基于抓持力补偿策略的变刚度软性手指结构优化与实验研究.pdf

第 卷第 期 年 月机 电 工 程 .收稿日期:基金项目:北京建筑大学研究生创新项目()作者简介:徐礼涛()男河南商丘人硕士研究生主要从事机器人抓持与操纵技术方面的研究:.通信联系人:单晓微女博士副教授硕士生导师:.:./.基于抓持力补偿策略的变刚度软性手指结构优化与实验研究徐礼涛单晓微李雪菲(北京建筑大学 机电与车辆工程学院北京)摘要:针对以往研究主要关注对已有手指结构的参数进行优化而缺乏根据所需抓持性能进行结构设计的问题提出了一种基于抓持力补偿策略的变刚度软性手指结构的优化设计方法 首先为了更加全面地评估软性手指的抓持性能提出了三种评价指标为使所提出的基本结构手指具有更早且线性变化的抓持力及更好的抓持稳定性提出了一种利用变刚度机构特性补偿手指抓持力的设计策略并基于该策略设计出了一种悬臂梁结构变刚度手指然后利用 有限元分析软件使用多目标优化方法对悬臂梁结构变刚度手指进行了结构优化分析了悬臂梁变刚度特性并将优化后的手指与基本结构手指的抓持性能进行了对比最后利用测试平台进行了抓持性能试验对仿真结果进行了验证 研究结果表明:与基本结构手指相比基于抓持力补偿策略所得手指的抓持力响应点提前了.抓持后期的抓持力变化线性拟合相关系数 高达.抓持力方向角减小了约.抓持力实验结果与仿真结果相比抓持力的误差最大值小于.抓持力方向角误差最大值小于 说明基于抓持力的补偿策略能够指导软性手指的设计并有效提高手指的抓持性能关键词:软性手指抓持性能抓持力响应补偿策略自适应悬臂梁结构变刚度手指 有限元分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.().:引 言自适应软性机械手设计是软性机器人学研究的重要领域之一 自适应软性机械手主要应用于非结构化环境中对易损和易变形物品的抓持相比于传统刚性手爪其具有柔性好、控制便捷、适用范围广等特性目前针对非结构化环境中共融机器人适应性的应用需求学者们提出了刚柔软体机器人构型设计及力学行为解析这一关键技术研究方向根据驱动原理自适应软性手爪可分为以下几种类型:基于气压驱动的软性手爪、基于粘附性的软性手爪、基于可逆磁流变材料的形状软性手爪以及基于被动自适应结构的软性手爪 与前三种类型相比基于被动自适应结构的软性手爪驱动与控制更加简单只需安装在现有工业执行器上便可使传统刚性工业机器人转变为具有一定软性特性的混合刚度机器人以往针对被动自适应软性手指的研究主要集中于材料和结构两方面 近年来热塑性聚氨酯弹性体()应运而生作为一种典型的超弹性材料因其具有良好的柔韧性、轻质、耐磨损和广泛的硬度范围等特点且使用其材料制成的软性手指具备优异的强度和出色的自适应性所以被广泛应用到了软性手指的制造中 等人对多种 打印材料进行了分析发现了一种名为 的 材料相对于其他材料其表现出更好的弯曲特性 等人对 打印的 试件特性研究表明其综合性能较好的模型是二参数 模型在手指结构方面大多数的结构设计来源于设计者的突发灵感或是基于某种已有结构的优化调整如鳍条效应()手指 目前针对 手指的结构优化已有许多相关研究但主要还是集中在建模方法和内部结构优化两方面 等人通过建立伪刚性动态静力学模型分析了通用 手爪的抓持力利用该模型可以准确估计手指抓持任意形状物体时所产生的分布力 等人使用扩展离散 方法对 手指进行了建模分析其他学者则专注于通过优化该类型手指内部结构参数来获得更好的抓持性能 如 