一种新型气动软体机械手的设计

　　摘要

　　随着现代科技的发展,机器人越来越多地应用于物流仓库中自动分拣物品.而机械手作为与抓持对象直接接触的执行装置,对工作效率有着至关重要的影响.传统的机械手缺乏灵活性和复杂环境适应性,且人机交互性差,难以适应新的生产需求.因此,本文设计了一种新型的气动软体机械手,其结构柔软度高,且具备连续变形的能力,可以在狭窄且杂乱的环境中,进行稳定的抓取.具体的研宄内容如下:

　　设计了一种新型的气动软体机械手.其采用了具有创新型结构的带有气腔的驱动节和起到定位作用的实心节的组合,内部腔室设计为六边形,通过对底部添加具有约束作用的应变限制层,产生差别应变,使得软体机械手可以实现双向弯曲,扩大了抓取范围.

　　分析了影响软体机械手弯曲半径的设计因子的显著性.建立了单个软体机械手手指的有限元模型,并通过二阶超弹性材料的Yeoh模型描述其非线性特性.分析了壁厚S1、手指宽度W和两外壁之间距离d 这三个显著设计因子对软体机械手弯曲性能影响的程度.

　　提出了一个可以描述软体机械手输入气压和弯曲角度之间关系的数学模型.该模型融合了软体机械手的运动学和动力学.以分段常曲率模型为理论依据,推导出软体机械手的运动学模型.并且在拉格朗日力学的基础上,分析了软体机械手的动能、弹性势能等,得到软体机械手的动力学模型.

　　完成了软体机械手的制造.并且,搭建了软体机械手的气动回路与实验平台,通过实验验证了输入气压和弯曲角度的数学模型的正确性.并对软体机械手进行了大量的抓取实验,结果表明,本文设计的软体机械手是有效的.最终,通过理论和实验证明了软体机械手在密集且狭窄的空间内可以进行精准、稳定的抓取.

　　关键词:软体机械手;气动;弯曲特性;数学建模;抓取性能

　　ABSTRACT

　　With the development of modern technology, robots are increasingly used toautomatically sort items in logistics warehouses. The performance of the robot as anactuator that is in direct contact with the gripping object has a crucial influence on theworking efficiency of the robot. Traditional robots lack flexibility and complexenvironmental adaptability, and human-computer interaction is poor, making it difficultto adapt to new production needs. Therefore, this paper designs a new type of pneumaticsoft manipulator, which has high structural softness and continuous deformation ability,and can be stably grasped in a narrow and messy environment. The specific rescarchcontents are as follows:

　　A new type of pneumatic soft manipulator was designed. It consists of an innovativestructure with a drive section with an air cavity and a solid section for positioning. Theinternal chamber is designed as a hexagon, which creates a differential strain by adding arestraining strain-limiting layer to the bottom, so that the soft manipulator can achievetwo-way bending, expanding the grab range.

　　The significance of the design factor affecting the bending radius of the softmanipulator is analyzed. The finite element model of a single soft manipulator isestablished, and its nonlinear characteristics are described by the Yeoh model of thesecond-order superelastic material. The thickness of the wall, the width of the finger andthe distance between the two outer walls are analyzed. The extent to which the threesignificant design factors affect the bending performance of the soft manipulator.

　　A mathematical model is proposed to describe the relationship between the inputmanipulator pressure and the bending angle of the soft manipulator. This modelincorporates the kinematics and dynamics of a soft manipulator. Based on the segmentalconstant curvature model, the kinematics model of the soft manipulator is derived. Basedon the Lagrangian mechanics, the kinetic energy, elastic potential energy, etc. of the softmanipulator are analyzed, and the dynamic model of the soft manipulator is obtained.

　　The prototype of the soft manipulator was completed. Moreover, the pneumaticcircuit of the soft manipulator is built by using pneumatic components such as a gas pump,a vacuum generator and a solenoid valve to providea stable air pressure for the softmanipulator. A soft manipulator experimental platform was built to verify the correctnessof the mathematical model of the input air pressure and bending angle through  experiments. A large number of gripping experiments were carried out on the softmanipulator. The results show that the soft manipulator designed this time is effective.

