發(fā)布時間：2022-05-10所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：在精密機(jī)械式壓力表的制造及檢定自動化工業(yè)中，機(jī)械臂操作末端的設(shè)計(jì)需要避免對儀表造成損傷的風(fēng)險(xiǎn).考慮到柔順手指對接觸物體產(chǎn)生形狀自適應(yīng)的特性，基于 TPU 塑性材料設(shè)計(jì)了一種面向機(jī)械式壓力表抓取操作的柔性操作末端，其能自動對抓取的儀表形成邊緣包絡(luò)，滿
摘 要：在精密機(jī)械式壓力表的制造及檢定自動化工業(yè)中，機(jī)械臂操作末端的設(shè)計(jì)需要避免對儀表造成損傷的風(fēng)險(xiǎn).考慮到柔順手指對接觸物體產(chǎn)生形狀自適應(yīng)的特性，基于 TPU 塑性材料設(shè)計(jì)了一種面向機(jī)械式壓力表抓取操作的柔性操作末端，其能自動對抓取的儀表形成邊緣包絡(luò)，滿足抓取可靠性的同時，也能通過材料的塑性變形抵消抓取過程中可能產(chǎn)生的過度抓取力.有限元分析的結(jié)果表明，使用 TPU 塑性材料設(shè)計(jì)的柔性操作末端在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后能對抓取目標(biāo)物形成最好的包絡(luò)效果，并且在達(dá)到抓取要求的最大塑性變形時，能保持關(guān)鍵的柔順關(guān)節(jié)不發(fā)生崩裂.
關(guān)鍵詞：柔性操作末端;TPU 塑性材料;機(jī)械設(shè)計(jì);有限元分析
精密儀表的制造和檢定自動化離不開工業(yè)機(jī)械臂的自主操作，相對于普通制品，精密儀表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由精細(xì)的零部件組成，其極易受震蕩而損壞.此外，有時其表殼受損也會影響其測量功能 .考慮到精密機(jī)械儀表本身的易損性，機(jī)械臂在操作儀表時需要保障儀表的安全，但由于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)械臂末端夾具大多為剛性手爪，在操作過程中需要精確控制夾具的抓取位置和抓取力，否則極易損傷儀表.如何在抓取操作機(jī)械儀表的過程中避免損傷儀表，是該行業(yè)機(jī)械臂操作末端的設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問題之一.
基于塑性材料的柔順操作末端對多種操作對象都表現(xiàn)出良好的抓取能力，近些年開始在工業(yè)界得到推廣和應(yīng)用[1].由于材料的塑性變形特性，柔性操作末端的手指除了能適應(yīng)抓取對象的外形狀形成包絡(luò)，還能在過度收攏時通過彈性形變消除過度的抓取力，保護(hù)抓取對象不受損傷.因此，基于塑性材料的柔順機(jī)械手是針對易損物體的抓取操作的良好方案，也成為近年來機(jī)器人操作學(xué)的一個研究熱點(diǎn).一些研究人員將拉線軟體手或柔性氣動夾具應(yīng)用在農(nóng)業(yè)果蔬采摘上，通過結(jié)構(gòu)的變形實(shí)現(xiàn)適應(yīng)物體的功能[2-3].在氣動柔性手指基礎(chǔ)上，還有研究者將氣動手指的基座設(shè)計(jì)為可調(diào)，以此加大夾具的適用范圍[4].韓國學(xué)者所研究出形閉合平行抓手 SAC，其利用內(nèi)部軟支撐層和外部兩層定形變剛度支撐層結(jié)構(gòu)，使指尖完美貼合物體[5].一些基于仿生學(xué)的研究成果也被應(yīng)用到柔性操作末端的設(shè)計(jì)中，如燕山大學(xué)利用類似于蛇類的纏繞原理設(shè)計(jì)的 UHL 軟體氣動抓手，其全部模塊集成于夾具內(nèi)部，且能夠抓取自身重量 26 倍(40 kg)的物體[6].此外，還有近年來出現(xiàn)的基于鰭形效應(yīng)(Fin Ray Ef⁃ fect)仿生柔性自適應(yīng)手指[7-9]，實(shí)現(xiàn)了對尺寸形狀差異 較 大 的 物 體 的 柔 性 抓 取 ，其 中 Lionel Birglen 等人[10-12]深入研究了其數(shù)學(xué)模型，并不斷優(yōu)化模型參數(shù)，使受力后的鰭條結(jié)構(gòu)有較好的變形效果.
