咽拭子采樣軟體夾持器結構設計與優化

武力,李學濤,鞠爾男,徐華偉

(大連交通大學 機械工程學院,遼寧 大連 116028)

傳染性疾病一直是影響人類身體健康的癥結之一,為了降低醫護人員在傳染病檢測時的感染概率和勞動強度,使用機器臂及夾持器來代替醫護人員進行傳染病檢測,對傳染病的防控具有非常重要的意義。

目前常見的柔性夾持器主要分為主動型夾持器和被動型夾持器[1]。主動型柔性夾持器是指由人類手指或者自然界軟體生物啟發而設計的夾持器。Rodrigue等[2]采用記憶合金材料設計制作了一種柔性末端執行器,多個柔性執行器協同作用組成夾持器,從而實現對目標的抓取。Chen等[3]根據織物具有各向異性、可拉伸性和內在高強度的特性研制出了一種軟體執行器,并且使用三個執行器制成了一個軟體夾持器,夾持器能夠在一定范圍內抓住各種形狀、剛度和重量的物體。Abeach等[4]根據阻塞原理研制了一種氣動肌肉去抓取物體。被動型柔性夾持器是指通過柔性材料被動貼合夾持對象表面,與夾持對象表面形成可靠約束。Song等[5]根據纖維膠黏劑在可變形膜上的黏附特性,研制了一種由彈性體蘑菇狀微纖維覆蓋的可充氣膜的軟夾具。Hao等[6]基于一個軟的圓柱形手風琴結構研制了一種夾持器,其中包含耦合的平行流體通道,通過從單個流體端口提供的壓力來控制夾持器運動。以上夾持器主要是通過柔性體彎曲的方式對目標進行抓取及夾緊,無法帶動目標完成精細的動作。

面對多樣化的工作場合,單一的彎曲運動已經無法滿足軟體夾持器的應用,研究扭轉結構的軟體夾持器十分必要。Connolly等[7]研制了一種繩纏繞式軟體執行器,可實現執行器的扭轉。Sanan等[8]研究了螺旋氣腔充氣式扭轉執行器機器人。Tsukagoshi等[9]利用皮亞諾曲線制動的原理研制了扁平管執行器,實現軟體執行器的扭轉運動。Kargov等[10]將軟體機器人的氣腔設計成類似于手風琴式的氣囊,設計了一種模塊化機器人系統。

本文所設計的夾持器主要應用夾持咽拭子檢測裝置進行核酸檢測工作,考慮到夾持器的工作場合以及實際的運動形式,本文選用螺旋驅動的方式來實現旋轉運動。 同時在夾持器中設置了安全保護裝置,通過感應檢測裝置傳遞力的大小,控制安全保護裝置,從而減少對被檢測對象的傷害。

1 夾持器結構設計

咽拭子軟體夾持器包括端部限制層、螺旋氣腔層、安全裝置層,3部分通過對應位置緊密連接,形成一個緊密的整體,其整體結構示意圖見圖1。

為了防止氣腔形變導致頂部平面不規則, 從而影響檢測裝置(咽拭子)的運動,端部限制層采用硬質不變形材料。端部限制層開有咽拭子夾緊腔,與扭轉氣腔層的夾緊腔相對應。扭轉氣腔層內部含有螺旋氣腔,多個氣腔沿中心軸線均勻分布。安全裝置層包括進氣孔及安全裝置腔,其中進氣孔與螺旋氣腔相對應,進氣口內插入氣管并用硅膠密封,保證氣密性,氣管連接外部氣泵給氣腔提供氣壓。安全保護裝置包括磁流變液以及壓力傳感器。安全裝置腔與夾緊腔相對應,在安裝咽拭子檢測裝置時使其能夠與壓力傳感器相貼合。

圖1 夾持器整體結構示意圖

當壓力傳感器接收到檢測裝置所傳遞的力之后,將其轉化為電信號傳遞給外部的控制系統,控制系統通過改變外部的磁場大小進而控制磁流變液的剛度。 當磁流變液的剛度減小時安裝保護裝置整體就會變軟,從而減小監測裝置的支反力,進而實現安全保護的作用。軟體夾持器詳細結構見圖2。工作時, 將檢測裝置(咽拭子)插入夾緊腔中并與底部安全裝置相接觸,使用氣泵對夾持器氣腔施加負壓,夾持器發生扭轉變形,帶動咽拭子圓周扭轉運動以達到檢測的目的。