　　Finally, it is proved by theory and experiment that the soft manipulator canaccurately and stably grasp in a dense and narrow space.

　　KEYWORDS: soft manipulator; pneumatic; bending characteristics; mathematicalmodeling; gripping performance

　　目录

　　摘要........................................................................................................................v

　　ABSTRACT.............................................................................................................vii

　　1绪论........................................................................................................................1

　　1.1研究背景........................................................................................................................1

　　1.2软体机械手的研究现状................................................................................................2

　　1.2.1软体机械手国外研究现状................................................................................................2

　　1.2.2软体机械手国内研究现状...................................................................................................7

　　1.3软材料与制造技术的研究现状...................................................................................................9

　　1.3.1软材料的研究现状............................................................................................................9

　　1.3.2软材料制造技术的研究现状................................................................................................10

　　1.4本文研究的难点与意义............................................................................................................11

　　1.5本文主要内容........................................................................................................................11

　　2软体机械手的设计........................................................................................................................13

　　2.1引言................................................................................................................................................13

　　2.2软体机械手整体结构设计............................................................................................................13

　　2.2.1软体机械手的设计要求............................................................................................................13

　　2.2.2软体机械手的结构方案............................................................................................................14

　　2.2.3软体机械手的结构设计............................................................................................................16

　　2.3软体机械手手指的设计............................................................................................................18

　　2.3.1软体机械手手指动作原理............................................................................................................18

　　2.3.2软体机械手手指设计指标确定................................................................................................20

　　2.3.3软体机械手手指结构的设计...................................................................................................20

　　2.4真空吸附装置设计........................................................................................................................23

　　2.4.1真空吸盘的设计........................................................................................................................23

　　2.4.2真空发生器选型计算........................................................................................................................25

　　2.4.3真空吸附装置实验验证..................................................................................................................27

　　2.5本章小结................................................................................................................................................28

　　3软体机械手设计因子的仿真分析............................................................................................................31

　　3.1引言................................................................................................................................................31

　　3.2软体机械手有限元建模.........................................................................................................................31

　　3.2.1材料仿真参数设定........................................................................................................................31

　　3.2.2有限元模型的建立.........................................................................................................................33

　　3.3影响弯曲半径的设计因子的显著性研究.................................................................................................34

　　3.3.1弯曲半径的仿真分析........................................................................................................................34

　　3.3.2弯曲半径预测模型的构建....................................................................................................................36

　　3.4设计因子对弯曲半径的影响..................................................................................................................38

　　3.4.1壁厚对弯曲半径的影响......................................................................................................................38

　　3.4.2手指宽度对弯曲半径的影响.................................................................................................................40

　　3.4.3两外壁之间距离对弯曲半径的影响......................................................................................................42

　　3.4.4内部腔室形状对弯曲半径的影响.........................................................................................................42

　　3.5优选的设计参数仿真分析.......................................................................................................................44

　　3.6本章小结................................................................................................................................................44

　　4软体机械手的数学建模与运动仿真...........................................................................................................47

　　4.1引言........................................................................................................................................................47

　　4.2软体机械手运动学分析............................................................................................................................47

　　4.2.1分段常曲率模型的建立.........................................................................................................................47

　　4.2.2运动学仿真分析.....................................................................................................................................52

　　4.3软体机械手动力学分析..............................................................................................................................53

　　4.3.1拉格朗日动力学模型的建立....................................................................................................................54

　　4.3.2动力学仿真分析.......................................................................................................................................55

　　4.4软体机械手数学模型的简化.....................................................................................................................59

　　4.5本章小结.........................................................................................................................................62

　　5软体机械手的制作与实验研究............................................................................................................63

　　5.1引言............................................................................................................................................63

　　5.2软体机械手手指的制作.........................................................................................................................63

　　5.2.1材料的选择....................................................................................................................................63

　　5.2.2模具的研制.....................................................................................................................................64