等人通过改变横梁之间的角度、间距以及厚度设计了具有“层干扰”效应的 手指 等人通过改变 手指内部横梁相对于基部的夹角研究了其对手指抓持力的影响 等人通过改变横梁的形状和倾斜角研究了其对 手指的性能影响仿真结果表明有圆弧形弯曲结构的倾斜梁有更优的抓持质量能力 等人也通过改变 手指横梁结构倾角进行了分析优化研究了不同结构下手指的最大抓持质量能力然而以往针对自适应软性机械爪的研究主要关注于已有的手爪结构优化设计 而从力学特性出发采用反馈设计思路针对手指所需的抓持特性设计结构补偿抓持力可以实现构型设计与力学行为解析相结合的目的在过去的一些相关研究中衡量软性手指的抓持性能好坏的评判标准各不相同 其中手指自适应性通常用手指形变位移量来评判如在同一接触位置下力使手指发生形变的最大位移量、手指尖端总位移、弯曲平面上 轴和 轴方向的尖端位移、尖端位移和接触点位移的组合等 对手指的承载能力通常采用抓持力大小或最大可抓持质量来衡量以上评判标准仅根据手指包裹形态来衡量手指的自适应性或根据手指的最终抓持状态来评判其承载能力并没有考虑手指发生形变时实际接触面分布、接触力大小、接触力方向的变化过程鉴于以上原因笔者首先提出三种软性手指抓持性能评判指标用于评估软性手指的设计然后分析基本结构手指的抓持性能特性提出一种在手指内部设计悬臂梁变刚度结构并利用该结构对抓持力进行补偿以改善手指抓持力响应较晚、抓持后期抓持力非线性变化问题的策略最后基于手指抓持性能的仿真对比及真实物理实验验证该策略对手指抓持性能提高的有效性及可行性 手指结构设计与分析.基本结构手指设计文献中在研究 手指内部结构对抓机 电 工 程第 卷持性能的影响时学者们将无内部横梁的“”字型结构作为基本结构为了便于根据手指的抓持性能来设计手指内部结构笔者进行如下定义:将与被抓物接触的一侧称为前梁另一侧称为后梁将具有支撑作用的前后梁和装配驱动部件的下梁称为基本结构(不包含其他特殊内部结构)同时为了避免“”字型结构手指在装配到平行气动执行器上时还需将手指倾斜一定角度才使前梁垂直安装到底座的问题将基本结构手指设计为前梁垂直于下梁的“”型结构由于后梁刚度是影响手指抓持力的主要因素较大的后梁刚度可以使前梁与被抓物体贴合更加紧密同时可以提供更大的抓持力而较薄的前梁则更易变形从而使手指形成初始包络状态提供更好的被动自适应性因此在设计手指基本结构时笔者设置前梁厚度为 后梁厚度为 手指长度为 宽度为 手指厚度为 公司研发的一款商用 型 手指及笔者所设计的基本结构手指如图 所示(单位:)图 手指与基本结构手指.抓持性能指标为了评估软性手指在抓持过程中的性能笔者提出了三种抓持性能指标:实际接触面积率、抓持力响应、抓持力方向角 同时为了更加直观、准确地表达所提出的抓持性能指标笔者使用 对基本结构手指进行了抓持状态下的静力学仿真分析基本结构手指仿真设置如图 所示在图 中为了模拟抓持过程笔者在手指底部施加固定约束并在被抓物左侧施加沿 轴正方向 图 基本结构手指仿真设置.的位移同时禁止被抓物在 轴和 轴方向的移动 由于被抓物为刚性物体则手指与被抓物的接触点 将向右产生相同位移并将该位移定义为“抓持深度”为了能充分展示手指的适应性同时也更易于分析抓持力的分布情况笔者选择被抓物体形状为圆柱直径 材料为铝合金 在被抓物与手指前梁接触面之间设置摩擦接触 根据文献可知摩擦系数通常根据手指与被抓物之间接触表面的粗糙度设定在.范围内 由于该研究是抓取铝合金圆柱体接触面粗糙度较小故设置摩擦系数为.