基于SMA的变结构水压驱动软体手设计.pdf

第 期 年 月组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 .文章编号:():./.收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()兴辽英才计划项目()辽宁省自然科学基金项目()中国博士后科学基金项目()作者简介:窦健松()男硕士研究生研究方向为软体机器人().通信作者:张道辉()男副研究员硕士生导师博士研究方向为软体机器人康复机器人().基于 的变结构水压驱动软体手设计窦健松张道辉赵新刚刘伟军(.沈阳工业大学机械工程学院沈阳.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳.中国科学院大学机器人与智能制造创新研究院北京)摘要:为了解决传统软体机械手对不同形状被抓物的抓取局限性设计了一种三指水压驱动软体手该软体手可根据物体形状通过形状记忆合金驱动实现手掌形态变化从而能够实现对不同形状物体良好的贴合 利用建模工具设计三指水压驱动软体手的结构并用 仿真软件对软体手指进行结构优化选择出合适的结构尺寸 软体手手掌和软体手指制作模具都通过 打印制作并采用失蜡法制作软体手指 最后将软体手安装到机械臂上进行抓取实验 实验结果表明该三指软体手能够利用变结构手掌的多构态抓取能力对不同形状的物体实现有效、稳定、无损的多构态抓取关键词:软体驱动器水压驱动欠驱动形状记忆合金中图分类号:文献标识码:(.):.().().:引言近些年来随着科学技术的不断发展自动化浪潮席卷全球各行各业都在加快自动化进程 机器人技术的研究正在自动化的浪潮中起着重要的作用 尤其在刚性机器人领域各式各样的刚性末端执行器以其可靠的功能较高的精准度等优点占据着机器人末端执行器的主体地位 然而刚性末端执行器的破坏性强在生活中对一些柔软的易碎的或者易受到破坏的物品抓取时略显不足随着材料科学 打印技术的不断进步软体机器人技术也得到了快速的发展 软体机械手作为软体机器人中重要的末端执行器在无损抓取考古作业医疗康复等领域得到了广泛的应用 相比于由刚性连杆和刚性关节组成的刚性末端执行器软体机械手以其良好的柔性特征在抓取物品人机交互等方面具有更好的适应性和更强的安全性 因此对于软体手的研究具有重要的工程价值关于软体手国内外学者进行了广泛的研究工作如卢伟等研制的无损采摘柔性手爪以娇嫩褐菇为抓取对象采用波纹管型气动结构通过调节驱动气压大小能够对娇嫩褐菇进行无损采摘 但其可抓取对象较为局限只能有效抓取三方向近似等距物品对于长杆状物品的抓取较为困难 等受蟒蛇类动物的启发采用应变限制层与周向纤维拉线的纤维增强型气动结构设计了一款针对于长杆状物品的软执行器 但其由于结构原理的限制对圆球状物品抓取效果不理想 张兴隆等设计的多腔体气动网格式软体手爪采用失蜡法分步浇注成型提搞了制作成功率使复杂的制造工艺得到简化 陈英龙等研制的水压直驱纤维增强软体单元相比于气压驱动在相同压强下其刚度更大安全性更高综上可知从软体手的抓取方式上可以分为包裹抓取缠绕抓取捏取等 包裹抓取所对应的被抓物品大多为球状或三方向近似等距物体缠绕抓取所对应的被抓物品大多为细杆状物体捏取所对应的被抓物品大多为较小物体或纸片状物体 现有的软体手大多为特定抓取物或特定类别抓取物所设计抓取局限性较大 本研究通过采用形状记忆合金驱动的方式对软体手的手掌部分进行变结构性设计能够让软体手实现多构态抓取能够对长杆状物体、三方向近似等长物体、较小型物体等实现有效抓取提高了抓取成功率扩大了可抓取物体范围 结构设计.