一種柔性恒力變胞機(jī)械手設(shè)計(jì)

吳明

摘 要：柔性機(jī)構(gòu)在彈性變形的過(guò)程中往往伴隨著能量的儲(chǔ)存與釋放，若儲(chǔ)存與釋放的能量較為接近時(shí)即可達(dá)到恒力的效果。變胞機(jī)構(gòu)可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成部分構(gòu)件的合并與分離動(dòng)作，同時(shí)改變機(jī)構(gòu)中有效構(gòu)件數(shù)或自由度數(shù)量并形成新構(gòu)型機(jī)構(gòu)。本文在柔性變胞原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種恒力機(jī)械手，介紹了該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并實(shí)施了恒力運(yùn)動(dòng)分析。這種柔性變胞恒力機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)較好的自適應(yīng)性，可以用在芯片、玻璃等易碎產(chǎn)品的夾取，具有廣闊的市場(chǎng)空間。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;柔性變胞;恒力;運(yùn)動(dòng)分析

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步始終是人類(lèi)社會(huì)繼續(xù)發(fā)展的原動(dòng)力，其中精密工程、機(jī)器人產(chǎn)業(yè)、生物工程產(chǎn)業(yè)以及材料學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用就離不開(kāi)柔性機(jī)構(gòu)的支持。目前，已經(jīng)在柔性機(jī)構(gòu)的研究中取得不錯(cuò)成績(jī)的知名學(xué)府包括南洋理工大學(xué)、日本大阪大學(xué)、馬來(lái)西亞大學(xué)以及首爾大學(xué)等，為柔性機(jī)構(gòu)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。1998年美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)第一次提出了變胞機(jī)構(gòu)的概念，其中變胞機(jī)構(gòu)能夠在瞬間內(nèi)完成機(jī)構(gòu)自由度的變換并實(shí)現(xiàn)奇異變形的特點(diǎn)得到了業(yè)界的極大興趣。在當(dāng)前的高新科技中，芯片、玻璃以及其他一些易碎物品的夾持始終是一大難題，以往往往是在薄壁易碎類(lèi)產(chǎn)品的夾持方案中引入力反饋傳感器，以達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)整夾持力的效果。通過(guò)柔性變胞機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)用以及其與機(jī)械手的設(shè)計(jì)相結(jié)合，能夠擺脫力反饋傳感器的限制，在實(shí)現(xiàn)恒力柔性?shī)A持的前提下實(shí)現(xiàn)較高的可靠性，并有效降低成本。

由于柔性恒力機(jī)構(gòu)能夠保證在工作過(guò)程中消除輸入力大小波動(dòng)的影響，保持機(jī)械手輸出力始終保持穩(wěn)定，因而可以保證在夾持薄壁、易碎類(lèi)產(chǎn)品的時(shí)候不會(huì)造成產(chǎn)品的損壞。例如，使用柔性恒力變胞機(jī)械手用于生物工程領(lǐng)域研究中的細(xì)胞、植物纖維以及動(dòng)物卵等薄壁物的夾取，可以實(shí)現(xiàn)較高的夾取可靠性;在精密工程領(lǐng)域中可以使用柔性恒力變胞機(jī)械手夾持芯片等精密元器件進(jìn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)與終端裝配。

1 柔性恒力變胞機(jī)械手設(shè)計(jì)概述

1.1 柔性恒力變胞機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析

燈泡是一種典型且常見(jiàn)的薄壁易碎類(lèi)物品，如下圖1所示為柔性恒力變胞機(jī)械手夾持燈泡的三個(gè)過(guò)程，其中A、B、C、D皆為轉(zhuǎn)動(dòng)副，桿件1和2連接處設(shè)置了扭簧。

如上圖1（a）所示，滑塊4向上移動(dòng)時(shí)桿件1和2之間的轉(zhuǎn)動(dòng)分離力矩小于桿件1與桿件2連接處的扭簧力或者等于0。將桿件1與桿件2看成是一個(gè)整體，其中活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=3，低副數(shù) Pl=4，高副數(shù)ph=0，可求得機(jī)構(gòu)自由度F：