由于采用平行两指手爪抓持时手爪为左右对称结构为了提高仿真分析运算效率只对右侧单个手指进行仿真分析手指网格设置为 的六面体网格被抓物网格采用自动生成模式.实际接触面积率由于装配原因软性手指会使得手指前梁与下梁重合部分退化为刚性结构丧失了该部分的自适应性因此手指前梁可抓持总面积可定义为在手指装配后实际可进行自适应抓取的前梁部分的面积 而被抓物本身形状、大小及手指特性的不同均会影响手指在抓持时与被抓物的实际接触面积因此实际接触面积率定义为手指在抓持物体时手指与被抓物表面实际接触的面积与手指前梁可抓持总面积的比值表达式如下:()()()式中:()为在抓持深度 下手指前梁与被抓物体表面实际接触面积为手指前梁可抓持总面积()为实际接触面积占手指前梁总面积的比例在同第 期徐礼涛等:基于抓持力补偿策略的变刚度软性手指结构优化与实验研究样的抓持深度 下()越大则实际接触面积越大手指的自适应性就越好对基本结构手指进行仿真分析时手指前梁与被抓物接触状态如图 所示图 接触状态示意图.图 中:表示远离 表示接近但不接触 表示接触并具有一定的切向滑动 表示紧密接触且无滑动在使用图 中软性手指进行抓持时如果手指与被抓物体表面的接触状态为 及 的面积越大则实际接触面积就越大手指就能更好地适应被抓物体表面抓持状态也更加稳定.抓持力响应抓持力响应定义为软性手指在抓持物体过程中物体所受抓持力随抓持深度的变化关系基本结构手指的抓持力随抓持深度的变化曲线如图 所示图 抓持力随抓持深度的变化曲线.根据图 中的抓持力响应拐点可将抓持过程分为抓持前期和抓持后期两个阶段软性手指抓持物体的过程中在抓持前期需保持较小的抓持力避免因实际接触面积较小局部产生过大的应力而对被抓物造成损伤 而在抓持后期此时手指已基本适应被抓物的形状较大抓持力则可提高手指的承载能力抓持力响应表达式如下:()()()()()()式中:为在抓持深度为 时的总抓持力大小为抓持力响应拐点所对应的抓持深度值()为抓持力响应其具体含义为在一定的外部驱动力和抓持深度下软性手指在抓持物体过程中对物体做的功()越小则转化为手指的应变能就越多此时手指的自适应性就越好()越大转化为手指的应变能就越少此时手指的可承载能力就越强.抓持力方向角抓持力方向角定义为在抓持过程中被抓物所受抓持力方向与手指抓持方向之间的夹角基本结构手指的抓持力方向角分析如图 所示图 抓持力方向角分析.机 电 工 程第 卷图()为基本结构手指进行抓持仿真分析时的抓持力方向角示意图相比其他两个方向力的数值由于垂直手指侧面方向的 数值较小同时为了将抓持情况简化为二维平面问题笔者将 作为干扰力处理抓持力方向角的表达式如下:()式中:为被抓物所受总抓持力沿手指抓持方向的分力为被抓物所受总抓持力沿垂直于手指抓持方向的分力 为抓持力方向角图()为抓持过程中抓持力方向角随抓持深度的变化情况若 为正值表示物体所受的抓持力方向偏向指尖方向此时物体有受力向外滑脱的趋势若为负值则表示物体所受的抓持力方向偏向手指底部方向此时物体则有受力向内滑动的趋势 在抓持过程中抓持方向角的绝对值越小被抓物发生滑动的可能性就越低则抓持状态就更加稳定.抓持力补偿策略由图 可知较薄前梁使手指具有了较好的自适应性但是由于手指抓持前期占比过大使得手指在抓持深度 时才达到抓持力响应拐点这将导致手指在抓持较小物体时可能出现抓持不稳的情况在抓持后期手指抓持力与随抓持深度呈非线性变化由图()可知基本结构手指在抓持过程中抓持力方向角变化幅度较大最大值约为 这会导致物体在手指夹持作用下受力向手指底端滑动而滑动摩擦则可能对表面易损物体造成损伤这种情况就需要合理设计中间结构使其达到更好的抓持特性变刚度机构是指可根据任务需求对系统刚度进行调节的一类机构 其中簧片式变刚度机构通常利用可沿簧片长度方向移动的滚子控制簧片的有效作用长度实现变刚度的目的簧片式变刚度机构简图如图 所示图 簧片式变刚度机构 .