發(fā)布時(shí)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(dòng)化工業(yè)中，機(jī)械臂操作末端的設(shè)計(jì)需要避免對(duì)儀表造成損傷的風(fēng)險(xiǎn).考慮到柔順手指對(duì)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(dòng)對(duì)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(dòng)化工業(yè)中，機(jī)械臂操作末端的設(shè)計(jì)需要避免對(duì)儀表造成損傷的風(fēng)險(xiǎn).考慮到柔順手指對(duì)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(dòng)對(duì)抓取的儀表形成邊緣包絡(luò)，滿足抓取可靠性的同時(shí)，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(duì)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(shí)，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(dòng)化離不開工業(yè)機(jī)械臂的自主操作，相對(duì)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(shí)其表殼受損也會(huì)影響其測(cè)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(shí)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(duì)多種操作對(duì)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(duì)象的外形狀形成包絡(luò)，還能在過度收攏時(shí)通過彈性形變消除過度的抓取力，保護(hù)抓取對(duì)象不受損傷.因此，基于塑性材料的柔順機(jī)械手是針對(duì)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(gè)研究熱點(diǎn).一些研究人員將拉線軟體手或柔性氣動(dòng)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(dòng)柔性手指基礎(chǔ)上，還有研究者將氣動(dòng)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(guó)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?jī)蓪佣ㄐ巫儎偠戎螌咏Y(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(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)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(hào)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(hào)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(duì)抓取物體達(dá)到最佳的包絡(luò)效果，需對(duì)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(píng)價(jià)有多種方式，本研究?jī)H考慮幾何上的包絡(luò)效果.由于手指包絡(luò)物體后，對(duì)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(píng)價(jià)方式為手指變型時(shí)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(shí)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(dòng)力箱和兩個(gè)柔性手指.兩個(gè)柔性手指在動(dòng)力箱的內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 的 驅(qū) 使 下 ，可 以 橫 向 移 動(dòng) 完 成 張 開 和 收 攏 的動(dòng)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(gè)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(shí)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(shí)能通過自適應(yīng)變形對(duì)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(huì)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(duì)抓取對(duì)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(shí)，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(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
操作末端動(dòng)力箱的內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖 4 所示，其原理圖如圖 5 所示.該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要利用齒輪齒條將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪 1 帶動(dòng)主動(dòng)同步帶輪 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力通過同步帶 1 傳至從動(dòng)同步帶輪 1，然后帶動(dòng)從動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪 1 轉(zhuǎn)動(dòng).從動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪 1 與齒條 1 嚙合，帶動(dòng)齒條 1 在橫向方向平移，即帶動(dòng)了固連于齒條 1 的柔性手指 1 的橫向移動(dòng).由于夾具的張開和閉合需做向中心運(yùn)動(dòng)，因此選用一個(gè)與主動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)比為 1 的齒輪作為等速反向傳動(dòng)的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪 2，帶動(dòng)柔性手指 2 的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使之與柔性手指 1 的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作同步反向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)柔性操作末端的平行夾取動(dòng)作.
平行夾取時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(dòng)的行程范圍定為 30~180 mm.
為了保證直線運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，操作末端的傳動(dòng)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(dòng).
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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(zhǎng) 233. 90 mm、后臂梁長(zhǎng) 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(duì) 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(shí)其指尖在 x 方向的位移正向最大化，將該問題簡(jiǎn)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(hào)的機(jī)械式壓力表(直徑 150 mm，重約 1 kg)時(shí)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(shí)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(shí)的接觸點(diǎn)設(shè)定為前臂梁的中點(diǎn).
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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(shí)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(shí)，兩只手指對(duì)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(duì)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(shí) ，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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(shí)，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(duì)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(gè)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(huì)對(duì)抓取物產(chǎn)生一個(gè)向上支持的分力，因此實(shí)際需要的抓取摩擦力會(huì)比此處估計(jì)的值小，相對(duì)地手指的實(shí)際壓力負(fù)載也會(huì)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(huì)比實(shí)際的大.即使如此，由于該估計(jì)壓力負(fù)載不會(huì)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(shí)，其形變必須是在材料的許可范圍內(nèi)，因此對(duì)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(shí)完全夾持住最大目標(biāo)型號(hào)的壓力表、對(duì)表殼形成完全包絡(luò)的情況下的變形 . Y150 型號(hào)的壓力表表殼外徑為 150 mm，設(shè)備直線運(yùn)動(dòng)行程為 30~180 mm.當(dāng)設(shè)備處于最小行程的 30 mm 處時(shí)，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(shí)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(huì)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(duì)抓取的儀表形成邊緣包絡(luò)，滿足抓取可靠性的同時(shí)，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(duì)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(shí)，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(zhǎng)湘 1,2,武龍飛 3*,錢志剛 4 ,溫中蒙 2 ,郭 靖 1
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