　　5.2.3软体机械手手指的制造........................................................................................................................66

　　5.3气动系统的搭建.....................................................................................................................................67

　　5.4软体机械手手指弯曲实验......................................................................................................................69

　　5.4.1气压与弯曲角度数学模型的验证..........................................................................................................69

　　5.4.2运动学实验...........................................................................................................................................72

　　5.5软体机械手抓取实验.................................................................................................................................74

　　5.6本章小结.....................................................................................................................................................76

　　6总结与展望.....................................................................................................................................................77

　　6.1总结..............................................................................................................................................................77

　　6.2展望............................................................................................................................................................78

　　参考文献............................................................................................................................................................79

　　作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果............................................................................................85

　　独创性声明.....................................................................................................................................................87

　　学位论文数据集.............................................................................................................................................89

　　1绪论

　　1.1研究背景

　　随着世界工业水平的快速提高和经济的迅猛发展,劳动力短缺、生产周期长和产品质量不达标等问题逐渐显露出来.而机械手能够模仿人类手部的部分动作,根据给定的程序或请求,自动地完成物体的转移或操作作业机等动作,代替人手完成一些髙危、繁重的劳动或者进行人机协作[1],目前已经成为制造生产自动化中重要的机电设备[2].

　　传统的机械手的制作材料通常选用金属材料,它是一个高度集成的智能化机电系统,具有多种的感知功能[3],且具有多种结构形式,如夹持型[4]、托持型[5]和吸附型[6]等.传统的机械手大多利用电机或液压进行驱动,具有输出载荷大、运动精确等优点[7-8].但是,由于其材料的特性,使得传统的机械手与目标物体之间通常是刚性接触,存在刚性大、自重大、难以抓取易碎物品等缺点,且控制复杂、环境适应性差,限制了其使用范围[9].

　　进入新世纪,随着髙分子材料、新型智能材料[10]、3D打印技术[11]的兴起,软体机械手己经成为近年来的热门研究话题,其概念不同于传统的刚性机器手,设计灵感通常来自自然生物,如蠕虫[12]、海星[13]和章鱼等,如图1-1所示.软体机械手大多数是由硅橡胶等软材料制成,具有结构柔软度高、环境适应性好、能承受较大应变等优势[15],在医疗康复、航空航天和深海勘探等领域有着无可比拟的优势.

　　软体机械手其自身的灵活性为适应复杂环境提供了很大便利,并且不需要非常精确的控制也可以连续地运动.其自身材料的变形可以弥补环境变化或规划错误引起的运动不到位等情况,因此具有一定的容错性,能够更好地适应未知环境[16],弥补了传统刚性机械手的不足.

　　软体机械手的设计和研宂大概可分为两大类:工业机械手和假肢类仿生机械手[17].前者主要用于生产,以提高生产效率;后者则是仿照人手形状与功能,帮助手部残缺的人们解决日常生活问题.本文研宄的软体机械手就是应用于狭窄且杂乱的物流仓库中,对目标物品进行精确、稳定的自动分拣.

　　1.2软体机械手的研究现状

　　软体机械手作为新一代操作设备,已被国内外许多学者广泛研宄,并取得了瞩目的成绩.

　　1.2.1软体机械手国外研究现状

　　哈佛大学Whitesides研宄小组通过将一系列重复的平行室和通道嵌入弹性体,研制出基于PneuNets(气动网络)的执行器[18-21].该执行器由两部分组成,可膨胀层和不可膨胀层.它不使用传感器,工作时,对内部腔室加压,腔室膨胀,但是应变限制层不膨胀,由于这种差别应变,导致执行器弯曲.可以通过其腔室的形状,尺寸和数量来调整PN的弯曲运动,如图1-2所示.

　　AdamA.Stokes等人创建了一个软硬混合的机器人[22],如图1-3所示.混合机器人在动作中由硬式机器人携带软体机器人.软体机器人部分,使用八个微型压缩机和八个阀门阵列来控制,将压缩空气引导到软体机器人中嵌入的气动网络(呼吸机网)的八个腔室中的任意一个之中.每个球网使用一个栗和一个阀门进行启动/停止.