欠驱动水压柔性多曲率手指结构设计现有的流体驱动软执行器大多由多个连续的相同腔体组成在抓取物体时手指各个部分曲率相同 但是从实际工程经验中可以了解到只有每个手指关节处的弯曲角度不同才能够更好的贴合被抓物体表面通过观察发现在抓取物体时往往需要手指根部的曲率小于手指尖部的曲率 传统的单流控相同连续腔体制动器由于其同曲率的特性在抓取物品时较易使其滑脱大大降低了抓取成功率与工业效率 近年来有学者通过多流控的方法去实现软制动器的多曲率控制 这样虽然可以解决单流控同曲率的不足但是这样会增加液压系统的结构复杂性和控制系统的复杂性造成冗余性的资源浪费 本研究通过结构力学本体应力平衡性原理设计出大压力囊与小压力囊配合的方式通过单流控欠驱动的办法实现对手指的多曲率控制 如图 所示在压力通道输入的单液压源下柔性手指通过大压力囊与小压力囊的耦合作用实现指根部小曲率弯曲指尖部大曲率弯曲 从而实现水压柔性多曲率手指的欠驱动控制 进而在达到预期目标的同时减少结构及控制的冗余性()三维模型()横向剖视图()纵向剖视图图 水压柔性手指结构图此外指甲、指纹及指部皮肤纹理是在人手和动物手爪上普遍存在的 其在动物捕食猎物中起着重要的作用 人手的指纹可以在抓取物体时增加摩擦力指甲可以辅助人手完成更多的精细操作 根据这些仿生学原理本研究通过在指尖部位增加指甲结构来提升软体手对地面物体的抓取能力让软体手能够完成众多的精细操作 通过在指腹部位设计规律性排布的突出结构和小圆柱状结构来增加软体手抓取物体时的摩擦力.多构态设计原理为了找寻多构态抓取设计灵感实现软体手对不同类型物体的有效抓取 如图 所示通过观察人手抓取物品时的形态从仿生学与角度探索多构态抓取原理 发现人手在抓取球状物品时手指大多呈周向分布在抓取长杆状物品时大多呈相对式分布 根据这一仿生学原理能够了解到抓手的形态直接影响到其所对应的被抓物体种类 所以想要实现对不同种类物体的多构态抓取就需要手爪能够根据被抓物体的种类进行结构上的变换()周向分布()相对式分布图 人手抓取球状及长杆状物体原理图传统的软体手大多不能改变其手掌结构这也是其抓取局限性的重要原因 近年来也有一些学者通过在手指底部安装舵机或者电机的方式增加手掌结构自由度以达到提高抓取适应性的目标 这种方法具有设计简单控制精度高等优点但是由于需要加装电机所以其结构复杂性较高结构较为笨重制作成本较高 为解决以上问题本研究独辟蹊径通过形状记忆合金驱动的方式代替传统的电机驱动方式大大减小了抓手体积 形状记忆合金丝通过受热产生形变可通过电流脉冲控制改变电流脉冲的形式以满足不同的驱动要求 相比于电机驱动形状记忆合金丝驱动的体积小价格低人机交互性好.基于 驱动的变结构设计本研究基于单程形状记忆合金丝加热收缩这一特特点设计了一款变结构多构态三指软体手手掌通过形状记忆合金丝受热收缩可以实现变结构手掌的形态变化进而实现软体手的多构态抓取 如图 所示形状记忆合金合金通过滑轮放大结构可以实现对驱动末端位移的放大实现有效驱动 形状记忆合金丝通过加热收缩拉动四连杆机构带动软体手指实现转动使手指实现相对分布进而实现对长杆状物体的有效抓取作业 通过限位柱的限制作用限定形状记忆合金丝的极限位移保证软体手指的稳态结构 通过在手指底部连杆的转动端加装扭簧结构构成变结构手掌的回弹机构实现对手指的回弹作用通过回弹机构的限定使三根手指呈周向轴对称分布实现对三方向组合机床与自动化加工技术 第 期近似等长物体的包裹抓取和对微小物体的精细操作图 形状记忆合金驱动结构原理图综上所述本研究所设计的变结构多构态三指软体手手掌通过一手指固定两手指转动的形式可以实现结构的变换进而实现对长杆状物体、三方向近似等长物体、微小型物体的多构态有效抓取作业.