为簧片实际总长度为簧片有效长度 为滚子作用在簧片上的力在小变形条件下簧片的有效作用区段可以简化为悬臂梁模型 根据悬臂梁的挠曲线方程其刚度表达式如下:()式中:为簧片有效长度 为簧片弹性模量 为滚子与簧片接触位置的截面惯性矩由式()可以看出随有效长度的减小该结构刚度具有非线性增大的特性针对基本结构手指抓持性能所存在的问题笔者提出将簧片式变刚度结构与基本结构手指相结合利用簧片式变刚度结构的特性来补偿手指抓持力的策略策略示意图如图 所示图 抓持力补偿策略.第 期徐礼涛等:基于抓持力补偿策略的变刚度软性手指结构优化与实验研究 具体策略为:在手指内部设计一个类簧片式变刚度结构特性如图()利用变刚度结构为手指补偿抓持力从而实现补偿目的具体目标为:在抓持前期在保证自适应能力的前提下手指能够更早地达到抓持力响应拐点在抓持后期抓持力随抓持深度线性增加如图()在整个抓持过程中减少手指与被抓物体之间的相对滑动即具有稳定且趋于 的抓持力方向角如图()悬臂梁结构变刚度手指有限元分析.软性材料及参数模型选取由于手指材料的硬度对手指的自适应性和物体表面摩擦情况有关键性的影响因此笔者选用 公司的 材料作为软性手指的仿真与制作材料 它是一种高度柔韧的 材料肖氏硬度为具有广泛的应用领域对于超弹性材料学者们通常使用、以及 等应变势能函数模型来表述其力学性能 笔者使用 软件对手指结构进行静力学分析选用经典二参数 模型来描述使用 材料的软性手指的力学特性 该模型相对于其他三种模型更易于求解在设定材料参数时只需要输入 二参数模型的、两个参数即可 二参数模型应变能密度函数表达式为:()()()式中:为应变势能为材料系数其中.为偏应变张量的第一、第二不变量.悬臂梁结构变刚度手指优化设计针对手指基本结构所存在的抓持性能问题笔者结合簧片式变刚度结构原理设计了一种可变刚度的悬臂梁结构变刚度手指(简称“悬臂梁结构手指”)手指整体尺寸与基本结构手指保持不变区别是在后梁上添加一个悬臂梁结构 该结构与前梁接触点位置随抓持深度而变化具有簧片式变刚度结构的特性悬臂梁变刚度结构等效模型如图 所示悬臂梁结构手指参数化模型与仿真设置如图 所示为了对悬臂梁结构手指进行抓持性能优化笔者针对该手指结构建立参数化模型并将悬臂梁的弯曲半径、悬臂梁底端距离手指基部的高度、悬臂梁底端厚度(垂直于前梁方向测量)、悬臂梁上端厚度(沿后梁图 悬臂梁变刚度结构等效模型.为悬臂梁实际总长度为悬臂梁有效长度 点为悬臂梁与前梁的接触点为前梁作用在接触点 的作用力为悬臂梁在 作用下接触点 的位移量图 悬臂梁结构手指参数化模型与仿真设置.斜率方向测量)、悬臂梁与前梁间距 作为参数变量通过 分析可知该结构在抓持物体时的接触面积对上述结构参数的敏感度较低所以笔者选择性能指标中的抓持力大小和抓持力方向角作为优化目标进行多变量多目标优化而接触面积则作为比较不同基本结构之间适应性的衡量指标手指抓持仿真设置同.节区别是笔者增加了悬臂梁与前梁内表面的接触设置并定义该接触的摩擦系数为.由于最初两接触面之间存在间距故笔者为两接触面之间添加偏置优化设计试验()方法选取拉丁超立方采样()法生成的样本点数量为 悬臂梁结构手指优化目标设置如表 所示表 优化目标设置 优化目标目标值抓持力 最大抓持力方向角 机 电 工 程第 卷各结构参数设置及最终优化结果取值如表 所示表 悬臂梁结构手指结构优化各参数设置及优化结果 结构参数/单位范围数值悬臂梁弯曲半径/.