圖1所示的結(jié)構(gòu)中只有1個(gè)原動(dòng)件，自由度F也等于1，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向向上。當(dāng)構(gòu)件1接觸需要夾取的產(chǎn)品時(shí)，構(gòu)件1與構(gòu)件2之間的轉(zhuǎn)動(dòng)分離力矩會(huì)超過(guò)扭簧的閉合力，該機(jī)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)變胞運(yùn)動(dòng)。由桿件1與桿件2都從1個(gè)構(gòu)件變成2個(gè)構(gòu)件，整體構(gòu)件的數(shù)量就從3個(gè)變成4個(gè)，如上圖1（b）所示。由于桿件1接觸燈泡時(shí)不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而可以作為固定端，隨著滑塊4的向上移動(dòng)，桿件2會(huì)圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)副B為中心開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，如上圖1（c）所示。最終，該柔性變胞機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件數(shù)、低副數(shù)以及高副數(shù)與自由度均未發(fā)生改變，即n=3，低副數(shù)pl=4，高副數(shù)ph=0，機(jī)構(gòu)自由度，

該機(jī)構(gòu)中仍只有一個(gè)原動(dòng)件，原動(dòng)件數(shù)與機(jī)構(gòu)自由度數(shù)相等，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橄蛏稀?/p>

1.2 柔性變胞恒力機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析

柔性變胞恒力機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2（a）所示，其中桿件4、5、6皆為連架桿，分別當(dāng)成1個(gè)構(gòu)件來(lái)處理，此三個(gè)構(gòu)件相互成120°夾角，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)連接。為了適應(yīng)多種規(guī)格大小的燈泡，設(shè)計(jì)了螺紋桿結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)械手的開(kāi)口大小。使用該柔性變胞恒力機(jī)械手拆卸燈泡時(shí)，操作人員手持機(jī)構(gòu)的手柄，當(dāng)機(jī)械手與燈泡之間的距離較近時(shí)，開(kāi)始向右旋轉(zhuǎn)螺母，圖2（a）中構(gòu)件6與燈泡的玻璃罩接觸，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)螺母時(shí)會(huì)導(dǎo)致扭簧閉合力小于構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)分離力矩，機(jī)構(gòu)隨即開(kāi)始變胞，圖中構(gòu)件5驅(qū)動(dòng)機(jī)械手加緊燈泡玻璃罩。由于在一定的條件下可以認(rèn)為柔性機(jī)構(gòu)在變形過(guò)程中儲(chǔ)存和釋放的能量近似相等，可以認(rèn)為該機(jī)械手裝置夾緊燈泡過(guò)程中保持恒力。

2 柔性變胞恒力機(jī)械手恒力運(yùn)動(dòng)分析

如下圖3所示，仍以?shī)A持燈泡玻璃罩為例，將短臂柔性鉸鏈視為轉(zhuǎn)動(dòng)副，則自由度F

圖3所示機(jī)構(gòu)自由度數(shù)為1，運(yùn)動(dòng)方向確定，k1、k2、k3、k4都表示鉸鏈剛度，a、b、 c、d分別表示四個(gè)桿件的長(zhǎng)度。夾持過(guò)程中e，f與燈泡玻璃罩不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，將二者作為整體桿件c處理。

取F輸出/Fmax輸出為目標(biāo)函數(shù)，使用Matlab軟件進(jìn)行函數(shù)優(yōu)化，當(dāng)該目標(biāo)函數(shù)的比值等于1時(shí)說(shuō)明機(jī)械手函數(shù)效果最好。使用Matlab軟件進(jìn)行優(yōu)化后的目標(biāo)函數(shù)比例如下表1所示，與之相對(duì)應(yīng)的恒力特性圖。

3 結(jié)論

綜上所述，機(jī)械手在現(xiàn)代工業(yè)中具有極其重要的應(yīng)用，傳統(tǒng)機(jī)械手為了實(shí)現(xiàn)相對(duì)恒定的輸出力往往需要引入較多的反饋傳感器，不僅增加了成本，還使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，可靠性不高。柔性恒力變胞機(jī)械手則可以很好的解決夾持過(guò)程中力穩(wěn)定性的問(wèn)題，在當(dāng)前以及未來(lái)都有著極其重要的應(yīng)用市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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