变结构水驱动软体手结构设计基于欠驱动液压柔性多曲率模型设计了由软体手指变结构手掌及其各部分连接件组成的变结构水驱动三指软体手 如图 所示软体手指通过手指连台及多个连杆与手掌顶端盖相连连杆及滑轮机构通过螺栓与手掌端盖固定 手指连台连接快速接头快速接头另一端与软管相连接通液压源 通过以上设计使结构连接简单可靠性强图 三指软体手结构图软体手呈三指状通过手掌赋予每根手指一个初始外倾角度在手指长度一定中心距不变的情况下增加了软体手的可抓取目标物体积 通过单程形状记忆合金丝热收缩特性带动四连杆机构变形进而带动手指发生转动实现软体手形态的变化通过液压源加压实现手指的弯曲动作 进而实现欠驱动多构态抓取 手掌上方的大族连接端盖为软体手和大族机械臂的耦合连接提供了方案 静力学仿真及手指制作.超弹性体材料建模水压柔性手指工作时的最大特点就是需要产生定向的大变形所以本研究选用 硅胶该硅胶邵氏硬度为 具有较好的柔顺性 使用有限元方法对硅胶材料进行分析时需要先建立材料的本构模型 由于硅胶材料属于超弹性体材料其具有大变形不可压缩和非线性的特性所以采用 模型对其进行求解之后采用 软件进行仿真分析 在实际工程中通常采用 两参数模型进行超弹性体材料建模其应变能计算公式为:()()()式中:为应变能、为应变不变量、为材料常数硅胶材料的应力应变关系可以由应变能密度函数对其主伸长比求偏导表示 通过推导可得出:()()()通过单轴拉伸试验测试出材料的主应力 和主拉伸比 从而绘制出式()曲线 曲线的截距和斜率就是所要求解的两个材料常数根据国家标准 硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定进行如图 所示单轴拉伸试验 本研究选取 型哑铃形状标准式样进行实验结合式()通过计算得出材料常数 .至此完成对材料的 本构模型的建立图 单轴拉伸实验.水压柔性手指静力学仿真优化本文使用 软件对水压柔性手指进行静力学仿真优化 将手指 模型导入到 软件中选定 为材料本构模型设定材料常数.通过对水压柔性手指内部腔体施加压强模拟水压驱动时手指应力及应变情况并观察其弯曲效果根据实际工程经验对手指内部腔体施加.大小压强 如图 所示水压柔性手指在压力作用下其波纹管结构前后壁产生较大气球效应从而驱动柔性手指产生径向弯曲 通过观察可以发现水压柔性手指在.工作压强下其变形状态较为合理满足本研究所提出的欠驱动多曲率设计原理该状态适用于实际抓取操作 且根据图 所示的应力分布图可以看出手指总体应力分布均匀手指顶部波纹管前后壁处应力较大 符合实际驱动原理 柔性手指优化后结构参数结果如表 所示()应力分布图()位移分布图图 软体手指仿真结果 年 月 窦健松等:基于 的变结构水压驱动软体手设计表 柔性手指结构参数()结构参数优化值总长度总厚度.总宽度压力囊总长度.压力囊底部厚度.压力囊顶部厚度压力囊侧面厚度两压力囊间距.小压力囊长度.大压力囊长度压力囊前后壁厚.欠驱动水压柔性多曲率手指制作目前柔性手指的制造方法大多采用分部浇注成型法之后再将各部分进行粘接形成密封腔体 每一个部分都需要一套模具单独浇注虽然制作简单浇注难度低但是这样很容易造成粘接缺陷难以保证粘接处的密封性 本研究所采用的失蜡铸造法能有有效的克服这些弊端提高气密性、强度、寿命、安全性 而且石蜡可以重复利用既降低了成本又契合和绿色环保的理念柔性手指按照如图 所示步骤进行制作 首先是制作蜡芯 将石蜡放置在加热器上融化成液态然后将液态石蜡倒入进蜡芯模具中需要注意的是要提前在蜡芯模具中放置两根用来定位的金属光轴之后等待蜡芯固化后从模具中将蜡芯取出 接下来是柔性手指硅胶部分的浇注 将固化好的蜡芯放置到外壳模具中将混合好的 硅胶溶液倒入注射器中使用高压气体将混合好的硅胶溶液注入外壳模具直至从模具溢出 然后将注好硅胶液体的模具放入烤箱中高温固化成型注意固化温度需要低于石蜡熔点等待硅胶层固化后将其从模具中取出从而得到带有石蜡芯的柔性手指 