TPU(Thermoplastic polyurethane)即熱塑性聚氨酯彈性體橡膠，是一種具有卓越的力學(xué)性能的環(huán)保材料[13-14]，已廣泛應(yīng)用于許多產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，如汽車部件的軸承、工業(yè)密封件、防震部件、高壓軟管等，近年來開始被應(yīng)用于設(shè)計(jì)柔性機(jī)構(gòu)[15].考慮 TPU 塑性材料高張力、高拉力、強(qiáng)韌和耐老化的特性，選取其作為柔性手指材料設(shè)計(jì)了一種面向機(jī)械式壓力表抓取操作的柔性操作末端.首先在 Solid⁃ Works 中完成操作末端傳動結(jié)構(gòu)及柔性手指的建模，然后通過設(shè)計(jì)工具箱優(yōu)化柔性手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后通過有限元分析驗(yàn)證 TPU 塑性材料對設(shè)計(jì)的柔性操作末端在結(jié)構(gòu)功能上的適用性.
1 問題設(shè)定
應(yīng)用 TPU 塑性材料，設(shè)計(jì)一種面向精密機(jī)械式壓力表抓取操作的柔性操作末端.在目前的壓力表生產(chǎn)和校驗(yàn)過程中，最常用的機(jī)械式壓力表型號為 Y50，Y60，Y100 和 Y150.設(shè)計(jì)的自適應(yīng)夾具旨在能自適應(yīng)地夾取多種常用型號的機(jī)械式壓力表，并將其穩(wěn)定抬升放置到指定位置.結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求可知，所夾取的工件是直徑大小為 50~150 mm 不等的圓柱體，且工件重量不超過 1 kg，因此設(shè)計(jì)的柔性操作末端的抓取目標(biāo)最大直徑設(shè)定為 150 mm.此外，為了使設(shè)計(jì)的柔性操作末端對抓取物體達(dá)到最佳的包絡(luò)效果，需對手指結(jié)構(gòu)作優(yōu)化設(shè)計(jì).優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的評價(jià)有多種方式，本研究僅考慮幾何上的包絡(luò)效果.由于手指包絡(luò)物體后，對物體主要起約束作用的是手指的頂端部分，因此設(shè)定優(yōu)化結(jié)果的評價(jià)方式為手指變型時其頂點(diǎn)在橫向方向的位移為正向最大化，該優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的求取方式為基于 SolidWorks 優(yōu)化設(shè)計(jì)工具箱及滿足工程要求的粗糙結(jié)果，當(dāng)前設(shè)計(jì)僅關(guān)注柔性操作末端結(jié)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)，即材料在手指結(jié)構(gòu)達(dá)到最大變形量時是否不發(fā)生斷裂.
2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的柔性末端操作末端在 SolidWorks 中的模型如圖 1 所示.機(jī)械手操作末端包含動力箱和兩個柔性手指.兩個柔性手指在動力箱的內(nèi)部傳動機(jī)構(gòu) 的 驅(qū) 使 下 ，可 以 橫 向 移 動 完 成 張 開 和 收 攏 的動作.
2. 1 柔性手指的設(shè)計(jì)
柔性手指的設(shè)計(jì)如圖 2 所示.每個手指均為鰭條的仿生結(jié)構(gòu)，主要框架為 V 形柔性框架，其兩邊上有一排連接桿件，連接桿件與 V 形框架的兩邊通過柔性鉸鏈連接.
柔性手指的原理如圖 3 所示.由于是使用塑性彈性體材料的一體化柔順連桿機(jī)構(gòu)，基于鰭形效應(yīng)，在 V 形邊外側(cè)受到擠壓時該結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生彎曲[10]，因此基于該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的柔性手指在抓取圓形儀表時能通過自適應(yīng)變形對儀表形成外邊緣包絡(luò).由于 V 形邊中間連接桿件的柔性鉸鏈的彈性力會迫使彈性變形后的手指結(jié)構(gòu)恢復(fù)原來的形狀，因此手指在該回復(fù)力的作用下對抓取對象產(chǎn)生一定力度的夾持效果.當(dāng) V 形邊外側(cè)的擠壓力消失時，手指結(jié)構(gòu)則在柔性鉸鏈的彈性力作用下，恢復(fù)原來的形狀.
