發布時間：2022-05-10所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：在精密機械式壓力表的制造及檢定自動化工業中，機械臂操作末端的設計需要避免對儀表造成損傷的風險.考慮到柔順手指對接觸物體產生形狀自適應的特性，基于 TPU 塑性材料設計了一種面向機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，滿
摘 要：在精密機械式壓力表的制造及檢定自動化工業中，機械臂操作末端的設計需要避免對儀表造成損傷的風險.考慮到柔順手指對接觸物體產生形狀自適應的特性，基于 TPU 塑性材料設計了一種面向機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，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生的過度抓取力.有限元分析的結果表明，使用 TPU 塑性材料設計的柔性操作末端在結構優化后能對抓取目標物形成最好的包絡效果，并且在達到抓取要求的最大塑性變形時，能保持關鍵的柔順關節不發生崩裂.
關鍵詞：柔性操作末端;TPU 塑性材料;機械設計;有限元分析
精密儀表的制造和檢定自動化離不開工業機械臂的自主操作，相對于普通制品，精密儀表的內部結構由精細的零部件組成，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 .考慮到精密機械儀表本身的易損性，機械臂在操作儀表時需要保障儀表的安全，但由于傳統的工業機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.如何在抓取操作機械儀表的過程中避免損傷儀表，是該行業機械臂操作末端的設計中需要重點考慮的問題之一.
基于塑性材料的柔順操作末端對多種操作對象都表現出良好的抓取能力，近些年開始在工業界得到推廣和應用[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抓取對象的外形狀形成包絡，還能在過度收攏時通過彈性形變消除過度的抓取力，保護抓取對象不受損傷.因此，基于塑性材料的柔順機械手是針對易損物體的抓取操作的良好方案，也成為近年來機器人操作學的一個研究熱點.一些研究人員將拉線軟體手或柔性氣動夾具應用在農業果蔬采摘上，通過結構的變形實現適應物體的功能[2-3].在氣動柔性手指基礎上，還有研究者將氣動手指的基座設計為可調，以此加大夾具的適用范圍[4].韓國學者所研究出形閉合平行抓手 SAC，其利用內部軟支撐層和外部兩層定形變剛度支撐層結構，使指尖完美貼合物體[5].一些基于仿生學的研究成果也被應用到柔性操作末端的設計中，如燕山大學利用類似于蛇類的纏繞原理設計的 UHL 軟體氣動抓手，其全部模塊集成于夾具內部，且能夠抓取自身重量 26 倍(40 kg)的物體[6].此外，還有近年來出現的基于鰭形效應(Fin Ray Ef⁃ fect)仿生柔性自適應手指[7-9]，實現了對尺寸形狀差異 較 大 的 物 體 的 柔 性 抓 取 ，其 中 Lionel Birglen 等人[10-12]深入研究了其數學模型，并不斷優化模型參數，使受力后的鰭條結構有較好的變形效果.
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性能的環保材料[13-14]，已廣泛應用于許多產品的機械結構中，如汽車部件的軸承、工業密封件、防震部件、高壓軟管等，近年來開始被應用于設計柔性機構[15].考慮 TPU 塑性材料高張力、高拉力、強韌和耐老化的特性，選取其作為柔性手指材料設計了一種面向機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構及柔性手指的建模，然后通過設計工具箱優化柔性手指的結構設計，最后通過有限元分析驗證 TPU 塑性材料對設計的柔性操作末端在結構功能上的適用性.
1 問題設定
應用 TPU 塑性材料，設計一種面向精密機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和校驗過程中，最常用的機械式壓力表型號為 Y50，Y60，Y100 和 Y150.設計的自適應夾具旨在能自適應地夾取多種常用型號的機械式壓力表，并將其穩定抬升放置到指定位置.結合實際生產需求可知，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，因此設計的柔性操作末端的抓取目標最大直徑設定為 150 mm.此外，為了使設計的柔性操作末端對抓取物體達到最佳的包絡效果，需對手指結構作優化設計.優化設計結果的評價有多種方式，本研究僅考慮幾何上的包絡效果.由于手指包絡物體后，對物體主要起約束作用的是手指的頂端部分，因此設定優化結果的評價方式為手指變型時其頂點在橫向方向的位移為正向最大化，該優化結構參數的求取方式為基于 SolidWorks 優化設計工具箱及滿足工程要求的粗糙結果，當前設計僅關注柔性操作末端結構功能的實現，即材料在手指結構達到最大變形量時是否不發生斷裂.