最后是带芯手指脱除蜡芯 将制备好的带芯手指放入烤箱中以高于石蜡熔点的温度将蜡芯高温熔化使其从柔性手指内部腔体中流出从而制备出所需要的欠驱动水压柔性多曲率手指图 手指失蜡法制作流程 驱动系统设计现有的研究中对于软体手的驱动大多采用气动驱动的方式 但是由于空气中分子间距较大同压强下压缩比较大导致稳定性较低驱动时易出现抖动在抓取物体或受到外力干扰时内部腔室形变比也相对较大 为此本研究设计了一套稳定性高且结构简单的新型水压驱动系统用于驱动所设计的柔性手目前对于软体手掌的变结构研究中大多采用电机的驱动方式以实现对手掌形态的改变实现变结构的抓取目的 但是这样会大大增加手掌的体积也会增加控制的难度 对此本研究独辟蹊径利用形状记忆合金丝受热收缩的特性以形状记忆合金丝配合滑轮放大机构、四连杆机构实现了对手掌的变结构驱动 降低了控制难度减小了机构体积.水压驱动系统设计该水压驱动系统由由电压源、控制器、可调速水泵节流阀水压变送器和两位两通液压阀组成相对于现有的水压驱动系统很大程度的减少了器件数量增强了系统实用性 如图 所示实线部分构成水流回路调速水泵可以控制回路中的水流流速从而改变回路中的水压 虚线部分为控制线路其中电源通过控制模块供给 模块获取液压变送器提供的精确压力并通过 模块根据液压反馈值通过改变输出 波的占空比调节水泵速度大小进而实现水压控制 同时通过在流体回路出口与液压泵进口处连接一个管道将节流阀出口处的压力较高的水流引入液压泵可以实现流体的再循环提高系统效率图 水压驱动系统框图本研究将水压系统各部件集成于如图 所示的水压系统集成仓中 使系统结构更为精巧、规整便携带安装 同时为未来的软体手系统水下方面的应用从器件层面打下了良好的基础图 水压系统集成仓.驱动系统设计形状记忆合金丝()是一种具有形状记忆特性的合金材料可以通过改变温度来改变 中的晶体状态使形状记忆合金丝的晶体发生相变 的受热相变产生驱动力和运动位移 如图 所示图 驱动系统框图该形状记忆合金驱动系统由 控制器、驱动器、温度传感器、电压源、形状记忆合金组合机床与自动化加工技术 第 期丝组成 首先 控制板通过 口读取温度传感器的温度值监测形状记忆合金丝的温度防止形状记忆合金丝因温度过热导致失效 通过改变 波的占空比控制加热驱动器调节形状记忆合金丝两端的电压值使形状记忆合金丝温度升高其内部马氏体逐渐转化为奥氏体产生收缩形变带动四连杆机构完成变结构手掌的形态变换如图 所示图 驱动模块 实验研究软体手的抓取能力是其最重要的性能指标 本研究为了测试所设计的欠驱动变结构软体手的抓取能力将软体手与大族机械臂装配连接进行抓取实验如图 所示图 抓取环境图为了展示出所设计软体手对 方向近似等长物品、片状物品、长杆状物品及较小物品的抓取能力并展示面对不同类型抓取物时软体手的变结构能力选择木球、海绵球、木方块、模型梨作为 方向近似等长物品选择奶油蛋糕作为被捏取的小型物品、选择盒装手套与工具箱作为片状物品选择长纸筒与金属保温杯作为长杆状被抓物品 以此来验证所设计的软体手的抓取能力各被抓物品的属性如表 所示 各被抓物品的抓取效果如图 所示表 不同被抓物品参数被抓物品重量/尺寸/(长 宽 高)抓取成功率/木球().海绵球().木方块().模型梨().奶油蛋糕().盒装手套().工具箱().长纸筒().金属保温杯().