模塊數(shù)，以增加抓手與物體之間的接觸點，使接觸力平均分布，增加對較長棒狀物體的抓取力。通過ABAQUS有限元分析軟件對不同腔室角度進行分析，選擇合適的軟體驅(qū)動器腔室角度，并進行軟體抓手扭轉(zhuǎn)角度和末端接觸力的分析。通過樣機抓取實驗驗證所設計的軟體抓手對棒狀等較長物體具有良好的抓取效果。

1 軟體驅(qū)動器設計

1.1 軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設計

目前，多腔型氣動軟體驅(qū)動器以哈弗大學的PneuNet結(jié)構(gòu)為代表，該結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生彎曲變形效果[18]。基于PneuNet結(jié)構(gòu)，通過改變腔室角度來實現(xiàn)氣動軟體驅(qū)動器的扭轉(zhuǎn)效果。圖1是腔室角度分別為45°、60°、75°的軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)。

圖1 不同腔室角度的軟體驅(qū)動器

通過ABAQUS有限元分析軟件分別對腔室角度為45°、60°、75°的軟體驅(qū)動器進行分析。如圖2所示分別是腔室角度為45°、60°、75°的軟體驅(qū)動器的ABAQUS有限元分析位移云圖，圖3為在0.02MPa大氣壓強作用下腔室角度為45°、60°、75°的軟體驅(qū)動器繞x軸的扭轉(zhuǎn)角度隨時間的變化。

圖2 不同腔室角度軟體驅(qū)動器的有限元分析云圖

圖3 軟體驅(qū)動器繞X扭轉(zhuǎn)曲線圖

結(jié)合圖2和圖3可以知道腔室角度為60°的軟體驅(qū)動器的扭轉(zhuǎn)角度更大，響應速度更快。因此下文主要對腔室角度為60°的軟體驅(qū)動器進行研究。

1.2 軟體驅(qū)動器參數(shù)的選取

通過ABAQUS有限元分析后選用腔室角度為60°的軟體驅(qū)動器。如圖4所示為腔室角度θ=60°的軟體驅(qū)動器的外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖4 60°的軟體驅(qū)動器尺寸

軟體驅(qū)動器在整體上可以分為三個部分，底部是橡膠實體層，底層橡膠材料較厚，可有效限制底層沿長度L方向的伸長和沿寬度S方向的膨脹。上部為氣囊層，單個氣囊與長度方向銳角夾角為θ，能夠?qū)崿F(xiàn)扭轉(zhuǎn)動作。橡膠實體層和氣囊層中間為矩形氣體通道，表1為單個軟體驅(qū)動器的尺寸參數(shù)。

表1 軟體驅(qū)動器的尺寸參數(shù)

2 軟體驅(qū)動器的有限元分析

2.1 硅膠材料超彈性本構(gòu)模型

硅膠是一種不可壓縮的超彈性材料，一般采用Neo-Hookean、Mooney-Rivlin和Yeoh三種應變能密度函數(shù)來搭建應變和應力之間的非線性模型。其中，Mooney-Rivlin模型能夠模擬大部分橡膠材料的力學特性，適用于中小變形的分析，Yeoh模型適用于較大變形的分析[19，20]。硅膠的變形屬于較大程度的變形，因此，采用Yeoh模型來構(gòu)建硅膠材料的應變和應力之間的非線性關(guān)系。其應變能密度函數(shù)模型如式(1)所示：

其中，J是硅膠材料變形前和變形后的體積比，對于不可壓縮的硅膠材料J=1，材料常數(shù)dk由材料試驗確定。N為Yeoh模型應變能密度函數(shù)的階數(shù)，常用的Yeoh模型的階數(shù)為兩階，其二項式參數(shù)形式如式(2)所示：

其中，I1為應變張量不變量，材料選用硬度shore A為35±5的硅膠，材料參數(shù)C10=0.11，C20=0.01。

2.2 單個軟體驅(qū)動器模塊的性能分析

1）單個模塊的力學性能分析

將單個模塊的一端施加完全固定約束，以0.005MPa為梯度通入氣體，通過ABAQUS進行有限元分析，得到腔室角度為60°的單個軟體驅(qū)動器模塊的壓強-最大輸出力曲線，如圖5所示。

圖5 壓強與輸出力曲線圖

通過圖5可以看出單個軟體驅(qū)動器的輸出壓力與輸入壓強近似成正比，當輸入氣壓達到0.05MPa時，單個軟體驅(qū)動器的最大壓力能夠達到3.5N。

2）單個模塊的扭轉(zhuǎn)性能分析

將單個軟體驅(qū)動器模塊的一端施加完全固定約束，以0.005MPa為梯度通入氣體，通過ABAQUS進行有限元分析，得到腔室角度為60°的單個軟體驅(qū)動器模塊繞x軸的壓強-扭轉(zhuǎn)角度曲線，如圖6所示。

