基于鰭形效應(yīng)的一種自適應(yīng)機(jī)械手爪設(shè)計

楊 濤，許 展，季宇辰，王哲哲

（1.南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院，江蘇南京210016；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

0 引言

我國作為農(nóng)業(yè)大國，瓜果蔬菜以及禽蛋的產(chǎn)量在日漸提高，對于此類農(nóng)副產(chǎn)品的采摘、挑選等工作采用手工操作已經(jīng)完全不能滿足生產(chǎn)需求。不僅僅是針對農(nóng)夫產(chǎn)品，在一些工廠或者食品加工廠，比如抓取衣物、皮包、零食等產(chǎn)品時，頻繁地采用人工勞動力不僅可能會污染產(chǎn)品，同時也會提高生產(chǎn)成本。因此，那些更加高效且不易損壞產(chǎn)品的柔性機(jī)械爪［1］的研究逐漸成為熱點。它們大多使用了變形特性優(yōu)良的柔性材料或者多關(guān)節(jié)手指結(jié)構(gòu)［2-3］，采用氣動［4-5］或者繩驅(qū)動［6-8］的方式進(jìn)行手指的柔性穩(wěn)定控制，以達(dá)到減小應(yīng)力保護(hù)抓取對象的目的。比較有名的有Robotiq公司的平夾自適應(yīng)手［9］，英國帝國理工大學(xué)Scott團(tuán)隊研發(fā)的Omnigripper［10］，江南大學(xué)張秋菊等提出一種柔性腕手［11］。但是，這些柔性手爪的抓取對象大多局限于形狀較為規(guī)則的物體，對于長徑比較大、表面斜度較大的物體，缺少合適的解決方案。

本文設(shè)計了一款新型柔性機(jī)械手爪，根據(jù)抓取對象的形狀尺寸，通過各種傳動模塊自動調(diào)節(jié)手指位置和間距、改變手指扭轉(zhuǎn)角度，使手指在合適的位置實現(xiàn)對象的抓取。同時，手指使用了柔性材料，通過仿生學(xué)的“鰭形效應(yīng)”可以很好地貼合抓取對象表面，從而實現(xiàn)穩(wěn)定安全地抓取對象。手爪外部的機(jī)械接口，能夠與多種機(jī)械臂適配連接，有廣泛的適用范圍。

1 功能設(shè)計

抓取對象：家庭常見果蔬，以及尺寸相近的家用物品，對于形狀尺寸變化大的物體具有很好的抓取效果，以抓取蘋果和茄子為例，如圖1所示。抓取范圍：尺寸為40～120 mm的物體，接觸點表面斜度相對手指小于40°。模塊化結(jié)構(gòu)：獨立設(shè)計的機(jī)械手爪，可以適配不同規(guī)格的機(jī)械臂。

圖1 功能設(shè)計

2 基于鰭形效應(yīng)的手指設(shè)計

2.1 鰭形效應(yīng)

“鰭形效應(yīng)”由生物學(xué)家Leif Kniese在捕魚時發(fā)現(xiàn)，魚鰭由兩個“V”形骨頭和其間的結(jié)締組織構(gòu)成；如圖2所示，拉動“V”形骨頭的一側(cè)會導(dǎo)致魚鰭的變形，使根處和尖端朝施加的載荷方向發(fā)生彎曲。鰭形結(jié)構(gòu)在貼近物體時會發(fā)生變形以適應(yīng)物體的表面。

圖2 鰭形效應(yīng)

2.2 手指設(shè)計

基于魚鰭的仿生學(xué)原理結(jié)合以有限元分析，設(shè)計出一款既能夠穩(wěn)定抓取大物體又可以安全地抓取小物件的手指結(jié)構(gòu)如圖3所示，并且在受載的情況下產(chǎn)生自適應(yīng)變形，如圖4所示。

圖3 手指結(jié)構(gòu)

圖4 手指受力變形

3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

手爪的外形呈現(xiàn)圓柱狀，中空殼體內(nèi)安裝有驅(qū)動系統(tǒng)以及大部分的傳動機(jī)構(gòu)，手爪前側(cè)安裝有4個手指，以及供手爪移動的導(dǎo)軌。通過齒輪齒條、絲桿螺母、虎克鉸等多種運動機(jī)構(gòu)，以及渦卷扭簧、套索等柔性結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，實現(xiàn)了對尺寸形狀差異較大的物體的柔性抓取。手爪整體采用模塊化設(shè)計如圖5所示，本文著重于機(jī)械設(shè)計部分。機(jī)械手爪整體設(shè)計如圖6所示。