　　Koichi Suzumori等人仅由橡胶材料制成了一种新型的游泳机器人,其内部置有两个弯曲气动执行机构,如图1-4所示[23].每个执行机构连接两根气管,用来驱动软体机器人.该软体机器人在水中可以平稳的移动,就好像海底生物一样来去自如.

　　Robert F.Shepherd幵发了一种新型褶皱的波纹管状软体执行器[24].该执行器通过褶皱和折叠褶皱进行布局,可以增加参与制动的材料的体积并且可以允许大幅度运动.同时,当执行器被锋利的物体刺穿时,可以围绕孔自发的形成软密封,使执行器可以继续正常的工作.

　　Panagiotis Polygerinos等人,为需要手部功能康复的患者,研发了一款基于气动网络(PneuNets)的弹性体材料构成的可穿戴式气动康复手套[25].它可以产生安全地符合人手指弯曲的运动,避免了昂贵的、耗时的物理治疗[26].其设计的分解图如图1-5所示.执行器沿着其长度将延伸部与应变限制层结合.当它们内部被加压时,一部分由于应变限制层没有增长,这使得执行器弯曲,甚至完全卷曲.PneuNets之间的空气流动通过位于结构中间底部的空气通道实现.

　　美国俄亥俄州立大学 Hai-jun Su等人研制了一款嵌入式形状记忆合金(SMA)驱动器和压电换能器(PZT)挠曲传感器的软体机械手.软体机械手具有高度的灵活性和适应性,不仅可以在复杂的环境中使用,还可以与人安全的交互[27].

　　Michael Wehner等人开发出一款仅由软材料组成的机器人,通过嵌入式3D打印技术,在软体机器人内部制造了气动网络."Octobot"分为八个臂,如图1-6所示[28],由燃料分解产生的气体使其流体网络膨胀,用来进行致动."Octobot"是一个最小的系统,可以作为完全柔软的机器人的基础.

　　日本学者Jun-ya Nagase等人将气动驱动和拉线驱动相结合,研制出一种变刚度的软体机械手[29],如图1-7所示.该软体机械手通过调整输入压力值来改变手指表面刚度,从而实现抓取不同的物体,尤其是抓取表面柔软的物体.

　　新加坡 YAP 等人研制出了一款软体手套[30].该软体手套通过柔性塑料片的热粘合性制造的嵌入式充气致动器为手部修复训练者提供活动手指延伸.该装置设计用来提供给手部康复的患者,在训练期间提供手指伸展和打开的辅助,同时不限制佩戴者的自然运动.

　　抓取物体是机械手的关键任务,而开发出能够抓取不同形状和表面性质的通用夹具是具有挑战性的.芝加哥大学的EricBrown等人基于颗粒材料阻塞相变的现象,设计了一种新型的通用夹持器[31],如图1-8所示.该机械手的手指被单个颗粒状材料袋代替,其工作原理为当手指按压到目标物体上时,它们包裹住物体使其符合物体的形状.在施加真空时,颗粒材料收缩并迅速硬化以夹持和保持物体.

　　人类可以较容易的拿起易碎的和形状迥异的物体,而机器人为了模仿人类手部的功能,需要许多复杂的检测并且精度要求很高,这样导致时间漫长并且价格昂贵[32].Jun Shintake,Samuel Rosset等人[33]设计了一种通过静电驱动的通用软体抓手.由于是通过静电驱动,夹持力低,允许夹持非常脆弱的物体,同时电粘附力也可以拾取平坦且可变形的物体,而传统夹具不能操作如此广泛的具有挑战性的物体.

　　康奈尔大学的有机机器人实验室,开发出一种由开孔弹性体泡沫制作成的泡沫机械手[34],其结构如图1-9所示.对于泡沫机械手,流体通道以相互连接的孔网格的形式存在,避免了复杂的制造方式.