2 整體結構設計
設計的柔性末端操作末端在 SolidWorks 中的模型如圖 1 所示.機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部傳動機構 的 驅 使 下 ，可 以 橫 向 移 動 完 成 張 開 和 收 攏 的動作.
2. 1 柔性手指的設計
柔性手指的設計如圖 2 所示.每個手指均為鰭條的仿生結構，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構，基于鰭形效應，在 V 形邊外側受到擠壓時該結構能產生彎曲[10]，因此基于該結構設計的柔性手指在抓取圓形儀表時能通過自適應變形對儀表形成外邊緣包絡.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構恢復原來的形狀，因此手指在該回復力的作用下對抓取對象產生一定力度的夾持效果.當 V 形邊外側的擠壓力消失時，手指結構則在柔性鉸鏈的彈性力作用下，恢復原來的形狀.
2. 2 傳動機構的設計
操作末端動力箱的內部傳動機構如圖 4 所示，其原理圖如圖 5 所示.該傳動機構主要利用齒輪齒條將電機的轉動轉化為手指在橫向方向的平移，與電機輸出軸固連的主動驅動齒輪 1 帶動主動同步帶輪 1 轉動，動力通過同步帶 1 傳至從動同步帶輪 1，然后帶動從動驅動齒輪 1 轉動.從動驅動齒輪 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動，因此選用一個與主動驅動齒輪傳動比為 1 的齒輪作為等速反向傳動的主動驅動齒輪 2，帶動柔性手指 2 的傳動機構，使之與柔性手指 1 的傳動機構作同步反向運動，從而實現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.當夾具張開時，所夾取的工件應能夠自由進入夾具的工作空間，因此兩夾具的最大行程應超過所夾取工件的最大尺寸.當夾具閉合時，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.
為了保證直線運動的平穩性，操作末端的傳動裝置設計中還使用了滑軌作為直線導向結構，如圖 6 所示.齒條的側面銑出一條槽寬和導軌寬度相同的槽，并在槽上開通孔，將齒條與滑軌固連，并利用槽將齒條與導軌定位.通過導軌在支承基座上的滑移，實現齒條在操作末端橫向方向上的導向平滑移動.
3 柔 性 手 指 的 優 化 設 計 及 有 限 元分析
使用 TPU 塑性材料設計柔性操作末端的手指，具體選用的為硬度為 60HA 的 TPU，其詳細參數列于表 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效果最優化，并使其變形的過程中結構材料不發生斷裂，需要對手指的形狀作一定的優化 .優化設計首先需要考慮的是抓取物體能否形成最佳的包絡效果，可理解為柔性手指頂點在 x 方向上的相對位移，其結果值正向越大，包絡效果越好.由于該問題涉及的變量較多，本研究對柔性手指的結構優化設計主要在固定的 V 形框架下進行，僅優化 V 形邊的連接桿件與前臂梁的夾角參數 θ.綜合考慮抓取目標儀表的最大尺寸及設計過程中傳動機構的行程距離，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 柔性手指結構優化
在前述條件下，對 V 形邊的連接桿件與前臂梁的夾角參數 θ 作優化，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化問題.以抓取最大目標物體 Y150 型號的機械式壓力表(直徑 150 mm，重約 1 kg)時柔性手指的變形情況為基準，當柔性手指在抓取該物體時達到最優化的變形包絡效果，即可認為該優化結果亦適用于其他尺寸的壓力表的操作情景，抓取時的接觸點設定為前臂梁的中點.