圖6 壓強與扭轉(zhuǎn)角度曲線圖

如圖6所示，通入的大氣壓強與單個模塊軟體驅(qū)動器繞x軸扭轉(zhuǎn)角度近似成正比，當壓強為0.05MPa時軟體驅(qū)動器繞x軸扭轉(zhuǎn)角度約等于4rad。

2.3 雙模塊軟體抓手的性能分析

單個模塊軟體抓手與棒狀被抓物體之間的接觸點較少，對于較長棒狀物體的抓取宜采用多模塊軟體抓手，有利于提高對于棒狀物體抓取的穩(wěn)定性。如圖7所示為由兩個相同軟體驅(qū)動器連接而成的雙模塊軟體抓手的示意圖。

圖7 雙模塊軟體抓手示意圖

1）雙模塊軟體抓手的扭轉(zhuǎn)性能分析

將雙模塊軟體抓手的一端施加完全固定約束，以0.005MPa為梯度通入氣體，通過ABAQUS有限元分析軟件進行分析，得到雙模塊軟體抓手繞x軸扭轉(zhuǎn)角度與壓強之間的關(guān)系，如圖8的曲線所示。

圖8 雙模塊軟體抓手壓強與扭轉(zhuǎn)角度曲線圖

圖8為雙模塊軟體抓手在大氣壓強作用下繞x軸的扭轉(zhuǎn)角度，在0.025MPa大氣壓后扭轉(zhuǎn)角度增勢加快，在0.04MPa大氣壓作用下雙模塊軟體抓手繞x軸的扭轉(zhuǎn)角度能夠達到接近360°，在0.05MPa大氣壓作用下能夠扭轉(zhuǎn)一周多，能夠很好的實現(xiàn)增大接觸面積的目的，有利于穩(wěn)定抓取。

2）雙模塊軟體抓手的力學性能分析

將雙模塊軟體抓手的一端施加完全固定約束，以0.005MPa為梯度通入氣體，通過ABAQUS有限元分析軟件進行分析，得到雙模塊軟體抓手上參考點處與壓強之間的關(guān)系，如圖9所示。

如圖9所示，雙模塊軟體抓手在大氣壓強為0～0.035MPa時大氣壓強與參考點處輸出力近似成正比，在0.035MPa后雙模塊軟體抓手參考點處的輸出力隨所通入的大氣壓強的增大增幅變大，在0.05MPa大氣壓作用下雙模塊軟體驅(qū)動器上的參考點處的輸出力能夠達到3.5N。

3 軟體驅(qū)動器的制作

氣動軟體驅(qū)動器的制作采取模具澆注成型的方式，如圖10為氣動軟體驅(qū)動器的制取流程。

圖10 氣動軟體驅(qū)動器的制取流程圖

3.1 模具設計與制作

通過Creo2.0三維繪圖軟件繪制軟體驅(qū)動器的三維模型。整個軟體驅(qū)動器模型分為兩個部分，上半部分為腔室部分，下半部分為底板部分。針對上述兩部分分別設計模具，模具三維模型如圖11所示。

圖11 軟體驅(qū)動器模具模型

將繪制好的三維模型保存為.STL格式并導入3D打印機中進行打印成型，如圖12所示。

圖12 3D打印模具實體

3.2 軟體驅(qū)動器成型

將硬度Shore A為35±5的半透明硅膠液體與固化劑按照100：2.5±1的比例混合。為了減少氣泡，可以適當減小固化劑的比例，增加固化時間，并且沿著一個方向攪拌混合后的硅膠液體。先在模具上涂刷薄薄一層硅膠，等氣泡消失后再將模具灌滿，然后將模具的兩部分閉合，靜止3小時后將成型的部分軟體驅(qū)動器取出來。最后將成型的軟體驅(qū)動器的上下兩部分通過硅膠粘連接在一起來完成軟體驅(qū)動器的制作。將單個模塊末端用硅膠專用膠粘在一起構(gòu)成雙模塊軟體抓手，如圖13所示為雙模塊軟體抓手。

圖13 硅膠模型實體

4 軟體驅(qū)動器樣機的性能試驗

4.1 試驗平臺的搭建

圖15為搭建的實驗平臺，主要由計算機、電源、氣泵、調(diào)壓閥、軟體驅(qū)動器、PU軟管、PU氣管三通、直通接頭、測力計和角度測量尺等組成。

圖15 試驗平臺

其中計算機用于處理輸出測力計所測得的數(shù)據(jù)，調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)控制輸入壓力，PU氣管接頭用于將氣泵輸出氣體分流到多個軟體驅(qū)動器，角度測量尺用于測量軟體抓手的扭轉(zhuǎn)角度。