　　纤维增强软体机械手[35-37]是由弹性体(硅胶等)和不可伸展材料(纤维等)构成的,弹性体被不可伸展的纤维等缠绕.当弹性体被加压时,由于周围有不可延伸的纤维,限制其径向膨胀,使其只能沿轴向扩张.弹性体中含有不可扩展层,导致软执行器一侧发生轴向扩张,另一侧不发生扩张,产生弯曲运动.德国的Raphael Deime[38]提出了一种高度兼容的、欠驱动的灵巧拟人手.它是由纤维增强硅橡胶制成的,使用了高度兼容的气动连续执行器的设计,称为Pneu Flext.哈佛大学的Panagiotis Polygerinos等人[36]通过实验进行了纤维增强型软体机械手在自由空间中弯曲的准静态分析和有限元方法模拟,并对其运行原理进行了全面的分析和描述.Joshua Bishop-Moser等人通过纤维增强弹性体外壳构建了蛇形软体机械手,该弹性体由两种纤维和一种附加纤维加强,然后通过改变容纳在内的流体的体积来驱动软体机械手.首尔大学的 KIM 等人用 SMA 作为驱动元件并且基于编织型智能软复合(SSC)制作出软体机械手,可抓取多种不规则物体[41].

　　随着微型传感器、电子皮肤等技术的发展,仿生软体机械手的研宄吸引了越来越多研宄者的目光.康奈尔大学的Huichan Zhao等人[42],发明了一种新型的仿生软体机械手,它可以像人手一样触摸易碎品,还能够感知其形状和质地.该软体机械手使用导光材料,内部嵌有可弯曲波导和可携带光波的导管,通过3D打印和四步软光刻技术制造,使其更接近人手,并且由于软体机械手依靠光信号,可以使用更加便宜的材料制作,使软体机械手的价格更加便宜.RateniG等人[43],提出了一种完全由弹性材料制成的新型软体机械手,用于微创手术.由于是由软材料制造而成的,不需要使用复杂的力反馈控制,最大程度的避免可能的损伤.A Diodato等人通过将软体机器人与传统的刚性工具协同使用,提高了机器人系统的功能,并且不会影响机器人平台的可用性.

　　1.2.2 软体机械手国内研究现状

　　在国内,北京航空航天大学文力等[45]设计了一个四指柔软的机器人抓手,具有可调的有效手指长度.通过选择性的放置腱,可以调节软体手指的有效长度,使其可以抓取不同尺寸的物体,提高了软体抓手的性能.该机器人仅需要简单的气动控制,以无限自由度逼近生物手指.

　　王辉等人借鉴软体生物的静水骨骼结构,以气体为压力介质,提出了一种完全采用柔性材料和结构的软体机械手模型.该软体机械手的单个手指由五个部件组成,如图1-10所示.在封闭空腔的底层附加一层膨胀系数较小的压力限制层,当密闭腔室的内部压力升高时,轴线两侧的膨胀产生差异形变,使手指产生弯曲,其最大位移可达100mm[46].

　　郑俊君等人[47]在研宄海参静水骨骼基础上,设计了气动静压软体机器人气囊相变结构,并提出了单单元与双单元的控制模式,实现了软体机器人在平坦、大阻力或者凹凸不平的环境中的最佳控制.

　　南京理工大学徐淼鑫等[48]通过借鉴软体生物的结构特征,设计了一种三触手柔性夹爪,通过气囊和手指变形的共同作用,完成抓取动作.工作时,压缩气体率先通入气囊内部,导致气囊膨胀变形,并驱动侧面支架发生位移;当指尖靠近目标物体时,将压缩气体再通入手指内部,使手指弯曲变形,完成最终的抓取,其结构如图1-11所示.

