仿象鼻機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)*

蔣煒忠,韓 露,劉志洋,滕 菲,白曉楠,孫龍飛

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110159; 2.沈陽(yáng)理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110159)

0 引 言

連續(xù)體機(jī)器人是一種新型仿生機(jī)器人,它可以模仿自然界中象鼻、章魚(yú)臂等動(dòng)物器官的運(yùn)動(dòng)機(jī)理,其自身不存在離散關(guān)節(jié),但能依靠連續(xù)柔性變形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)操作[1-2]。仿生連續(xù)體機(jī)器人是根據(jù)觸手、象鼻、舌頭等生物體特殊的器官設(shè)計(jì)出的無(wú)脊柱連續(xù)型機(jī)器人[3]。在抓取一些柔軟的目標(biāo)物體時(shí),仿生連續(xù)體機(jī)器人比傳統(tǒng)離散關(guān)節(jié)剛性連接機(jī)械手臂更加靈活,它不僅能夠像傳統(tǒng)機(jī)器人采用末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)抓取,還能夠利用機(jī)器人本身的柔性彎曲包裹住目標(biāo)物體,可減少機(jī)器抓取對(duì)物體的損傷[4]。

通過(guò)改變自身的外形,連續(xù)型機(jī)器人可以靈活地繞過(guò)各種障礙物,或穿過(guò)狹小彎曲的孔洞,非常適合非結(jié)構(gòu)化環(huán)境和空間受限環(huán)境應(yīng)用[5]。同時(shí),在面對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí),仿生連續(xù)體機(jī)器人的靈活性可以避免其與復(fù)雜操作環(huán)境產(chǎn)生碰撞,具有很好的工程應(yīng)用前景[6]。另外,研究者受自然界象鼻的啟發(fā),模仿它們的結(jié)構(gòu)特征與運(yùn)動(dòng)機(jī)理,設(shè)計(jì)出具有生物體特征的仿生機(jī)器人,此機(jī)器人可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)器人自由度少、避障能力不足、靈活性差等缺點(diǎn)[7]。

筆者提出一種采用繩索和SMA彈簧差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)、模塊化的新型仿象鼻機(jī)器人。此機(jī)器人通過(guò)電流控制SMA彈簧等效剛度,配合繩索驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀物體的包絡(luò)抓取。首先,采用D-H法建立了仿象鼻機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,分析機(jī)器人工作空間。然后,基于記憶合金彈簧組的理論計(jì)算仿真得出仿象鼻機(jī)器人的多種彎曲變形效果。最后,通過(guò)原理樣機(jī)制作和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 仿象鼻機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿象鼻機(jī)器人由多模塊串聯(lián)而成,象鼻內(nèi)側(cè)的相鄰模塊間采用鉸鏈連接,外側(cè)設(shè)計(jì)為可開(kāi)合形式。象鼻采用繩索提供牽引力。象鼻內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)了繩索導(dǎo)向孔,牽引繩索通過(guò)導(dǎo)向孔貫穿連接各級(jí)模塊。象鼻外側(cè)兩模塊之間并列安裝普通拉伸彈簧和SMA彈簧,通過(guò)調(diào)整模塊間彈簧的等效剛度使其產(chǎn)生與繩索對(duì)抗的拉力,使象鼻可以彎曲至多種角度。普通拉伸彈簧可以使模塊之間在無(wú)外部負(fù)載作用下恢復(fù)至初始閉合狀態(tài)。開(kāi)口彈簧可以設(shè)計(jì)為普通彈簧與SMA彈簧組合使用,改變彈簧組的等效剛度,進(jìn)而主動(dòng)控制包絡(luò)的曲率半徑。

仿象鼻機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用模塊化設(shè)計(jì)使機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。單個(gè)模塊長(zhǎng)42 mm、寬42 mm、高55 mm,模塊材料為9400樹(shù)脂,模型由十個(gè)模塊串聯(lián)而成,仿象鼻機(jī)器人總長(zhǎng)約470 mm。為了達(dá)到牢靠抓取物體而不使物體受損的目的,每個(gè)模塊夾持面設(shè)置緩沖材料,緩沖材料豎直剖面為梯形,這樣可以防止緩沖材料在相鄰模塊化關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定角度前提前相互接觸。