4.2 扭轉(zhuǎn)試驗

1）單模塊軟體抓手扭轉(zhuǎn)角度試驗

以0.005MPa梯度通入大氣壓，待單模塊軟體抓手的扭轉(zhuǎn)角度穩(wěn)定后用角度測量尺測量其扭轉(zhuǎn)角度。如圖16為其在不同大氣壓作用下的扭轉(zhuǎn)角度變化。

圖16 單模塊扭轉(zhuǎn)角度

將實驗采集的扭轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)與ABAQUS有限元分析所得到的扭轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)擬合得到如圖17所示擬合曲線圖。

圖17 單模塊扭轉(zhuǎn)角度擬合曲線

如圖17所示，單個模塊的軟體抓手的扭轉(zhuǎn)實驗結(jié)果與ABAQUS仿真結(jié)果基本一致，驗證了有限元模型的正確性。

2）雙模塊軟體抓手扭轉(zhuǎn)角度試驗

以0.005MPa梯度通入大氣壓，待雙模塊軟體抓手的扭轉(zhuǎn)角度穩(wěn)定后用角度測量尺測量扭轉(zhuǎn)角度。如圖18為其在不同大氣壓作用下的扭轉(zhuǎn)角度變化。圖19為雙模塊軟體抓手扭轉(zhuǎn)的仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)擬合曲線。

圖19 雙模塊扭轉(zhuǎn)角度擬合曲線

如圖19所示，在氣壓小于0.025Mpa時，固定端模塊的扭轉(zhuǎn)程度由于一端固定的原因明顯小于末端模塊。且雙模塊軟體抓手在0.03Mpa時扭轉(zhuǎn)角度已經(jīng)接近360°，能夠很好地包裹被抓物體。

4.3 接觸力試驗

軟體抓手接觸力試驗

將軟體抓手的一端固定，以0.005MPa為梯度通入大氣壓，使用蘇測SH-100型測力計分別測量不同大氣壓作用下單模塊與上模塊軟體抓手末端的壓力大小。如圖20、圖21為軟體抓手末端壓力實驗與有限元仿真據(jù)的擬合曲線。

圖20 抓手末端接觸力擬合曲線

4.4 實物抓取試驗

抓取直徑和抓取重量試驗

最大氣壓設置為0.05Mpa，在最大氣壓下測試抓手能夠抓取的最小直徑棒狀物體。最小氣壓設置為0.02Mpa，在最小氣壓下測試能夠抓取的最大直徑。如圖21所示為單模塊和雙模模塊抓手能夠抓取的最小直徑和最大直徑。

圖21 抓取直徑實驗

取圓周率為3.14，如圖21單模塊軟體抓手能夠抓取的最小直徑為dmin=1.31cm，最大直徑為max=3.28cm，雙模塊抓手能夠抓取的最小直徑為Dmin=1.02cm，最大直徑為Dmax=6.27cm。

保持最大氣壓0.05MPa，通過電子秤稱量重量向抓手逐漸增加重量，從而測試抓手能夠抓取的最大重量。圖22為單模塊和雙模塊能夠抓取的最大重量，分別為0.3475kg、1.013kg。雙模塊軟體抓手的抓取重量顯著增加。

圖22 抓取重量

5 結(jié)語

1）通過ABAQUS有限元分析研究軟體驅(qū)動器腔室角度對于扭轉(zhuǎn)性能的影響，確定了扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器的較優(yōu)結(jié)構(gòu)，基于此設計了腔室角度為60°的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器；

2）通過模塊化的組合得到雙模塊軟體抓手，并進行單模塊和雙模塊軟體抓手的扭轉(zhuǎn)和末端接觸力有限元分析和樣機試驗，將仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果表明實驗結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致；

3）對單模塊和雙模塊軟體抓手進行樣機抓取試驗，其中單模塊軟體抓手能夠抓取的最小直徑為dmin=1.31cm，最大直徑為dmax=3.28cm，抓取的最大重量為0.3475kg；雙模塊抓手能夠抓取的最小直徑為Dmin=1.02cm，最小直徑為Dmax=6.27cm，抓取的最大重量為1.013kg。雙模塊軟體抓手的抓取能力明顯優(yōu)于單模塊軟體抓手的能力。進一步的研究可考慮加入更多模塊，研究雙模塊以上的軟體抓手的性能。