　　中国科技大学的Hao Jiang等[49]人设计的蜂窝气动网络(HPN)软体机械手.蜂窝气动网络(HPN)[5?521是将压缩蜂窝结构和气动网络结合在一起.蜂窝气动网络(HPN)结构具有六角形腔室,一个平面内有两列蜂窝气动网单元,每个单元有两个安全气囊,当一侧的气囊膨胀时,该侧面伸长,而另一侧由于结构的弹性,表现出较小的变形,因此蜂窝气动网络(HPN)软体机械手发生弯曲.其具备压缩蜂窝结构和气动网络的优点,具有良好的灵活性和承载能力,如图1-12所示.

　　香港大学的Yang Y等人[53]通过为气动软体机械手增加由四个聚乳酸(Polylacticacid,PLA)链段与三个开多状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,SMP)关节组成的基底,在每个SMP接头中都有一个集中的加热元件,当SMP接头被加热到玻璃化转变温度(Tg)以上时,它们显示出非常小的刚度,此时上部的弹性部分充入气体,则手指在SMP接头处很容易地发生弯曲.当软体机械手没有力时,SMP中的形状恢复应力使手指恢复原状,增加了软体机械手刚度的可控性和弯曲位置的可控性,结构如图1-13所示.

　　香港大学的 Yingtian Li 等人,将粒子干扰与 Pneuflex 气动弯曲执行器结合,软气动执行器膨胀,使手指弯曲,对粒子层施加压力,使内部颗粒堵塞,从而增加手指刚度,原理如图1-4所示[54].但是其弯曲运动的范围是有限的,并且由于颗粒的流动性会使夹具刚度的稳定性受到影响.

　　1.3软材料与制造技术的研究现状

　　1.3.1软材料的研究现状

　　顾名思义软体机械手,通常是由硅橡胶[55-56]、凝胶[57]、软聚合物[58]等易变形、高弹性的软体材料构成.弹性模量是对材料刚度的一个衡量标准,大多数传统机器人是由金属和硬塑料等材料组成,其模量大于109Pa.相比之下,自然生物中的大多数材料,如皮肤和肌肉组织,其模量大约为l02-l06Pa.也就是说,自然生物中的材料比大多数传统机器人的材料硬度低3-10个数量级[59].

　　软材料的柔顺性使软体机械手在执行抓取任务时,不会损坏物体或留下痕迹,为易碎品的抓取和人的安全交互提供了很大便利.虽然,软材料存在这些优点,但是其非线性响应、疲劳强度和制造方式等方面仍存在很大挑战.为了推进软体机械手领域的发展,应着重开发集传感、驱动和通信等于一体的智能软材料或强度更高、质量更轻的新型材料.

　　1.3.2 软材料制造技术的研究现状

　　利用软材料的柔顺性和灵活性,可以制造出控制简单、高度自适应,并且能与人类和环境安全交互的软体机械手[60].同时,为了达到商业化,软体机械手的制造必须是廉价的并且能够大量的生产.与传统机械手使用螺栓螺母等刚性部件连接不同,软体机械手材料之间的结合更多的是通过铸造、层压或使用粘合剂等方式.这就使得我们必须去开发新的材料和研究新的制造技术.

　　(1)失错铸造(Lost-wax casting)

　　软材料的失蜡铸造是制造软体机器人最简单、最常用的方法之一[62].使用这种方法可以加工复杂的腔室,并且由于可扩展层和不可扩展层是一个整体,避免了粘结不同材料、不同部分不可靠等问题,可以提高机器人的强度.同时,由于制造周期短,可以降低软体机器人的制造成本.

　　(2)软光刻技术(Soft Lithography)

　　软光刻技术最早是哈佛大学的Whitesides研宄小组在1993年发现的一种新形式的微图形复制技术它具有方便有效、成本低廉等特点.软光刻技术的关键主要有弹性模、微印刷技术和溶剂辅助成膜等[64],广泛应用于材料科学、传感器、MEMS、微电子以及生物技术领域.哈佛大学Shepherd等人发明的以爆炸的方式驱动的软体机器人,就是使用的这种软光刻技术.