圖5 機(jī)械手爪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖6 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)

3.1 橫向移動模塊

該機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條控制手指的橫向移動（見表1），步進(jìn)電機(jī)通過減速器控制齒輪旋轉(zhuǎn)，如圖7所示。由于齒條與滑塊固連，使得兩側(cè)滑塊沿著固連于殼體的導(dǎo)軌橫向移動，繼而帶動手指移動，如圖8所示。當(dāng)手指運動到預(yù)定位置時，電機(jī)停止工作，制動器通電鎖緊傳動軸，齒輪齒條以及滑塊保持靜止，從而保證手爪能夠牢固地夾持物體。

表1 齒輪齒條副設(shè)計數(shù)據(jù)

圖7 齒輪齒條結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系

圖8 固定導(dǎo)軌與滑塊導(dǎo)軌的工程圖

沿著導(dǎo)軌做橫向移動的滑塊，具有不對稱的空心結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)安裝有渦卷扭簧（用于手指支架的隨型轉(zhuǎn)動）、配合軸套（鎖止模塊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)）以及套索從動輪（縱移模塊的傳動機(jī)構(gòu)），手指的導(dǎo)軌支架通過渦卷扭簧與滑塊相連。

3.2 縱向移動模塊

該機(jī)構(gòu)控制手指的縱向移動，即控制同側(cè)手指的間距。由于安裝在滑塊上的手指支架之間的間距隨著滑塊而改變，且手指間距控制的精度要求并不高，因此該模塊的傳動機(jī)構(gòu)使用了柔性套索。主動輪通過套索帶動兩側(cè)從動輪同步轉(zhuǎn)動，從動輪帶動同軸的錐齒輪轉(zhuǎn)動，位于手指導(dǎo)軌支架的錐齒輪則帶動絲桿轉(zhuǎn)動，從而使與手指相連接的螺母滑塊在絲桿上實現(xiàn)縱向移動。

3.2.1 套索分流傳動機(jī)構(gòu)

鋼絲繩與外套管都為柔性材料，滑塊移動導(dǎo)致套索輪間距變化，套索傳動也能正常進(jìn)行，如圖9所示。

圖9 套索分流傳動機(jī)構(gòu)

3.2.2 絲桿螺母移動機(jī)構(gòu)

采用絲桿螺母機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)縱向移動，如圖10所示，各項數(shù)據(jù)如表2—3所示。

圖10 錐齒輪與套索從動輪的傳動關(guān)系

表2 齒輪通用參數(shù)

表3 齒輪各項參數(shù)

3.3 手爪鎖止模塊

設(shè)計該機(jī)構(gòu)的目的是為了限制各個機(jī)構(gòu)的運動和扭簧的轉(zhuǎn)動，使手指最終固定于一個貼合物體表面的位置。鎖止機(jī)構(gòu)可以改變鎖止軸套半徑和固定渦卷扭簧內(nèi)圈，從而固定與渦卷扭簧內(nèi)圈相固連的手指導(dǎo)軌支架。為了節(jié)省空間，電機(jī)輸出軸和執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同軸，且位于滑塊內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可隨著滑塊而移動，因此該模塊的傳動機(jī)構(gòu)使用了虎克鉸以及長度可調(diào)的花鍵軸。電機(jī)的減速器設(shè)計成雙輸出軸形式，以保證兩側(cè)鎖止機(jī)構(gòu)工作的同步性。

3.3.1 萬向軸傳動機(jī)構(gòu)

通過萬向軸來實現(xiàn)鎖止力矩的傳遞，圖11顯藍(lán)部分采用的花鍵連接，花鍵各項參數(shù)如圖12所示。

圖11 萬向軸傳動結(jié)構(gòu)（亮顯部分）

圖12 花鍵軸、花鍵軸套工程圖

3.3.2 配合鎖止機(jī)構(gòu)

萬向軸帶動與鎖緊軸套相配合的螺釘旋轉(zhuǎn)，使鎖緊軸套受力變形產(chǎn)生小位移，軸套與扭簧內(nèi)圈的配合性質(zhì)轉(zhuǎn)為過盈配合，從而限制了扭簧運動，如圖13所示。為了使結(jié)構(gòu)更加牢固，鎖緊軸套內(nèi)圈進(jìn)行了壓花工藝的處理，極大地增加了接觸時的摩擦力。