圖1 仿象鼻機(jī)械手三維模型

仿象鼻機(jī)器人模塊之間選用的SMA彈簧的材料為鎳鈦合金,絲徑為0.6 mm,外徑為4 mm,總長(zhǎng)為10 mm。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

工作空間是評(píng)價(jià)機(jī)器人性能的重要指標(biāo)之一,工作空間可以根據(jù)每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和連桿的長(zhǎng)度進(jìn)行確定。建立的仿象鼻機(jī)器人的坐標(biāo)系如圖2所示。在相鄰模塊轉(zhuǎn)軸位置建立D-H坐標(biāo)系{Oi},(i=0,1,2,…,8),得到相應(yīng)系統(tǒng)的D-H參數(shù)表,如表1所列。

表1 象鼻機(jī)器人D-H參數(shù)表

所有轉(zhuǎn)角都在x-y平面內(nèi)繞z軸旋轉(zhuǎn),θ表示轉(zhuǎn)動(dòng)變量,頂部單元模塊與基座固連,坐標(biāo)系{O0}為固定坐標(biāo)系,其余坐標(biāo)系通過(guò)旋轉(zhuǎn)θi后沿X軸平移L得到,兩個(gè)相鄰坐標(biāo)系之間的變換矩陣為nTn+1。

nTn+1=

(1)

式中:S=sinθ,C=cosθ。

所有坐標(biāo)系都是相對(duì)于當(dāng)前的坐標(biāo)系變換的,因此可得機(jī)器人基座與末端模塊之間的總變換矩陣為:

0T8=0T11T22T33T44T55T66T77T8

(2)

其中S12、C12可表示為:

S12=S(θ1+θ2)=S1C2+C1S2

(3)

C12=C(θ1+θ2)=C1C2-S1S2

(4)

使用式(3)、(4)對(duì)結(jié)果簡(jiǎn)化,計(jì)算得到:

0T8=[Rot(z,θ)×Trans(L,0,0)]8

(5)

式中:PX=L×(C1+C12+C1～3+C1～4+C1～5+

C1～6+C1～7+C1～8);PY=L×(S1+S12+S1～3+

S1～4+S1～5+S1～6+S1～7+S1～8);PZ=0。

Cθ1～n和Sθ1～n為n個(gè)轉(zhuǎn)軸余弦和正弦角的和,可以表示為:

Cθ1～n=cos(θ1+θ2+θ3+……+θn)

(6)

Sθ1～n=sin(θ1+θ2+θ3+……+θn)

(7)

根據(jù)正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,給定轉(zhuǎn)角θ和連桿長(zhǎng)度L值便可以求出空間當(dāng)中末端相對(duì)于基座的位姿。在實(shí)際使用當(dāng)中,為減少末端模塊在卷曲時(shí)與其它模塊發(fā)生交叉碰撞的次數(shù),需限定張角運(yùn)動(dòng)范圍,限定情況如表2所列。仿真得到象鼻機(jī)器人的工作空間如圖3所示。

表2 張角運(yùn)動(dòng)范圍 /(°)

圖3 象鼻機(jī)器人工作空間

3 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿象鼻機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,設(shè)計(jì)搭建了仿象鼻機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由象鼻機(jī)器人樣機(jī)、TD3020電源模塊、上位機(jī)、ESP8266 NodeMCU-12F CH340開(kāi)發(fā)板等構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中,SMA彈簧在通電后發(fā)熱,溫度達(dá)到SMA絲的相變溫度(文中所用SMA絲的相變溫度為65 ℃)時(shí),SMA彈簧會(huì)收縮。包絡(luò)抓取實(shí)驗(yàn)如圖4所示。

圖4 象鼻機(jī)器人抓取實(shí)驗(yàn)

4 結(jié) 語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種由繩索和彈簧組聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的象鼻機(jī)器人,機(jī)器人由模塊單元串聯(lián)形成,結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,結(jié)構(gòu)靈活性好,可以實(shí)現(xiàn)靈活彎曲運(yùn)動(dòng)。基于D-H法建立了仿象鼻機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,在正運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上采用蒙特卡洛法得出仿象鼻機(jī)器人包絡(luò)空間。并最終完成仿象鼻機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)的制作,驗(yàn)證了象鼻機(jī)器人的包絡(luò)功能。此機(jī)器人在果蔬采摘、復(fù)雜物體抓取等領(lǐng)域有一定應(yīng)用前景。