　　(3)形状沉积制造(Shape Deposition Manufacturing,SDM)

　　形状沉积制造起初是用于金属材料的快速成型,现在广泛应用于软体机器人的生产制造.它是一种结合材料沉积和机械加工的过程,是一种分层制造技术,因此在制造过程中可以嵌入传感器和电路等各种部件[66].这就使得许多不能够单独使用材料添加或材料去除工艺的复杂的新型结构,可以使用形状沉积制造来完成[67].

　　(4)3D打印(3Dprinting)

　　3D打印的本质是增材制造技术[68].与传统的加工技术相比,3D打印可以很快的成型、自定义设计以及实现复杂结构,使得制造过程更快、更便宜、更简单[69].3D打印技术还可以将所有执行器组件结合到单一结构中,且无需使用外部接头、粘合剂和紧固件等[70],后处理步骤和制造时间大大减少,因此软体机器人的制造成本可以与传统机器人竞争.王辉等人提出的软体手指模型,就是利用了3D打印技术.

　　1.4 本文研究的难点与意义

　　机械手作为机器人的关键部件,承担着与目标物体直接接触并作业的作用[72].然而,传统的刚性机械手虽然具备控制精确和载荷大等优势,但是其运动形式单一、容易损坏被抓持物体表面、适应性差.软体机械手的出现弥补了刚性机械手的部分不足,其大多使用能够承受较大应力应变的柔软的硅橡胶等材料制成,具有良好的灵活性和交互性[73].

　　目前,大多软体机械手的研宄基于气动网络的驱动方式,其能够以很小的气压产生较大的变形,响应速度快,但是也存在一些不足.常见的由气动网络构成的软体机械手,结构简单,只能进行单向弯曲,对抓取物体的大小,有很大的限制作用.因此,改变气动网络的形状,扩大软体机械手的抓取范围,有着重要意义.

　　同时,由于软体机械手的柔性,使得其通常需要支撑组件,而导致整体过于庞大,无法在密集环境中对物体进行准确的抓取.在许多情况下,末端采用真空吸盘从复杂环境中准确吸取物体.但是,吸盘吸力可能不足以稳定的将目标物体运送到指定位置.

　　本研究的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足,提出了一种新型的气动软体机械手,通过将传统的吸盘和新兴的软体机械手相结合,能够在密集环境中,精确吸取并抓持目标物体,提高现有软体机械手的稳定性、适应性和扩大抓取范围.

　　1.5本文主要内容

　　本文研制了一种新型的气动软体机械手,并对其抓取性能进行实验探宄.建立软体机械手的数学模型和有限元仿真模型,对影响软体机械手弯曲性能的因素进行分析.搭建气动系统和实验平台,完成软体机械手的样机制造.

　　本文的主要研宄内容分为以下几个方面:

　　(1)在弹性材料与软体机器人制造技术的理论基础上,设计了一种新型的气动软体机械手,该机械手由位于中央的真空吸附系统和沿周向均匀分布的气动软体手指构成.软体手指部分以气动网络构型为基础,将内部腔室设计为六边形,可以使软体手指实现双向弯曲.总体结构采用创新型的结构,由9个带有气腔的驱动节和1个起到定位作用的实心节构成.

　　(2)通过ABAQUS建立了软体机械手的有限元仿真模型,并通过二阶超弹性材料的Yeoh模型描述其非线性特性.确定了壁厚I手指宽度PT和两外壁之间距离d这三个设计因子对软体机械手弯曲性能影响的显著性.然后,通过有限元分析法,分析了三者对软体手指弯曲半径的影响程度.最终,选择一组较优的设计参数,以制备软体机械手.

　　(3)依据分段常曲率理论,对软体机械手进行了运动学建模.在拉格朗日力学的基础上,分析了软体机械手的动能、弹性势能等,获得了软体机械手的动力学方程.最终,提出了一个简化的数学模型,可以描述软体机械手输入气压和弯曲角度之间的关系,并能够得到输入气压与指尖位移的关系.对其进行仿真分析,证实可以通过对输入气压的控制,来控制软体机械手的位姿.