2. 2 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
操作末端動力箱的內(nèi)部傳動機(jī)構(gòu)如圖 4 所示，其原理圖如圖 5 所示.該傳動機(jī)構(gòu)主要利用齒輪齒條將電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為手指在橫向方向的平移，與電機(jī)輸出軸固連的主動驅(qū)動齒輪 1 帶動主動同步帶輪 1 轉(zhuǎn)動，動力通過同步帶 1 傳至從動同步帶輪 1，然后帶動從動驅(qū)動齒輪 1 轉(zhuǎn)動.從動驅(qū)動齒輪 1 與齒條 1 嚙合，帶動齒條 1 在橫向方向平移，即帶動了固連于齒條 1 的柔性手指 1 的橫向移動.由于夾具的張開和閉合需做向中心運(yùn)動，因此選用一個與主動驅(qū)動齒輪傳動比為 1 的齒輪作為等速反向傳動的主動驅(qū)動齒輪 2，帶動柔性手指 2 的傳動機(jī)構(gòu)，使之與柔性手指 1 的傳動機(jī)構(gòu)作同步反向運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)柔性操作末端的平行夾取動作.
平行夾取時，兩夾具的行程需考慮夾取工件的尺寸大小.當(dāng)夾具張開時，所夾取的工件應(yīng)能夠自由進(jìn)入夾具的工作空間，因此兩夾具的最大行程應(yīng)超過所夾取工件的最大尺寸.當(dāng)夾具閉合時，考慮到夾具的形變能力及包裹效果，兩夾具的最小行程應(yīng)小于所夾取工件的最小尺寸.綜上所述，齒條直線移動的行程范圍定為 30~180 mm.
為了保證直線運(yùn)動的平穩(wěn)性，操作末端的傳動裝置設(shè)計(jì)中還使用了滑軌作為直線導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，如圖 6 所示.齒條的側(cè)面銑出一條槽寬和導(dǎo)軌寬度相同的槽，并在槽上開通孔，將齒條與滑軌固連，并利用槽將齒條與導(dǎo)軌定位.通過導(dǎo)軌在支承基座上的滑移，實(shí)現(xiàn)齒條在操作末端橫向方向上的導(dǎo)向平滑移動.
3 柔 性 手 指 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 及 有 限 元分析
使用 TPU 塑性材料設(shè)計(jì)柔性操作末端的手指，具體選用的為硬度為 60HA 的 TPU，其詳細(xì)參數(shù)列于表 1.
為了使柔性手指在抓取物體的過程中對物體形成的包絡(luò)效果最優(yōu)化，并使其變形的過程中結(jié)構(gòu)材料不發(fā)生斷裂，需要對手指的形狀作一定的優(yōu)化 .優(yōu)化設(shè)計(jì)首先需要考慮的是抓取物體能否形成最佳的包絡(luò)效果，可理解為柔性手指頂點(diǎn)在 x 方向上的相對位移，其結(jié)果值正向越大，包絡(luò)效果越好.由于該問題涉及的變量較多，本研究對柔性手指的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要在固定的 V 形框架下進(jìn)行，僅優(yōu)化 V 形邊的連接桿件與前臂梁的夾角參數(shù) θ.綜合考慮抓取目標(biāo)儀表的最大尺寸及設(shè)計(jì)過程中傳動機(jī)構(gòu)的行程距離，柔性手指的 V 形框架最終確定的尺寸為前臂梁長 233. 90 mm、后臂梁長 259. 35 mm、前臂梁與后臂梁的夾角為 25. 95 °.
3. 1 柔性手指結(jié)構(gòu)優(yōu)化
在前述條件下，對 V 形邊的連接桿件與前臂梁的夾角參數(shù) θ 作優(yōu)化，使手指變形時其指尖在 x 方向的位移正向最大化，將該問題簡化為極限抓取條件下的優(yōu)化問題.以抓取最大目標(biāo)物體 Y150 型號的機(jī)械式壓力表(直徑 150 mm，重約 1 kg)時柔性手指的變形情況為基準(zhǔn)，當(dāng)柔性手指在抓取該物體時達(dá)到最優(yōu)化的變形包絡(luò)效果，即可認(rèn)為該優(yōu)化結(jié)果亦適用于其他尺寸的壓力表的操作情景，抓取時的接觸點(diǎn)設(shè)定為前臂梁的中點(diǎn).