在對鎖緊軸套施加載荷110 mN·m為電機(jī)最大力矩。此時最大位移為0.133 9 mm，如圖14所示，軸套與扭簧內(nèi)圈緊密配合，符合設(shè)計要求。

圖13 配合鎖止機(jī)構(gòu)

圖14 應(yīng)力云圖（鎖緊軸套）

3.4 手爪旋轉(zhuǎn)模塊

該機(jī)構(gòu)由內(nèi)嚙合齒輪副組成，行星齒輪與旋轉(zhuǎn)殼體聯(lián)結(jié)（即手爪主體），定軸齒輪固聯(lián)于固定殼體（即與機(jī)械臂連接的部分）如圖15所示，各項數(shù)據(jù)如表4所示；抓取物體前，位于旋轉(zhuǎn)殼體內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)帶動行星輪旋轉(zhuǎn)，齒輪嚙合，從而使旋轉(zhuǎn)殼體旋轉(zhuǎn)。當(dāng)手指處于抓取物體的最佳位置時，電機(jī)停止工作，抱閘鎖死電機(jī)輸出軸，手爪保持該姿態(tài)抓取物體。

圖15 行星齒輪副

表4 行星齒輪副設(shè)計數(shù)據(jù)

3.5 扭簧連接模塊

手爪具有兩個扭簧，一是位于手指與螺母滑塊連接處的雙向扭簧，二是位于手指導(dǎo)軌支架與滑塊連接處的渦卷扭簧如圖16所示。當(dāng)手指接觸物體表面時，扭簧受力發(fā)生轉(zhuǎn)動，帶動手指、導(dǎo)軌支架傾角變化，使得手指貼合不規(guī)則物體表面。

圖16 扭簧連接模塊

如圖17（a）扭轉(zhuǎn)彈簧時，手指最大轉(zhuǎn)角為60.82°＞45°（設(shè)計最大轉(zhuǎn)角），符合要求。在與手指滑塊間留有0.5 mm余量的情況下，扭簧最大內(nèi)徑為16.384 mm＞16 mm（滑塊直徑），符合要求。

如圖17（b）對渦卷扭簧施加載荷（80 N·mm，面力矩）最大應(yīng)力為440.2 MPa＜861 MPa，安全系數(shù)為1.96，強(qiáng)度符合設(shè)計要求。最大轉(zhuǎn)角約為35°～40°。

4 動力部件與驅(qū)動系統(tǒng)

圖17 拉簧應(yīng)力

根據(jù)手爪設(shè)計用途，需要電機(jī)具有良好的位置精度和反應(yīng)速度，而對扭矩和轉(zhuǎn)速的要求較低，因此，選用的驅(qū)動電機(jī)多為步進(jìn)電機(jī)，并根據(jù)需要搭配行星齒輪減速器，這種減速器結(jié)構(gòu)簡單、體積較小，在保證精密傳動的前提下，能有效降低轉(zhuǎn)速增大扭矩和降低負(fù)載/電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量比。

根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，機(jī)械手爪具有4個驅(qū)動，分別控制手指的橫向、縱向移動以及殼體旋轉(zhuǎn)和手爪鎖止。下面對這4個部分的驅(qū)動情況進(jìn)行粗略的設(shè)計計算，并根據(jù)計算結(jié)果選擇合適的電機(jī)和減速器。

4.1 橫向移動模塊

橫向移動模塊驅(qū)動載荷的計算主要考慮手爪的抓力，手爪抓取物體的最大直徑為，如圖18所示。當(dāng)該物體為球體時體積最大，密度取1×103kg/m3（接近果蔬密度），則有物體體積與質(zhì)量：

V=πR3=9.05（m3）

m=ρυ=9.05（kg）

4個手指所受摩擦力與手指壓力：

Ff=4μFN=mg

FN=mg/4μ；

齒輪齒條接觸面的正壓力F=2FNcosα，當(dāng)α=0時，F(xiàn)max=2FN；

又F=，取μ=0.875得：

F=5.17（N）

圖18 橫向移動模塊驅(qū)動載荷計算

Mmax=2F=134.42(N·mm)