　　(4)完成了软体机械手浇铸所需模具的制作,采用Ecofkx 0030硅胶对软体手指进行浇铸.将加工完成后的各部分零件进行装配,最终完成了整个软体机械手的样机制造.并且,利用气泵、真空发生器等气动元件,组建了软体机械手的气动回路.搭建了软体机械手实验平台,通过实验验证输入气压和弯曲角度的数学模型的正确性.

　　(5)最后,对软体机械手进行大量的抓取实验,通过实验验证软体机械手可以在密集且狭窄的空间内进行准确且稳定的抓取,证实了本文设计是有效的.

　　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　6总结与展望

　　6.1总结

　　由软材料制作的软体机械手,凭借其灵活性和安全性,在医疗、野外勘探、人机协作等领域得到了广泛应用.同时,软体机械手是一个包含材料、机械、传感器和其他多学科的新兴领域,需要进一步的探索.本文设计制造了-款新型的软体机械手,其主要应用于在仓库中进行物品分拣,并对其进行理论建模和有限元仿真.全文的主要工作和研究成果如下:

　　(1)本文研制了一种新型的气动软体机械手,其由位于中央的真空吸附系统和沿周向均匀分布的气动软指构成.对安装角度φ,安装距离a和软体手指长度l等进行计算,完成软体机械手整体结构的设计.并且,对真空吸附部分进行了选型计算.

　　(2)对软体机械手手指部分进行设计,通过对比软体手指的四种典型的驱动方式,最终确定以气动驱动的方式为基础,基于快速气动网络对软体手指进行设计的方案.提出创新性的六边形结构作为其内部腔室形状,内部腔室存在一定的角度,可以使软体手指实现双向弯曲.通过计算得到软体手指内部腔室顶角0为30°时,弯曲性能最佳.

　　(3)建立了软体机械手的有限元仿真模型,并通过二阶超弹性材料的Yeoh模型,分析了硅胶材料的特性.对影响软体机械手手指弯曲特性的显著设计因子进行分析,得出内部腔室顶角的存在有利于软体手指弯曲,且内部腔室顶角越小,弯曲性能越好;壁厚抑制了弯曲半径;软体手指宽度越大,弯曲半径越小,弯曲效果越好;两外壁之间距离越小,越有利于弯曲.

　　(4)依据分段常曲率理论,对软体手指进行运动学建模.在拉格朗日力学的基础上,分析了软体手指的动能,弹性势能等,得到软体手指的动力学方程.并推导了一个简化的数学模型,可以描述软体手指输入气压和弯曲角度之间的关系,并能够因此得到输入气压与指尖位移的关系.

　　(5)利用3D打印技术完成了软体机械手手指浇铸所需模具的设计与制作,并对其进行了优化改进.采用Ecoflex 0030硅胶对软体手指进行浇铸,最终完成了整个软体机械手的样机制造.并且,根据软体机械手的动作要求,建立了气动系统.并搭建了运动测试实验平台,对软体手指运动轨迹进行捕捉,研究软体手指的运动规律,并与模型结果进行比较.最后,经过大量的抓取实验,测试了软体机械手样机的抓取性能.结果表明,利用该软体机械手可以在狭窄且密集的地方,进行可靠的抓取.

　　6.2展望

　　本文设计制作的软体机械手具有较好的适应性,可以对一般常见的物体进行抓取,基本达到了设计目标,为后续的研宄打下了基础.但其仍存在一些问题,为了达到最终的产品商业化,还需对软体机械手进行以下方面的研究:

　　(1)虽然气动驱动具有价格低廉、使用清洁等特点,但由于采用外部气动元件进行供气,所需空间较大,仍有很多限制.在今后的研宄中,可以考虑内置气源进行驱动;

　　(2)本文对软体机械手手指的制作采用了铸造的方式,耗费的时间较长,且在浇铸过程中容易出现内部存有气泡的现象影响实验结果.之后可以考虑利用3D打印软材料的方式对软体手指进行制作;

　　(3)软材料的使用,限制了其抓取力,可以考虑使用不同材料对其制备或将软材料与层干扰、粒子干扰等结合,增大负载.

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