氣動(dòng)軟體執(zhí)行器設(shè)計(jì)、制造與控制研究

馬曉杰,張解語(yǔ),崔方圓,董亞航,王金超

(1.河南工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南省機(jī)電裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造工程技術(shù)研究中心,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

工業(yè)裝配中,人類手指在觸覺、視覺系統(tǒng)和工具的協(xié)助下,可以完成很多復(fù)雜且易損的裝配任務(wù),此類靈活、精確的工作是普通工業(yè)機(jī)械手難以替代的。然而人類手指持續(xù)工作中會(huì)面臨疲勞、受傷等問題,因此,若以人類手指為參考,設(shè)計(jì)一種氣動(dòng)軟體執(zhí)行器,融合人類手指的靈活性和工業(yè)機(jī)械手效率高的優(yōu)點(diǎn),就可以提高裝配質(zhì)量和效率,降低零件損壞和人類受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

軟體執(zhí)行器與傳統(tǒng)的剛性執(zhí)行器不同,其結(jié)構(gòu)具有高度冗余的連續(xù)體變形和自由度[1],在制造、分析和控制方面尚缺乏成熟的理論和方法。本文針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的抓取需求,設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)軟體執(zhí)行器,通過靈活的配置組成手爪,可以完成不同的抓取和裝配任務(wù)。同時(shí),也研究了該氣動(dòng)軟體執(zhí)行器的制造、分析和控制方法。

1 氣動(dòng)軟體執(zhí)行器設(shè)計(jì)

為了滿足工業(yè)場(chǎng)景中多樣的抓取需求,設(shè)計(jì)的氣動(dòng)軟體執(zhí)行器如圖1所示。其變形部分長(zhǎng)度為100mm。氣動(dòng)軟體執(zhí)行器端部在給定壓力下向一側(cè)偏移,實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的抓取。一側(cè)設(shè)有多個(gè)凸起的氣室,當(dāng)氣室內(nèi)部給定壓力時(shí),這些氣室會(huì)產(chǎn)生比另一側(cè)更大的膨脹變形,從而驅(qū)動(dòng)該氣動(dòng)軟體執(zhí)行器向氣室的相對(duì)一側(cè)彎曲。當(dāng)氣壓消失,氣動(dòng)軟體執(zhí)行器將隨材料的驅(qū)動(dòng)回到原始狀態(tài)。

圖1 氣動(dòng)軟體執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

2 氣動(dòng)軟體執(zhí)行器仿真

針對(duì)氣動(dòng)軟體執(zhí)行器,可通過運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和動(dòng)力學(xué)建模對(duì)其進(jìn)行解析分析。運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法有分段常曲率模型和非恒定曲率模型。動(dòng)力學(xué)建模方法包括凱恩法、牛頓-歐拉法和拉格朗日法[2]。然而,對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,由復(fù)合材料制成的氣動(dòng)軟體執(zhí)行器,有限元模擬具有更廣泛的適應(yīng)性。

為了更具體地研究該氣動(dòng)軟體執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,本文使用了Abaqus軟件對(duì)圖1所示的氣動(dòng)軟體執(zhí)行器樣本進(jìn)行了相關(guān)分析。該樣本由EcoFlex 00-30硅膠制成,該材料被認(rèn)為是一種各向同性、不可壓縮的超彈性材料。仿真過程中,可通過簡(jiǎn)化的YEOH(Young-Eyring-Oliver-Hoff)三階多項(xiàng)式模型來描述其性能[3]:

(1)

(a)有限元網(wǎng)格劃分 (b)變形位移結(jié)果 圖2 針對(duì)氣動(dòng)軟體執(zhí)行器的有限元仿真結(jié)果

(a)參考點(diǎn)壓強(qiáng)-位移分量曲線 (b)參考點(diǎn)位移變化曲線圖3 參考點(diǎn)位移

由圖3可知,在該氣動(dòng)軟體執(zhí)行器中,當(dāng)氣壓小于0.6 MPa時(shí),其運(yùn)動(dòng)軌跡接近于曲率相等的圓弧,而當(dāng)氣壓大于0.6 MPa時(shí),其運(yùn)動(dòng)軌跡具有較強(qiáng)的不確定性。

