自適應(yīng)被抓取目標(biāo)形狀的柔性指端夾持器設(shè)計(jì)

胡禎 劉吉成

摘要：研制了一種基于顆粒材料和氣動(dòng)真空原理的柔性指端夾持器。該夾持器采用彈性膜包裹顆粒材料的方式形成柔性指端，并配以氣動(dòng)裝置，對(duì)于任何外形復(fù)雜的目標(biāo)抓取對(duì)象，柔性指端夾持器無(wú)需識(shí)別物體外形，能夠自適應(yīng)改變指端形狀，包裹住目標(biāo)對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)完全貼合、非剛性接觸抓取目標(biāo)。為了驗(yàn)證柔性指端夾持器的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該柔性指端夾持器的抓取速度、抓取成功率和穩(wěn)定性等均能滿足使用需求。

關(guān)鍵詞：柔性指端夾持器;顆粒材料;自適應(yīng)構(gòu)件外形;非剛性接觸

0 引言

本文針對(duì)夾持器在抓取光學(xué)器件、芯片及外形尺寸復(fù)雜多變的構(gòu)件時(shí)，需要夾持器具備自適應(yīng)被抓取目標(biāo)的外形尺寸，且非剛性接觸的功能，提出了一種基于顆粒材料和氣動(dòng)真空原理的柔性指端夾持器，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該夾持器應(yīng)用的可行性以及柔性指端夾持器樣機(jī)的工作性能。

1 柔性指端夾持器工作原理

機(jī)械手要穩(wěn)定地抓取目標(biāo)物體，必須滿足抵消物體的重力、物體在手爪內(nèi)不松動(dòng)兩個(gè)基本條件。本文所提出的柔性指端夾持器與被抓取目標(biāo)間采用摩擦點(diǎn)接觸，即力封閉，夾持器與目標(biāo)物體之間的接觸力并沒(méi)有豎直向上的分力，即接觸力無(wú)法與目標(biāo)物體的重力進(jìn)行平衡，因此二者接觸時(shí)必然有摩擦力的存在，從而使目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持不變，達(dá)到抓取目的。顆粒材料被包裹在柔性膜中，柔性指端設(shè)計(jì)為球形，能更好地貼合目標(biāo)物體，可以自適應(yīng)被抓取目標(biāo)的結(jié)構(gòu)外形。顆粒材料之間會(huì)相互擠壓，加上外部的膜具有很好的延展性與可塑性，因此柔性指端在接觸目標(biāo)物體的時(shí)候能改變自身形狀，與目標(biāo)物體有較大的表面接觸面積，更有效地實(shí)現(xiàn)表面貼合。

針對(duì)較大平板類(lèi)目標(biāo)物體的抓取問(wèn)題，為了形成有效的正壓力，夾持器可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物抓?。?/p>

（1）增大柔性指端的尺寸，使其完全覆蓋被抓取目標(biāo)物體;

（2）將柔性指端的尺寸減小，采用多個(gè)柔性指端協(xié)同抓取的方式，使柔性指端與抓取目標(biāo)結(jié)構(gòu)外形自適應(yīng)匹配，從而產(chǎn)生有效的抓取力。

2 柔性指端夾持器結(jié)構(gòu)

2.1? ? 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單體柔性指端夾持器主要由3部分組成，分別是基體、表面限制架和柔性組合體，如圖1所示?；w內(nèi)部中空形成一個(gè)氣室，目的是使形成真空的過(guò)程有一個(gè)緩沖，不會(huì)損壞柔性組合體;表面限制架是為了限制柔性組合體的空間位移，使后者在一定范圍內(nèi)發(fā)生形變，防止其因不可抗力而破損，同時(shí)也能使其更好地貼合目標(biāo)抓取物;柔性組合體由顆粒材料和彈性膜組成，彈性膜將顆粒材料包裹在內(nèi)，形成一個(gè)球狀物，更有利于抓取。

結(jié)合圖1所示的單體柔性指端夾持器結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)不同尺寸及外形結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的被抓取目標(biāo)，確保抓取的穩(wěn)定性，本文提出了柔性指端多指夾持器設(shè)計(jì)方案，夾持器主要采用滑槽杠桿式手部機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2中，將拉桿1向上提拉時(shí)，圓柱銷(xiāo)2可以在手指3的滑槽中移動(dòng)，帶動(dòng)手指3繞O1、O2回轉(zhuǎn)支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使工件4被夾緊。當(dāng)拉桿1向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，工件被松開(kāi)。

這種機(jī)構(gòu)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈活、手指張開(kāi)角度大等特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)械手中的應(yīng)用較為廣泛。驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式：

式中：P為正壓力;a為O1到中心的水平距離;b為O1到抓取中心的距離;α為夾角;F為垂直力。

滑槽杠桿式手部機(jī)構(gòu)使多個(gè)柔性指端相互聚攏，從而在接觸表面產(chǎn)生垂直于重力方向的正壓力。

2.2? ? 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

本文所使用的氣源為空氣壓縮機(jī)，能輸出壓縮空氣，但無(wú)法產(chǎn)生負(fù)壓。因此，氣路設(shè)計(jì)著眼于將正壓變成負(fù)壓。由流體力學(xué)可知，根據(jù)不可壓縮氣體的連續(xù)性方程可得：

式中：A1、A2為管道的截面面積（m2）;v1、v2為氣流流速（m/s）。

由式（2）可知，截面面積增大，流速減小;截面面積減小，流速增大。對(duì)于水平管路，不可壓縮空氣的伯努里理想能量方程：

式中：P1、P2分別為截面A1、A2處的相應(yīng)壓力（Pa）;v1、v2分別為截面A1、A2處的相應(yīng)流速（m/s）;ρ為空氣密度（kg/m3）。