悬臂梁底端距离基部高度/悬臂梁底端厚度/.悬臂梁上端厚度/.悬臂梁与前梁间距/.悬臂梁变刚度结构验证为了研究悬臂梁结构的变刚度作用笔者利用.节优化所得悬臂梁结构手指进行了仿真分析在抓持过程中不同抓持深度下手指前梁与悬臂梁的接触面位置变化如图 所示图 不同抓持深度下前梁与悬臂梁的接触面位置变化.若将接触面等效为一个接触点该接触点随着抓持深度的变化在悬臂梁上移动从而改变悬臂梁的有效力臂实现一种变刚度效果笔者利用式()计算悬臂梁结构刚度需要得到在不同抓持深度下接触点的位置以及使悬臂梁产生形变的力值由图()可知:由于前梁与悬臂梁在抓持深度为.时才接触因此笔者在抓持深度.范围内每隔.选取一个数据点计算悬臂梁的有效长度并对悬臂梁添加“力探针”得到不同抓持深度下悬臂梁的受力值不同抓持深度下悬臂梁结构相关参数变化情况如图 所示图 不同抓持深度下悬臂梁结构相关参数变化情况.图()展示了抓持过程中悬臂梁所受作用力变化情况该作用力由悬臂梁受前梁挤压所产生的反作用力和两接触面之间的摩擦力共同组成在抓持深度为 .时由于悬臂梁结构与前梁之间预留的.间距以及前梁的自适应性使得前梁与悬臂梁在抓持深度为.时开始接第 期徐礼涛等:基于抓持力补偿策略的变刚度软性手指结构优化与实验研究触因此在该范围内没有作用力产生在抓持深度为.时在悬臂梁变刚度特性作用下悬臂梁为前梁提供逐渐增大的作用力在抓持深度为 时由于手指后梁发生较大形变悬臂梁结构随后梁一起移动悬臂梁所受作用力在.附近波动此时后梁为手指抓持提供主要作用力图()中所出现的波动是由于悬臂梁与前梁接触位置变化时发生了滑动摩擦与静摩擦状态之间的切换图()展示了抓持深度、手指悬臂梁有效长度、手指悬臂梁刚度三者之间的关系 从悬臂梁结构刚度随有效长度的变化中可知悬臂梁结构为手指提供随有效长度减小而逐渐增大的非线性刚度验证了所设计的悬臂梁变刚度结构具有类簧片式变刚度结构的变刚度特性从悬臂梁刚度随抓持深度的变化中可知悬臂梁结构的刚度值随抓持深度的增大而非线性增大实现了不同形变包络下对不同刚度的需求从悬臂梁有效长度随抓持深度的变化中可知在抓持深度为.时悬臂梁的有效长度随抓持深度的增加而减少而在抓持深度为 时悬臂梁有效长度基本不变原因是在较大抓持深度下手指后梁开始产生较大形变并带动悬臂梁结构整体向后梁形变方向移动使得悬臂梁结构几乎不再继续产生形变.悬臂梁结构手指与其他结构手指性能比较.悬臂梁手指与基本手指比较为了证明基于抓持力补偿策略进行手指中间结构设计对手指抓持性能改善的有效性在相同仿真设置下笔者对悬臂梁结构手指与基本结构手指的抓持性能进行了比较悬臂梁结构手指与基本结构手指抓持性能比较如图 所示在抓持深度 .范围内由于悬臂梁没有接触到前梁内侧其未对手指抓持产生影响因此在图()、图()中两结构手指的抓持力、抓持力方向角随抓持深度的变化情况基本相同从图()中可知:在悬臂梁变刚度特性的作用下抓持力响应拐点 出现在抓持深度为 时较基本结构手指力响应拐点 提前了.并且在 点之后悬臂梁结构手指的抓持力随抓持深度逐渐呈线性变化图 悬臂梁结构手指与基本结构手指抓持性能比较.笔者对 点后抓持力随抓持深度的变化进行线性拟合得到抓持力随抓持深度变化的线性方程如下:.()()式中:为力响应拐点后的抓持深度 为力响应拐点后不同抓持深度对应的抓持力其拟合精度由图()中可知线性拟合相关系数.