3 氣動(dòng)軟體執(zhí)行器制造工藝

EcoFlex系列硅膠具有優(yōu)秀的抗撕裂性能和超彈性力學(xué)性能。它由兩種主要成分混合制備而成,本文簡(jiǎn)稱這兩種成分為A和B。這兩種成分被充分混合后,可根據(jù)需要注入不同形狀的模具,從而制備出各種不同形狀的氣動(dòng)軟體執(zhí)行器。具體制備過程如下:

① 根據(jù)模型實(shí)體,使用熔融沉積工藝3D打印技術(shù)制作上、下型腔和型芯,然后將它們裝配在氣動(dòng)軟體執(zhí)行器模具上,如圖4所示。

(a)硅膠一體成型澆筑工藝示意 (b)硅膠澆筑模具圖4 硅膠一體澆筑成型工藝

② 將A、B組份EcoFlex00-30硅膠混合并充分?jǐn)嚢?0分鐘后注入裝配好的模具中,進(jìn)行15分鐘的真空去泡處理,隨后靜置6小時(shí),等待硅膠完全凝固。

③ 緩慢拆解模具,抽出型芯,修整氣動(dòng)軟體執(zhí)行器端面,采用3D打印制造端部密封件,以固定其端部,得到氣動(dòng)軟體執(zhí)行器單元成品,如圖5所示。

圖5 氣動(dòng)軟體執(zhí)行器原理樣機(jī)

4 原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性,本文設(shè)計(jì)了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)包括氣壓定量傳遞裝置、光源和工業(yè)相機(jī)。氣壓定量傳遞裝置包括氣源、氣體過濾器、比例閥以及控制板等元件,控制板可以接收來自上位機(jī)的信號(hào)并控制比例閥以輸出相應(yīng)的氣壓。光源和工業(yè)相機(jī)組成了一個(gè)結(jié)構(gòu)化的光照系統(tǒng),通過適當(dāng)?shù)臉?biāo)定信息,我們可以精確、實(shí)時(shí)地通過視覺測(cè)量氣動(dòng)軟體執(zhí)行器的變形。

圖6 氣動(dòng)軟體執(zhí)行器定量變形實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái),得到了氣動(dòng)軟體執(zhí)行器末端參考點(diǎn)在不同壓強(qiáng)條件下的變形情況。如圖7所示,氣動(dòng)軟體執(zhí)行器的變形與仿真結(jié)果基本一致,即證明了通過控制氣壓可以使氣動(dòng)軟體執(zhí)行器產(chǎn)生不同的位移,從而滿足不同的工作需求。

圖7 不同氣壓下氣動(dòng)軟體執(zhí)行器的變形行為

以未變形時(shí)氣動(dòng)軟體執(zhí)行器右上端中點(diǎn)為參考點(diǎn),通過圖像處理提取其空間位置。對(duì)比實(shí)驗(yàn)和仿真不同氣壓下的相對(duì)位移(如表1所示),可知?dú)鈩?dòng)軟體執(zhí)行器在不同氣壓下的變形基本符合仿真預(yù)期。

表1 不同氣壓下實(shí)驗(yàn)與仿真的位移對(duì)照

5 結(jié)論

本文研究了一種用于抓取的氣動(dòng)軟體執(zhí)行器,研究了其仿真、制造和控制等關(guān)鍵問題。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和仿真的對(duì)比,證明了通過有限元分析方法可以對(duì)氣動(dòng)軟體執(zhí)行器的變形行為進(jìn)行仿真,并有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。此外,基于3D打印的一體成型技術(shù)也可以制造出不同的氣動(dòng)軟體執(zhí)行器。