相關(guān)知識推薦：材料研究與應(yīng)用期刊發(fā)幾個版面
為了獲得極限抓取條件下手指的變形結(jié)果，需要確定達(dá)到該變化的手指壓力負(fù)載.此處以手指在抓取起物體時不變形的情況為參照(圖 7)，求取該手指壓力負(fù)載的估計(jì)值.從圖 7 可見，手指夾取起壓力表時，兩只手指對壓力表的摩擦力 Ff1和 Ff2與壓力表的重力 G 平衡，而 FN1和 FN2為壓力表對兩只手指的壓力負(fù)載，設(shè)手指與壓力表外殼的摩擦系數(shù)為 μ，則 可 得 到 G = Ff1 + Ff2 = μF N1 + μF N2，其 中橡膠與鑄鐵(表殼材料)之間的摩擦系數(shù) μ = 0.8.當(dāng) 重 力 加 速 度 g=9. 8 時 ，計(jì) 算 出 F N1 = F N2 = 6.125 N.在 SolidWorks 的優(yōu)化工具箱中以該壓力值對柔性手指前臂梁的中點(diǎn)施加負(fù)載，在 45~85 °的區(qū)間內(nèi)以 1 °為步長改變 V 形邊的連接桿件與前臂梁的夾角參數(shù) θ，計(jì)算對應(yīng)的指尖在 x 方向上的位移，得到的結(jié)果如圖 8 所示.從圖 8 可見，當(dāng) V 形邊的連接桿件與前臂梁的夾角參數(shù) θ 為 56 °時，指尖在 x 方 向 上 的 位 移 達(dá) 到 正 向 最 大 值 ，約 為 正 向 位 移 0. 68 mm，即在該夾角條件下，柔性手指能對抓取物體形成最好的包絡(luò)效果.
圖 9 為手指在該負(fù)載下的變形情況.從圖 9 可見，在該負(fù)載下變形后的手指關(guān)節(jié)處和各連接桿件之間不發(fā)生干涉，且最大的內(nèi)應(yīng)力只有 1. 255 MPa，發(fā)生在前臂梁與第四個連接桿件的連接處，表明該角度參數(shù)是符合材料功能和設(shè)計(jì)要求的.由于在實(shí)際抓取中，手指的包絡(luò)作用會對抓取物產(chǎn)生一個向上支持的分力，因此實(shí)際需要的抓取摩擦力會比此處估計(jì)的值小，相對地手指的實(shí)際壓力負(fù)載也會比估計(jì)值小，此處以估計(jì)值作為輸入得到的手指變形會比實(shí)際的大.即使如此，由于該估計(jì)壓力負(fù)載不會造成柔性手指過度變形，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)問題，依然可以認(rèn)為該角度值為連接桿件與手指前臂梁的最優(yōu)角度參數(shù).
3. 2 柔性手指結(jié)構(gòu)的有限元分析
由于自適應(yīng)夾具抓取壓力表時，其形變必須是在材料的許可范圍內(nèi)，因此對柔性手指的優(yōu)化結(jié)構(gòu)作最大變形靜力學(xué)仿真，以判斷選取材料的合理性.
首先確定柔性手指理論上可能達(dá)到的最大變形，即夾具在最小行程時完全夾持住最大目標(biāo)型號的壓力表、對表殼形成完全包絡(luò)的情況下的變形 . Y150 型號的壓力表表殼外徑為 150 mm，設(shè)備直線運(yùn)動行程為 30~180 mm.當(dāng)設(shè)備處于最小行程的 30 mm 處時，手指達(dá)到最大變形，前臂梁的中點(diǎn)在水平方向上產(chǎn)生 60 mm 的位移.