因此在经过力拐点之后的抓持后期抓持力和抓持深度具有较高的线性关系对比两种手指的抓持力大小可知在悬臂梁结构力补偿的作用下其不仅改善了基本结构手指在抓持前期抓持力响应拐点出现较晚和抓持后期抓持力非线性的问题同时还提高了手指的抓持力抓持力最大补偿约为 从图()中 点可知:悬臂梁结构在抓持深度为.时开始为前梁补偿作用力并最终使抓持力方向角在 附近变化 相比于基本结构手指其抓持力方向角减小了约.同时使得抓持力方向角拐点提前了约 在抓持物体过程中更早的抓持力方向角拐点和更小的抓持力方向角会使手指更早机 电 工 程第 卷地进入抓持稳定状态可降低因相对滑动对易损被抓物表面造成损伤的可能性.悬臂梁手指与 手指比较为了说明基于抓持力补偿策略所设计的手指的可靠性在相同仿真设置下笔者将悬臂梁结构手指与 商用 手指 的抓持性能进行了比较悬臂梁结构手指与 手指抓持性能比较如图 所示图 悬臂梁结构手指与 手指抓持性能比较.由图()可知:悬臂梁手指的最大抓持力是 手指的.倍且在抓持前期更小的抓持力可以使手指更好地适应被抓物的形状由图()可知:在抓持前期 手指和悬臂梁结构手指抓持力方向角都有一定幅度变化这是由于手指需适应被抓物形状 尽管悬臂梁结构手指抓持前期抓持力方向角达到了.但是在这期间手指抓持力也相对较小所以并不会造成被抓物在手指抓持过程中产生滑动在抓持后期 手指抓持力方向角达到了.其绝对值约是悬臂梁结构手指的 倍更大的抓持力、更小的抓持力方向角会使悬臂梁结构手指在抓持物体时更加稳定悬臂梁结构手指与 手指接触面积比较如图 所示图 悬臂梁结构手指与 手指接触面积比较.由图()、图()手指与被抓物之间的接触状态比较可知悬臂梁结构手指实际接触面积要远大于 手指笔者利用 后处理中的“”组件对接触面积进行了定量分析如图()所示 在 时悬臂梁结构手指的实际接触面积约为 手指的 倍更大的接触面积表明悬臂梁结构手指具有更好的自适应性可以更好地适应被抓物体的形状由两结构手指抓持性能对比可知:在相同抓持条件下悬臂梁结构手指具有更好的自适应性、更大的抓持力、更小的抓持力方向角以及更大的接触面积其可以更加稳定地抓持物体 抓持性能试验为了进一步测试悬臂梁变刚度结构软性手指真实第 期徐礼涛等:基于抓持力补偿策略的变刚度软性手指结构优化与实验研究的抓持性能笔者使用 打印的悬臂梁结构手指并以型号 的 机器人为试验平台进行了抓持力测试及抓持通用性试验.抓持力测试为验证有限元仿真模型结果的准确性笔者搭建了抓持力测试装置用于测试软性手指在抓持过程中抓持力随抓持深度的变化情况抓持力测试装置如图 所示图 抓持力测试装置.实验采用 型号的六轴力传感器可测得抓持过程中、及 轴方向的力值将其用于计算总抓持力及抓持力方向角 力传感器通过底座被固定到试验台上其上方固定有一个模拟刚性被抓物的半圆柱体其直径与有限元仿真实验中的被抓物直径相同实验时在与仿真实验相同的接触位置处笔者控制机械臂末端手指沿竖直向下的抓持方向移动 抓持过程中力传感器所产生的实验数据与仿真数据对比如图 所示由图()所示的抓持力随抓持深度变化曲线可知:使用力传感器所测的抓持力变化情况与仿真试验情况基本一致实验与仿真误差值最大值不超过.由图()所示的抓持力方向角随抓持深度变化曲线可知:实验与仿真抓持力方向角具有相同的变化趋势且最终趋于 整体抓持方向误差最大值不超过 实验所得方向角拐点出现早于仿真数据 这些误差是由于优化得到很小的 方向抓持力在用式()计算抓持方向角时受到来自制造和传感器等系统误差对分子的影响综上所述实验所得抓持力和抓持力方向角随抓持深度的变化情况验证了有限元仿真模型的准确性图 实验数据与仿真数据对比.