一種軟體末端執行結構設計與試驗分析

曹淼龍,楊元健,張波,CHIWAWA Tafara Austine

(1. 浙江科技學院 機械與能源工程學院,杭州 310023; 2. 浙江理工大學 機械與自動控制學院,杭州 310018)

隨著科技水平的提高以及經濟社會的發展,機器人在日常生產生活中發揮著越來越重要的作用。廣泛應用于生產制造、交通運輸、醫療健康等領域[1]。

與傳統的工業機器人上的剛性末端執行器相比,軟體末端執行器因為其人機交互更安全、柔順性好且可自由改變自身形狀等特點受到得到國內外許多學者的關注和研究[2-6]。

軟體末端執行器通常用柔性材料制作而成。Guo等將硅膠制成的氣動夾持器與電子附著夾持器相結合,既能抓取扁平的物體,又能抓取形狀復雜的物體[7]。Yuen等發明了一種將形狀記憶合金包裹在熱塑性纖維上的可變剛度驅動器,以制造一種多功能機器人面料[8]。Otake等采用電活性聚合物凝膠制作了一種仿海星軟體機器人。該機器可以通過控制電場的空間變化實現翻轉[9]。

本文研究的末端執行器直接用TPE材料3D打印而成,與常見的先打印模具再硅膠澆注成型的方法相比,簡化了步驟,降低了制作成本[10]。通過拉伸試驗,計算出所用材料的材料系數,用有限元軟件基于Mooney-Rivlin模型分析其彎曲性能[11],并通過試驗驗證仿真結果。進行抓取試驗,表明其在在農業領域,抓取表皮易損果蔬中有一定的應用前景。

1 執行器結構設計

1.1 執行器彎曲原理

目前,常見的軟體末端執行器通常由兩大部分組成——膨脹層和限制層。工作原理為:向柔性材料制成的具有腔室的封閉體內沖入一定氣壓的氣體,整個腔室(膨脹層)將發生膨脹形變,若用一定的方法限制住執行器的一側形變(限制層),整個執行器將向限制層彎曲[12]。

1.2 執行器建模

根據執行器的彎曲原理,結合本研究的需要,設計了如圖1所示的執行器?？傮w上看類似于人的手指,有3個“關節”可實現彎曲。

圖1 執行器模型

執行器剖面結構如圖2所示,整個執行器長為80 mm,寬為16 mm,高為20 mm,具體尺寸參數如表1所示。

圖2 執行器剖面圖

表1 軟體執行器尺寸參數

執行器底層較厚,“關節”處較薄,充氣受到相同的應力時,關節處更容易發生彎曲。

2 有限元分析

2.1 TPE的材料特性

由于執行器由3D打印而成,打印溫度、填充密度等都可能影響材料參數,所以按照GB/T 528-2009標準,制作試樣并進行單軸拉伸試驗,如圖3所示。式樣總長度為113 mm,啞鈴狀長度為33 mm,啞鈴狀厚度為2 mm,啞鈴狀寬度為6 mm。

圖3 拉伸試驗

在Abaqus中采用Mooney-Rivlin模型進行有限元分析,該模型適用于中小應變的超彈性橡膠,一般默認橡膠材料的各向同性和不可壓縮性(I3=1)的一般應變能表達式為

W=W(I1,I2,I3)

(1)

其中:

(2)

式中:Ii為變形張量;λi為伸長比。

2參數表達式為

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(3)

式中Cij為材料常數。

TPE應力-應變關系可由應變能函數W對主應變λ求偏導表示,可得主應力ti與應變λi關系表達式如下:

(4)

式中ti為主應力。

在單軸拉伸狀態下有

(5)

化簡得:

(6)

(7)

綜上可求得

(8)

2.2 彎曲性能

在Solidworks中建立執行器模型,導入Abaqus中,設置材料為TPE,材料參數C10=0.620 4,C01=-0.210 4,部分仿真結果如圖4a)所示,從上到下對應的氣壓分別為0、0.08 MPa、0.12 MPa、0.16 MPa、0.2 MPa、0.24 MPa。分別在未充氣和充氣狀態時連接頂端與末端,所形成的夾角定義為彎曲角α,如圖4b)所示。