图 被抓物抓取情况图 图 所展示的是欠驱动软体手在手指周向轴对称分布状态下对三方向近似等长物品的包裹抓取与对小型物品的捏取 图 图 所展示的是欠驱动软体手通过 丝驱动变形后在手指相对分布的状态下对片状物品的捏取与对长杆状物品的抓取 软体手通过配合大族机械臂对该九种物品分别进行了 次抓取实验每次抓取成功的判定标准为将被抓物品抓离桌面保持 实验结果表明除工具箱有 次抓取失败外其余各物品的抓取成功率均为 抓取效果较为理想 验证了软体手的抓取能力与变结构效果相比于传统不可变结构软体手如表 所示本文所研制的变结构软体手扩大了可抓取物品范围提高了软体手的适应性表 典型软体手爪有效抓取物类型对比研究机构有效抓取物类型南京农业大学食用褐菇南京理工大学轴对称物品及部分非轴对称物品北华大学球形、圆柱、部分异性物品本研究三方向近似等长物品、片状物品、小型物品和长杆状物品 结论本文设计了一款基于 的变结构水压驱动软体手 该软体手能够通过 丝的受热变形驱动手掌变换不同的形态实现对三方向近似等长物品、片状物品、较小物品和长杆状物品的有效抓取 通过大、小压力室配合的设计能够实现手指的多曲率欠驱动功能 并通过 软件对柔性手指进行了结构优化最后通过与大族机械臂装配进行了抓取实验验证了软体手的抓取能力综合考虑本研究所设计的变结构软体手相比于传统电机驱动的变结构手降低了结构复杂性减小了结构体积且制作简单抓取成功率高可以满足对不同类型物品的有效抓取 下一步将进行柔性臂的设计研究并将所设计的软体手与柔性臂相配合实现柔性手臂的集成化设计参考文献 .():.:./.:.():.:.():.陈言壮张奇峰田启岩等.水下多指手研究现状.机器人():.:.():.(下转第 页)年 月 窦健松等:基于 的变结构水压驱动软体手设计统重复定位误差的最主要部分()导轨速度无关摩擦力的均值和波动量都会影响系统重复定位精度 在一定范围内降低速度无关的摩擦力均值可有效提高系统重复定位精度但降低到某一临界值后系统重复定位精度将不再增加 将速度无关摩擦力波动系数控制在.以内可较好地抑制速度无关摩擦力波动对系统重复定位精度的影响()直线度误差运动分量的叠加对于系统重复定位精度的影响极小而角度误差运动经过阿贝效应放大会显著增加系统重复定位误差()光栅尺安装余弦误差对系统重复定位精度的影响极小可忽略不计参考文献 石磊胡小男.移动部件重复定位误差的设计计算.机械设计与制造():.孙光明.精密机床导轨重复定位误差机理抑制技术及误差评价方法研究.天津:天津大学.:/.史长虹张建民张同庄等.变轴数控机床重复定位精度评定策略探讨.北京理工大学学报():.:.():.():.蔡有杰.数控机床位置精度评定方法对比与分析.机械科学与技术():.张肖磊.机床直线运动轴重复定位精度评价方法研究.天津:天津大学.:():.():.():.张贺帅.精密机床进给系统热变形对重复定位精度的影响研究.天津:天津大学.():.():.杨帆.绝对式光栅尺可靠性研究与误差分析.长春:中国科学院大学./.孙伟孔祥希汪博等.直线滚动导轨的 接触建模及接触刚度的理论求解.工程力学():.:():.刘小臣何卫东张迎辉等.改进 算法优化交流伺服系统 参数研究.机床与液压():.(编辑 祝智铭)(上接第 页)卢伟王鹏王玲等.褐菇无损采摘柔性手爪设计与试验.农业机械学报():.():.张兴隆冯杨倩华超等.气动软体手爪的失蜡铸造及试验分析.林业机械与木工设备():.陈英龙闫迪张增猛等.基于水压直驱的软体单元的动静态特性.浙江大学学报(工学版)():.郭钟华吉成浩窦梦宇等.轻韧型软体夹持器的仿生设计与研究.中国机械工程():.():.():.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():.李达宏金樱子郭振武等.新型形状记忆合金驱动器与三指灵巧手设计.工程设计学报():.孙茂凱陈羿宗王生海等.形状记忆合金驱动的软体仿生手掌.科学技术与工程():.黄建龙解广娟刘正伟.基于 模型和 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