基于鰭射線效應(yīng)手指結(jié)構(gòu)的優(yōu)化①

石如夢(mèng)， 喬印虎， 李 博

(安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

0 引 言

自適應(yīng)抓取不僅是柔順和欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器手設(shè)計(jì)中一個(gè)有吸引力的話題，也是軟機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。以前，夾持器通常是由剛性材料制成的鉗口來(lái)夾持物體。剛性?shī)A持器通常由一對(duì)對(duì)稱爪[1]或多個(gè)剛性連桿和關(guān)節(jié)組成[2]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但自由度有限，對(duì)不同形狀物體的適應(yīng)性較差。現(xiàn)在，將軟組件結(jié)合到硬機(jī)器人中，由柔性材料制成的軟夾具被用于夾持易碎的不規(guī)則物體。如裝滿顆粒狀材料的氣囊[3]、3D打印的氣動(dòng)夾持器[4]、電活性聚合物手爪[5]和形狀記憶合金軟體手[6]。這些軟夾持器依賴于流體、溫度或氣壓方式實(shí)現(xiàn)變形，在控制、驅(qū)動(dòng)和材料方面都不通用，且制造和組裝過(guò)程復(fù)雜。

鰭射線效應(yīng)是生物學(xué)家LeifKniese發(fā)現(xiàn)的，其作用是基于魚鰭的變形[7]。鰭射線結(jié)構(gòu)有獨(dú)特的形狀適應(yīng)，能抓取各種形狀的物體[8]。范長(zhǎng)湘等人通過(guò)優(yōu)化鰭射線結(jié)構(gòu)能對(duì)抓取目標(biāo)形成很好的包絡(luò)效果[9]。楊勇等人提出了一種受鰭射線效應(yīng)啟發(fā)的軟夾持器，其整個(gè)結(jié)構(gòu)由軟材料進(jìn)行3D打印，無(wú)需組裝[10]。徐文福等人通過(guò)插入一系列剛性桿優(yōu)化鰭狀射線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抓握和內(nèi)在力傳感[11]。ShinJH等人提出了一種改進(jìn)的鰭射線軟夾持器，并設(shè)計(jì)了一個(gè)能在平行和中心握把之間切換的系統(tǒng)，擴(kuò)展了工作幾何形狀[12]。

在本文中，介紹了優(yōu)化后的鰭射線手指結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的層干擾現(xiàn)象，并且基于這種現(xiàn)象改善了軟手指結(jié)構(gòu)的形狀適應(yīng)性和抓握性能。首先概述了鰭射線手指結(jié)構(gòu)所采用的材料和其關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，其次建立手指結(jié)構(gòu)的三維模型，利用ANSYS軟件對(duì)手指模型進(jìn)行分析，通過(guò)記錄指尖位移和物體作用于不同手指結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的接觸應(yīng)力這些數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行量化對(duì)比。

1 優(yōu)化手指結(jié)構(gòu)的有限元分析條件

當(dāng)一個(gè)物體壓在鰭射線軟手指上時(shí)，傾斜的肋變形并相互接觸，由于變形肋之間的相互摩擦而造成層干擾現(xiàn)象(如圖1(a))。在這種堵塞狀態(tài)下，手指結(jié)構(gòu)的整體剛度增加，導(dǎo)致力響應(yīng)梯度變化。鰭射線手指受益于初始接觸時(shí)最小的接觸力，這是在適應(yīng)柔軟目標(biāo)時(shí)所期望的，而需要更大夾持力抓握物體時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)更高的力。為充分利用這種層干擾現(xiàn)象的好處，需要優(yōu)化鰭射線手指結(jié)構(gòu)，以最大限度地提高堵塞狀態(tài)下肋骨之間的接觸。

(a)層干擾效應(yīng)示意圖

鰭射線手指結(jié)構(gòu)選用肖氏硬度為85A的TPU材料，其楊氏模量為16MPa。如圖1(b)所示，手指結(jié)構(gòu)的高度為60mm，基寬為24mm，接觸面厚度為a，肋的數(shù)量為q，肋的厚度為t，初始肋角為θ以及連續(xù)肋之間的角度增量為α。采用ANSYS軟件對(duì)手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，在仿真中，固定手指底部，使一個(gè)直徑為20mm的圓形物體向手指方向移動(dòng)15mm，模擬記錄物體壓在手指上導(dǎo)致柔性手指結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生的尖端位移和反作用力。

2 有限元分析結(jié)果

2.1 接觸面厚度和肋的數(shù)量變化

首先確定手指接觸面的厚度和肋的數(shù)量，為公平地比較所有模擬的結(jié)構(gòu)變化，使所有肋的厚度相等且平行。肋的數(shù)量從12根～15根變化，增量為1根。接觸面厚度從0.6mm～2.4mm變化，增量為0.6mm。如圖2所示，隨著肋數(shù)量的增加，施加在手指上的應(yīng)力增加，尖端位移減小。肋數(shù)越多肋之間的接觸越多，但手指結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性差。隨著接觸面厚度的增加，尖端的位移量越大，當(dāng)接觸面厚度為1.8mm時(shí)，手指尖端的位移量最大。因此，接觸面的厚度為1.8mm和12根肋的手指結(jié)構(gòu)更適合。