抓持通用性试验为了测试悬臂梁结构变刚度软性手指的自适应性在气动执行器压力为.状态下笔者使用 机器人对日常生活中不同形状和质量的物体进行了抓持试验试验平台如图 所示图 试验平台.被抓物体包括:鸡蛋、苹果、鼠标、耳机盒、纸巾、玩偶、水杯等机 电 工 程第 卷抓持通用性试验结果如图 所示图 抓持通用性试验.多次抓持试验结果表明:悬臂梁结构变刚度软性手指在抓持不同形状、大小的物体时均能根据物体外形进行自适应、无损、稳定抓持手指自适应性较强 结束语为使软性手指具有更好的抓持性能笔者提出了一种针对手指所需的抓持性能特性设计手指中间结构补偿抓持性能的新方法并基于该方法进行了基于抓持力补偿策略的变刚度软性手指结构优化研究研究结论如下:)利用所提出的抓持性能指标对基本结构手指的抓持性能进行了分析手指在抓持深度为 时才达到抓持力响应拐点手指抓持前期阶段占比过大且抓持后期抓持力随抓持深度非线性变化抓持力方向角变化幅度较大最大值约为 为使所提出的基本结构手指具有更早的响应拐点、线性变化的抓持力及更好的抓持稳定性提出了一种使用簧片式变刚度机构特性补偿手指抓持力的设计策略)基于抓持力补偿策略将设计优化所得的悬臂梁结构手指与基本结构手指的抓持性能进行了比较其抓持力响应点提前了.在抓持后期抓持力随抓持深度的线性拟合相关系数 高达.最大抓持力为.且在抓持力响应拐点 处抓持力的最大补偿约为 最终抓持力方向角稳定在附近减少了约.表明了基于抓持力补偿策略进行手指中间结构设计对手指抓持性能改善的有效性与商用的 手指相比悬臂梁手指最大抓持力是 的.倍最终抓持力方向角约是 的.倍实际接触面积约为 的 倍表明了基于抓持力补偿策略所设计的手指的可靠性)根据抓持力测试实验与仿真结果误差值分析可知抓持力最大误差值小于.抓持力方向角最大误差值小于 实验所得抓持力及抓持力方向角随抓持深度变化情况与仿真情况基本一致验证了有限元仿真模型的准确性通过抓持通用性试验对多种不同形状、大小、质量的物体的多次稳定抓取表明了手指具有较强的自适应性综上所述针对手指所需的抓持性能特性设计手指中间结构补偿抓持性能的新方法为软性机械手结构优化提供了一种可行的方案在未来的工作中笔者还将结合其他机构原理来设计相应的手指内部结构进行抓持性能补偿研究以实现对手指不同抓持性能的需求参考文献():.():./.().:.:/./.赖一楠叶鑫丁汉.共融机器人重大研究计划研究进展.机械工程学报():.():.():.:.():.():.第 期徐礼涛等:基于抓持力补偿策略的变刚度软性手指结构优化与实验研究():.():.():.:.():.:():.侯志刚方宝晟胡斌等.基于协作机器人的物流分拣软体夹具设计.机床与液压():.():./().:.():./:.:.():.:/./.:.():./.().:./.().().:.:/().:./.().:.():.():.():.():.毕树生刘畅周晓东等.可调刚度致动器结构研究综述.机械工程学报():.:.():.侯志刚张云海胡斌等.协作机器人抓握式柔性夹持器设计.现代制造工程():.():.马 威刘新宇金炜等.四角粽柔性夹持结构设计与抓取试验研究.包装与食品机械():.():.本文引用格式:徐礼涛单晓微李雪菲.基于抓持力补偿策略的变刚度软性手指结构优化与实验研究.机电工程():.():.机电工程杂志:/.机 电 工 程第 卷