由式（2）、式（3）可知，流速增大，壓力降低。真空發(fā)生器的工作原理與文丘里管相同，是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動(dòng)狀態(tài)，在卷吸作用下，使得噴管出口周?chē)目諝獠粩啾怀槲?，使吸附腔?nèi)的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.1? ? 柔性指端夾持器填充物及壓強(qiáng)選擇實(shí)驗(yàn)

本文針對(duì)單體夾持器進(jìn)行填充物選擇實(shí)驗(yàn)，柔性膜形成直徑50 mm的球體。顆粒材料直接影響機(jī)械手的抓取能力，顆粒物太小，顆粒間的空隙就會(huì)變小，抽真空時(shí)，整個(gè)球狀物的體積變化不大，收緊程度不明顯，產(chǎn)生的正壓力較小，最大靜摩擦力也隨之變小，抓取效果不佳;顆粒物太大，顆粒間的空隙相對(duì)較大，柔性指端在貼合目標(biāo)物體時(shí)可能會(huì)無(wú)法很好地覆蓋目標(biāo)物體，接觸面積大大減小，貼合性就相對(duì)較差，這也會(huì)影響柔性指端的抓取能力。實(shí)驗(yàn)選取30目、60目、120目、220目4種顆粒大小的玻璃微珠，玻璃微珠質(zhì)硬、耐磨性好，不會(huì)隨實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行而細(xì)化，以抓取水筆作為目標(biāo)，測(cè)試顆粒效果。

筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，顆粒尺寸與抓取時(shí)間之間總體成線性關(guān)系，顆粒越大，抓取時(shí)間越短。30目顆粒的抓取過(guò)程最迅速，只需0.3 s;60目顆粒的平均用時(shí)為1.04 s，可得出結(jié)論：尺寸大于60目的顆粒材料都能實(shí)現(xiàn)快速抓取目標(biāo)（此處不討論顆粒過(guò)大產(chǎn)生的負(fù)面影響，如貼合性差、覆蓋度低等）。

本文還討論了氣體壓強(qiáng)對(duì)抓取速度的影響。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)采用抓取效果最好的30目的玻璃微珠，在0.1～0.6 MPa內(nèi)對(duì)相同目標(biāo)物體（螺絲刀）進(jìn)行抓取測(cè)試，每個(gè)壓強(qiáng)數(shù)值下進(jìn)行10次測(cè)試，取平均值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，在壓強(qiáng)小于0.2 MPa范圍內(nèi)，抓取時(shí)間與壓強(qiáng)總體成線性關(guān)系，且抓取時(shí)間隨壓強(qiáng)增大而減小，0.1 MPa用時(shí)15.24 s，而0.2 MPa用時(shí)只需1.02 s，降幅明顯;在壓強(qiáng)大于0.2 MPa范圍內(nèi)，抓取時(shí)間幾乎不隨壓強(qiáng)變化而變化，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下無(wú)法分辨其差別，0.3 MPa時(shí)的抓取速度已經(jīng)達(dá)到0.52 s，完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

3.2? ? 柔性指端多指夾持器實(shí)驗(yàn)

在上述實(shí)驗(yàn)中，本文對(duì)填充物和氣體壓強(qiáng)進(jìn)行了討論，得到了裝置設(shè)計(jì)的合理值。為了驗(yàn)證柔性多指夾持器的工作性能，本文以大尺寸平板抓取為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用自行設(shè)計(jì)的柔性指端多指夾持器進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾持器，使手指夾緊，對(duì)柔性指端進(jìn)行真空處理，使其產(chǎn)生垂直于重力方向的有效正壓力，進(jìn)而抓取平板類(lèi)物體。此次實(shí)驗(yàn)測(cè)試了10次，都取得了成功。在抓取平板之后，還可以對(duì)平板進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、搖晃等操作，平板與柔性指端貼合度好。相比于使用吸盤(pán)吸附平板，夾持器抓取平板減少了建立真空的時(shí)間，減小了吸盤(pán)吸附的結(jié)構(gòu)尺寸，無(wú)需考慮貼合性問(wèn)題。采用柔性指端與滑槽杠桿式手部機(jī)構(gòu)結(jié)合的方式進(jìn)行目標(biāo)物抓取，能完美抓取包括長(zhǎng)條形、球形及不規(guī)則外形的目標(biāo)物體。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于顆粒材料和氣動(dòng)真空原理，設(shè)計(jì)了柔性指單體與多指端夾持器結(jié)構(gòu)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該夾持器的工作性能。該夾持器能自適應(yīng)各種不同結(jié)構(gòu)、易碎及不可直接進(jìn)行剛性接觸的抓取目標(biāo)，無(wú)需識(shí)別物體外形就能直接抓取，操作簡(jiǎn)單、高效。

實(shí)驗(yàn)表明，在填充物方面，建議采用尺寸為30～60目的顆粒材料，氣源輸出的氣體壓強(qiáng)控制在0.3 MPa以上，以產(chǎn)生相應(yīng)的負(fù)壓，保證較高的抓取速度、抓取成功率和穩(wěn)定性。

柔性指端夾持器樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，此夾持器對(duì)長(zhǎng)條形物體、杯狀物、平板類(lèi)物體等復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的物體展現(xiàn)出了極好的抓取性能，在貼合程度、抓取速度、抓取穩(wěn)定性等方面都體現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉培炎，吳松，付榮華，等.柔性機(jī)械手抓取能力影響因素的研究[J].機(jī)械制造，2017（2）：6-9.

收稿日期：2020-08-04

作者簡(jiǎn)介：胡禎（1978—），男，上海人，工程師，研究方向：機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、幾何量計(jì)量校準(zhǔn)及檢測(cè)方法。