圖 10 所示的是鰭狀柔性手指的靜力學(xué)仿真結(jié)果，圖中手指的前臂梁水平方向受到作用力后處于極限變形狀態(tài).從圖 10 可見，極限變形下最大應(yīng)力出現(xiàn)在連接桿件與第二節(jié)后臂梁的連接處，數(shù)值為 2. 093 MPa，低于設(shè)計(jì)時選用的 TPU 材料的屈服極限 9. 237 MPa.因此，用 TPU 塑性材料設(shè)計(jì)的柔性手指在極限變形狀態(tài)下仍能保持正常使用功能，不會產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象.
4 結(jié) 論
為了在精密機(jī)械式壓力表的抓取操作中保護(hù)儀表不受損，基于 TPU 塑性材料設(shè)計(jì)了一種柔性操作末端，能通過自適應(yīng)塑性變形對抓取的儀表形成邊緣包絡(luò)，滿足抓取可靠性的同時，柔軟的 TPU 材料也能避免損傷儀表，還能通過塑性變形消除抓取過程中可能產(chǎn)生的過度抓取力.有限元分析的結(jié)果表明，使用 TPU 塑性材料設(shè)計(jì)的柔順操作末端在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后能對抓取目標(biāo)物形成最好的包絡(luò)效果，并且在達(dá)到抓取要求的最大塑性變形時，依然能保持關(guān)鍵的柔順關(guān)節(jié)不發(fā)生斷裂.——論文作者：范長湘 1,2,武龍飛 3*,錢志剛 4 ,溫中蒙 2 ,郭 靖 1
參考文獻(xiàn)：
[1] 陳家樂 . 工業(yè)機(jī)器人柔性夾具實(shí)際應(yīng)用與展望[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017(8)：3087-3092.
[2] 彭艷，劉勇敢，楊揚(yáng)，等 . 軟體機(jī)械手爪在果蔬采摘中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(9)：11-20.
[3] 劉凡，楊光友，楊康 . 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人柔性機(jī)械手研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40(3)：173-178.
[4] 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 . 一種氣動柔性多指變型機(jī)械夾爪：中國，CN201921377385.8[P]. 2020-06-09.
[5] LEE J Y，SEO Y S，PARK C，et al. Shape-adaptive universal soft parallel gripper for delicate grasping using a stiffness-variable composite structure [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2020，68(12)： 12441-12451.
[6] LI H，YAO J，WEI C，et al. An untethered soft robotic gripper with high payload-to-weight ratio [J]. Mechanism and Machine Theory，2021，158：104226.
[7] HOSALE M D，KIEVID C. Modulating territories， penetrating boundaries[J]. Footprint，2010(6)：55-68
[8] 楊濤，許展，季宇辰，等 . 基于鰭形效應(yīng)的一種自適應(yīng)機(jī)械手爪設(shè)計(jì)[J].江蘇科技信息，2020，37(26)：49-55.
[9] SHAN Xiaowei，BIRGLEN L. Modeling and analysis of soft robotic fingers using the fin ray effect[J]. The International Journal of Robotics Research，2020，39 (14)：1686-1705.
[10] PFAFF O， SIMEONOV S， CIROVIC I， et al. Application of fin ray effect approach for production process automation [M]. Vienna： DAAAM International，2011：1247-1249.
[11] BIRGLEN L. Enhancing versatility and safety of industrial grippers with adaptive robotic fingers[C]. Hamburg：IROS，2015：2911-2916.
[12] BIRGLEN L. Type synthesis of linkage-driven selfadaptive fingers [J]. Journal of Mechanisms and Robotics，2009(2)：1-9.
[13] 謝青，游長江，賈德民 . 改性甘蔗纖維增強(qiáng)不飽和聚酯 復(fù) 合 材 料 的 制 備 與 性 能[J]. 材 料 研 究 與 應(yīng) 用 ， 2010，4(4)：765-770.
[14] 吳建成，游長江，曾一錚，等 . 環(huán)氧樹脂快速模具膠的 結(jié) 構(gòu) 與 性 能[J]. 材 料 研 究 與 應(yīng) 用 ，2010，4(4)： 693-698.
[15] GANDARIAS J M，GÓMEZ-DE-GABRIEL J M， GARCÍA-CEREZO A J. Enhancing perception with tactile object recognition in adaptive grippers for humanrobot interaction[J]. Sensors，2018，18(3)：692.