相關知識推薦：材料研究與應用期刊發幾個版面
為了獲得極限抓取條件下手指的變形結果，需要確定達到該變化的手指壓力負載.此處以手指在抓取起物體時不變形的情況為參照(圖 7)，求取該手指壓力負載的估計值.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載，設手指與壓力表外殼的摩擦系數為 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 μ = 0.8.當 重 力 加 速 度 g=9. 8 時 ，計 算 出 F N1 = F N2 = 6.125 N.在 SolidWorks 的優化工具箱中以該壓力值對柔性手指前臂梁的中點施加負載，在 45~85 °的區間內以 1 °為步長改變 V 形邊的連接桿件與前臂梁的夾角參數 θ，計算對應的指尖在 x 方向上的位移，得到的結果如圖 8 所示.從圖 8 可見，當 V 形邊的連接桿件與前臂梁的夾角參數 θ 為 56 °時，指尖在 x 方 向 上 的 位 移 達 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效果.
圖 9 為手指在該負載下的變形情況.從圖 9 可見，在該負載下變形后的手指關節處和各連接桿件之間不發生干涉，且最大的內應力只有 1. 255 MPa，發生在前臂梁與第四個連接桿件的連接處，表明該角度參數是符合材料功能和設計要求的.由于在實際抓取中，手指的包絡作用會對抓取物產生一個向上支持的分力，因此實際需要的抓取摩擦力會比此處估計的值小，相對地手指的實際壓力負載也會比估計值小，此處以估計值作為輸入得到的手指變形會比實際的大.即使如此，由于該估計壓力負載不會造成柔性手指過度變形，根據設定的目標問題，依然可以認為該角度值為連接桿件與手指前臂梁的最優角度參數.
3. 2 柔性手指結構的有限元分析
由于自適應夾具抓取壓力表時，其形變必須是在材料的許可范圍內，因此對柔性手指的優化結構作最大變形靜力學仿真，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到的最大變形，即夾具在最小行程時完全夾持住最大目標型號的壓力表、對表殼形成完全包絡的情況下的變形 . Y150 型號的壓力表表殼外徑為 150 mm，設備直線運動行程為 30~180 mm.當設備處于最小行程的 30 mm 處時，手指達到最大變形，前臂梁的中點在水平方向上產生 60 mm 的位移.
圖 10 所示的是鰭狀柔性手指的靜力學仿真結果，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.從圖 10 可見，極限變形下最大應力出現在連接桿件與第二節后臂梁的連接處，數值為 2. 093 MPa，低于設計時選用的 TPU 材料的屈服極限 9. 237 MPa.因此，用 TPU 塑性材料設計的柔性手指在極限變形狀態下仍能保持正常使用功能，不會產生斷裂現象.
4 結 論
為了在精密機械式壓力表的抓取操作中保護儀表不受損，基于 TPU 塑性材料設計了一種柔性操作末端，能通過自適應塑性變形對抓取的儀表形成邊緣包絡，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生的過度抓取力.有限元分析的結果表明，使用 TPU 塑性材料設計的柔順操作末端在結構優化后能對抓取目標物形成最好的包絡效果，并且在達到抓取要求的最大塑性變形時，依然能保持關鍵的柔順關節不發生斷裂.——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：
[1] 陳家樂 . 工業機器人柔性夾具實際應用與展望[J]. 建筑工程技術與設計，2017(8)：3087-3092.
[2] 彭艷，劉勇敢，楊揚，等 . 軟體機械手爪在果蔬采摘中的應用研究進展[J]. 農業工程學報，2018，34(9)：11-20.
[3] 劉凡，楊光友，楊康 . 農業采摘機器人柔性機械手研究[J].中國農機化學報，2019，40(3)：173-178.
[4] 佛山科學技術學院 . 一種氣動柔性多指變型機械夾爪：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 . 基于鰭形效應的一種自適應機械手爪設計[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 . 改性甘蔗纖維增強不飽和聚酯 復 合 材 料 的 制 備 與 性 能[J]. 材 料 研 究 與 應 用 ， 2010，4(4)：765-770.
[14] 吳建成，游長江，曾一錚，等 . 環氧樹脂快速模具膠的 結 構 與 性 能[J]. 材 料 研 究 與 應 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.
SCISSCIAHCI