圖4 仿真效果

根據仿真結果繪制充氣壓強——彎曲角度曲線,如圖6所示。由圖可知當充氣壓強為0時,彎曲角度也為0,隨著充氣壓強的增大,末端執行器的彎曲角度也隨著增大,呈非線性關系。

3 試驗

3.1 執行器制作

在Solidworks中建模后另存為STL格式,再導入到軟件Cura中切片,主要打印參數如表2所示。打印機噴嘴直徑為0.4 mm,為了便于打印且盡可能保證執行器的密封性,執行器壁厚應為0.4的整數倍。

表2 主要切片參數

3.2 彎曲性能試驗

搭建如圖5所示實驗臺,使用TJ-800型空壓機作為氣源,用PU軟管將氣壓表和軟體驅動器連接,放置于網格紙上,通過流量閥調節輸入氣體壓強。

圖5 彎曲性能試驗臺

在網格紙上標記好首段以及不同壓強下的末端位置,按彎曲角度定義測量彎曲角度。仿真與試驗具體結果如表3所示。

表3 不同壓強下仿真與試驗彎曲角度

為直觀比較試驗結果與仿真結果,在同一坐標系下繪制壓強——彎曲角度曲線,如圖6所示。

圖6 試驗壓強-彎曲角度曲線

由圖6可知,總體彎曲趨勢相同,也呈非線性關系。原因可能為:1) 從圖3c)可以看出應力應變曲線呈非線性說明打印材料(TPE)的力學性能具有一定的非線性;2) 執行器結構較復雜且不是絕對密封,充氣時存在漏氣現象,執行器受到的壓強非線性。實驗彎曲角度小于仿真彎曲角度且隨著充氣壓強的增大差值也增大。原因可能為:1) TPE材料參數計算結果與實際值存在誤差;2) 隨著充氣壓強的增大,執行器位移增大無法穩定在指定點,導致測量誤差增大。

3.3 抓取試驗

為驗證所設計執行器抓取性能,需搭建試驗平臺進行抓取試驗。根據兩指抓取的工作原理設計一種可調節兩執行器間距的模塊化夾具,如圖7所示。

圖7 夾具

夾具由TPE材料3D打印而成,分為滑道和滑塊兩部分,可根據加持物的大小滑動滑塊,調節執行器間距。

將所設計的執行器固定在臺架上,氣源為TJ-800型空氣壓縮機,功率為800 W,儲氣量為30 L,排氣量為60 L/min?？梢詼蚀_對執行器進行充氣、氣壓保持、放氣等操作,通過流量閥準確控制執行器進氣量。臺架如圖8所示。

圖8 試驗臺架

考慮到軟體執行器柔順性好等特點,選取日常生后中不同形狀、大小的常見物品進行抓取試驗,物品尺寸及質量如表4所示,抓取結果如圖9所示。

表4 抓取物品尺寸及質量

圖9 抓取試驗

通過滑動滑塊,調節執行器間距成功抓取螺栓,說明設計的機械爪具有一定的適應性;成功抓取獼猴桃,且未損壞表皮,說明該執行器可以應用于易破損的果蔬抓取中;電蚊香以及鼠標的成功抓取說明執行器可以實現對表面光滑的輕質物體進行夾持。

根據Howell方程,彈性體摩擦力為[14]

F=(KNβ-1)N

(9)

式中:F為摩擦力;KNβ-1等于摩擦因數μ;N為法向力(執行器施加于物體的抓取力),對于大多數聚合物β<1[15]。

Howell方程表明有效摩擦系數隨著施加力的增大而減小[16]。綜上,由于本執行器是柔性的,對于不同的抓取對象無法單純通過摩擦系數來研究抓取能力。未來,在研究應用于智能農業果蔬無損采摘時要基于滑覺檢測優化無損采摘控制系統[17]。

4 結論

1) 設計了一種具有3個關節的仿人手指柔性末端執行器,用TPE材料3D打印而成,用Abaqus基于Mooney-Rivlin模型分析其彎曲性能。

2) 進行彎曲性能試驗以及抓取驗證了其性能。抓取試驗表明其對質量為0～100 g的物品有較好的抓取效果,通過調節夾具滑塊使其對不同直徑的物品也有較好的適應性。

3) 試驗表明其對表皮易破損的果蔬有較好的抓取效果,在智能農業果蔬的無損采摘、分揀中有較廣闊的應用前景。