綜合考慮負(fù)載扭矩需求和手爪的空間體積，選用型號為STP-43D1079的42步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的扭矩為257 mN·m，具體參數(shù)如表5所示。

表5 STP-43D1079電機(jī)參數(shù)

4.2 縱向移動模塊

縱向移動模塊驅(qū)動載荷的設(shè)計計算，主要考慮絲桿螺母中螺旋副的摩擦。錐齒輪簡圖如圖19所示。

螺旋副扭矩的計算公式為T1=Fw·d/2·tan(Φ+λ)，其中：

解得螺旋副中徑扭矩T1≤1.11（N·mm）。

Fw為螺旋副中軸向外力，λ為螺紋升角，Φ為摩擦角，d為螺紋中徑。

圖19 縱向移動模塊驅(qū)動載荷的設(shè)計計算

設(shè)絲桿上的錐齒為錐齒輪1，傳動軸上的錐齒輪為錐齒輪2。錐齒輪齒數(shù)分別為z1、z2，大端分度圓直徑分別為d1、d2，節(jié)錐角分別為δ1、δ2，齒寬為b1、b2，外錐距為R。數(shù)據(jù)如下：

錐齒輪傳動接觸面壓力中心點直徑設(shè)為dm，則可得：

齒面切向力Ft：

得Mmax=9.25（N·mm）。

考慮到套索傳動和錐齒輪傳動帶來的功率損失，以及手爪內(nèi)部預(yù)留的空間位置，選用型號為STP-28D1012的28步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的扭矩為60 mN·m，具體參數(shù)如表6所示。

表6 STP-28D1012電機(jī)參數(shù)

4.3 鎖止模塊

鎖止模塊驅(qū)動載荷的設(shè)計計算，與縱移模塊類似，考慮鎖止螺釘?shù)穆菪薄?/p>

單側(cè)螺釘扭矩：

T=50×2×

則負(fù)載扭矩Mmax=2T=59.58（N·mm）。

考慮到萬向軸傳動帶來的功率損失，選用型號為STP-28D2006的28步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的扭矩為110 mN·m，具體參數(shù)如表7所示。

表7 STP-28D2006電機(jī)參數(shù)

4.4 旋轉(zhuǎn)模塊

旋轉(zhuǎn)模塊驅(qū)動的設(shè)計計算，主要考慮固定殼體與旋轉(zhuǎn)殼體間的摩擦力。當(dāng)圓柱形殼體的中心軸線平行于水平面時，固定殼體側(cè)面承受手爪的全部重力（17.61 N），電機(jī)所需克服的摩擦力最大。

電機(jī)啟動時，需克服殼體間的靜摩擦力，此時的負(fù)載扭矩達(dá)到最大。

Ff=μFN≤G=17.61（N），

M≤Mmax=17.61×65.63=1 155.74（N·m）

行星齒輪副帶動整個殼體的旋轉(zhuǎn)，負(fù)載扭矩較大，而受手爪殼體內(nèi)腔空間體積的限制，符合尺寸要求的電機(jī)無法滿足扭矩要求。因此，選用了型號為STP-28D3004的28步進(jìn)電機(jī)（156 mN·m，是該尺寸系列電機(jī)的最大扭矩），見表8，搭配減速比為12的行星齒輪減速器，通過降低轉(zhuǎn)速的方式增大扭矩，設(shè)計過程如下：

負(fù)載扭矩/電機(jī)扭矩=7.41，考慮到電機(jī)扭矩應(yīng)略大于負(fù)載扭矩（150%～200%），則減速器傳動比為：11.1～14，取 減 速 比k=12。輸 出 最 大 扭 矩：Mmax=156.12=1 872 m N·m。

表8 STP-28D3004電機(jī)參數(shù)

5 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)柔性機(jī)械手的局限性提出了一種新型的自適應(yīng)手爪，通過變距傳動機(jī)構(gòu)、柔性鰭形結(jié)構(gòu)、隨型變形扭簧實現(xiàn)每個手指擁有三自由度，更好地貼合物面，并且采用分流鎖止裝置實現(xiàn)兩側(cè)手指的同步鎖緊、松開。但至此只詳細(xì)設(shè)計了機(jī)械結(jié)構(gòu)，對于控制、工業(yè)設(shè)計只有初步的規(guī)劃，還在進(jìn)一步的完善中。