圖2 軟體夾持器詳細結構

2 夾持器結構優化

本文根據反復研究以及仿真分析,確定影響夾持器扭轉效果的因素分別是旋入角(A)、截面形狀(B)、氣壓腔截面面積(C)、氣壓腔形狀(D)、棱邊圓角(E)、壓強(F)。初步確定試驗的每個影響因素的水平數為5,選用正交試驗法進行設計試驗。

2.1 試驗方案設計

根據上文確定的影響因素以及水平數,選擇L25(56)正交表,見表1。

表1(續)

表1中旋入角是整體螺旋結構扭轉的角度,即扭轉軌跡線與水平線的夾角;截面形狀是扭轉結構截面的形狀,該因素控制整體的形狀以及氣腔的數量;氣壓腔截面面積是所有多邊形氣壓腔截面面積的綜合;氣壓腔形狀是螺旋氣腔的截面形狀;棱邊圓角是夾持器整體外部棱邊圓角的半徑;壓強是在工作時施加的氣體的壓強。

2.2 模型建立

根據上文正交試驗表所確定的影響因素的數值,確定其他參數比如整體長度、直徑檢測裝置夾緊腔位置、安全裝置腔的大小與位置等,使用Creo三維建模軟件進行建模,正交試驗各組模型截面見圖3。

圖3 正交試驗各組模型截面

2.3 有限元仿真

采用Abaqus進行有限元仿真,將上文建立的模型以及檢測裝置的模型導入Abaqus,并對其進行裝配。端部限制層選取硬質紙,夾持器剩余部分采用硅膠,檢測裝置選擇ABS塑料,經過查閱相關文獻[11]確定相應的材料參數,見表2。

表2 材料參數

由于對氣腔施加負壓,因此需要對氣腔內部表面建立接觸,定義摩擦系數為0.3的罰函數法計算切向接觸行為,法向接觸行為被視為“硬”接觸,允許接觸后分離。 在夾持器底部設置全固定。網格劃分選擇四面體網格并采用雜交公式計算。位移仿真結果見圖4。

圖4 位移仿真結果

2.4 仿真結果處理

通過Abaqus仿真結果可以得到咽拭子檢測裝置端部的位移,見圖5。本文的擇優標準是咽

(a) 端部位移軌跡圖

(b) 位移軌跡與口腔對比圖5 結果處理圖

拭子檢測裝置端部位移軌跡的長度符合人體咽后壁尺寸。通過查詢文獻可知,人體咽后壁的尺寸大約為20～30 mm[12]。

2.5 正交試驗結果分析

(1)結果分析

根據以上方法對每一組仿真結果進行處理,結果發現,咽拭子位移軌跡近似為一條圓弧線,Z軸方向的位移為1～2 mm。因此,選擇軌跡長度作為擇優指標,各組試驗的咽拭子檢測裝置的端部位移結果見圖6。

圖6 試驗結果曲線

通過極差分析法來選出最優的結構,見表3。其計算公式為:

(1)

式中,i為影響因素;j為水平數;yij為因素i在水平j下的試驗結果;Kij為因素i在水平j下試驗結果的平均值。

Ri=max{Kij}-min{Kij}

(2)

式中:Ri為因素i不同水平試驗指標均值的最大值和最小值之差(極差)。

(2)最優結構確定

通過極差分析表分析結果可以確定,影響端部位移的因素先后次序為:負壓腔形狀(D)>壓強(F)>旋入角(A)>截面形狀(B)>負壓腔截面面積(C)>棱邊圓角(E)。通過極差分析可以選出較優解為:A1B2C4D4E2F5,即旋入角為30°,截面形狀為四邊形,負壓腔截面面積900 mm2,負壓腔形狀為等邊三角形,棱邊圓角為2 mm, 壓強為-100 kPa。

表3 極差分析表

根據所得到的最優解的結構參數,對其進行建模并仿真,得到檢測裝置端部軌跡長度為13.88 mm。

3 結論

(1)本文提出了咽拭子夾持器的設計方案,以檢測裝置端部位移曲線的長度為擇優標準,旋入角、截面形狀、氣壓腔截面面積、氣壓腔形狀、棱邊圓角、壓強大小為影響因素,每個影響因素設置5個水平數,進行正交試驗,對夾持器的腔型結構進行優選。

(2)結構參數對檢測裝置端部位移的影響因素中負壓腔形狀影響最大,棱邊圓角影響最小。得出較優解為旋入角30°,截面形狀為四邊形,負壓腔形狀為等邊三角形,棱邊圓角為2 mm,壓強-100 kPa。 應用該方案的檢測裝置位移軌跡長度為13.88 mm。