2.2 肋厚度變化

肋的厚度對(duì)應(yīng)手指的整體剛度，厚度從0.6mm～1.8mm變化，增量為0.6mm。如圖3所示，物體沿X軸正方向移動(dòng)到15mm時(shí)，肋厚為1.8mm的結(jié)構(gòu)尖端沿X軸移動(dòng)了9.4mm，而肋厚為0.6mm的結(jié)構(gòu)尖端位移僅有3.0mm。由于物體位移被手指結(jié)構(gòu)吸收，因此在X軸上的位移量越少意味著適應(yīng)性越好。同樣，肋厚為1.8mm的結(jié)構(gòu)沿Y軸向物體移動(dòng)了3.1mm，而肋厚為0.6mm的結(jié)構(gòu)向物體移動(dòng)了4.3mm。在這種情況下，需要更多的向Y軸負(fù)方向移動(dòng)，這意味著手指尖端在物體上的閉合，推動(dòng)手指沿X軸負(fù)方向移動(dòng)。圖3還包括結(jié)合肋厚為0.6-1.2mm和肋厚為1.2mm手指結(jié)構(gòu)的尖端位移?？梢钥闯觯黾永叩暮穸葘?duì)尖端位移的影響不明顯。盡管增加肋厚可以增加接觸應(yīng)力，但沿兩個(gè)軸所需的被動(dòng)適應(yīng)隨之減少。

圖2 肋數(shù)和接觸面厚度變化對(duì)手指指尖位移的影響

圖3 肋厚度變化對(duì)手指指尖的位移影響

(a)初始肋角度為25°，肋之間角度變化的總接觸應(yīng)力

2.3 接觸應(yīng)力

保持所期望的被動(dòng)適應(yīng)的同時(shí)增強(qiáng)力的產(chǎn)生是通過(guò)調(diào)整肋的角度來(lái)優(yōu)化層干擾現(xiàn)象。將肋向被抓取的物體傾斜會(huì)產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)選的彎曲方向，這會(huì)提高抓取性能。圖4(a)顯示四個(gè)手指的接觸應(yīng)力，其t=0.6mm，θ=25°，但每個(gè)肋之間的角度都遵循從0°到α=3°不同的角度增量。觀察到，通過(guò)引入角度增量在肋之間，在物體移動(dòng)9mm前，初始接觸應(yīng)力基本不變，層干擾后的接觸應(yīng)力發(fā)生變化。當(dāng)α=3°時(shí)，在15mm位移末端的最終合力比肋之間沒有角度增量的同一手指約高35%。

此外，圖4(b)表明物體剛接觸手指和最終移動(dòng)15mm時(shí)產(chǎn)生的接觸應(yīng)力。初始肋角從10°～25°變化，增量為5°。初始肋角為10°，15°和20°的手指最終接觸應(yīng)力是在0.12～0.15MPa區(qū)間波動(dòng)，而θ=25°的手指最終接觸應(yīng)力是逐漸增加的。增加肋之間的角度增量，有助于在初始接觸時(shí)最小化接觸應(yīng)力，這是與精細(xì)目標(biāo)交互時(shí)所需要的。如前所述，增加肋之間的角度增量可以提高最大接觸力，還具有進(jìn)一步降低初始接觸力的好處。因此，具有θ=25°和α=3°的手指將在層卡緊后有增強(qiáng)力的產(chǎn)生，同時(shí)在層卡緊前最小化初始接觸力。

2.4 被動(dòng)適應(yīng)

圖5顯示θ=10°，角度增量從0°～3°變化的手指尖端沿X軸和Y軸的位移量。觀察到手指尖端沿X軸移動(dòng)，與物體剛接觸時(shí)，指尖沿物體移動(dòng)的方向被推動(dòng)，隨著手指結(jié)構(gòu)的變形和適應(yīng)外部物體，其值較大。并且具有較大角度增量的手指能更好地適應(yīng)外部物體，當(dāng)α=3°時(shí)，手指尖端甚至移動(dòng)到X軸負(fù)方向。在物體移動(dòng)13.5mm時(shí)，α=3°的手指尖端與α=0°的相比向物體方向移動(dòng)了近2.5mm。此外，在層干擾之后，由于手指結(jié)構(gòu)硬化，所有手指都無(wú)法進(jìn)一步適應(yīng)物體，因此，整個(gè)手指在物體移動(dòng)的方向上發(fā)生移動(dòng)。手指尖端沿Y軸方向移動(dòng)，增加肋之間的角度增量也能改善沿Y軸的形狀適應(yīng)，盡管沿Y軸的形狀適應(yīng)小于沿X軸的。在物體移動(dòng)15mm時(shí)，α=3°的手指尖端與α=0°的相比，向物體移動(dòng)了近1mm?？傊?，增加角度增量有利于手指的形狀適應(yīng)，指尖可以進(jìn)一步靠近物體。

圖5 初始肋角為10°，角度增量變化對(duì)手指指尖位移的影響

圖6 物體移動(dòng)15mm時(shí)，初始肋角和角度增量變化對(duì)手指指尖位移的影響

圖6顯示物體移動(dòng)15mm時(shí)，改變肋的初始角度和肋之間的角度增量對(duì)指尖位移的影響。觀察到，θ=10°和θ=15°的手指結(jié)構(gòu)尖端沿X軸方向移動(dòng)的位移量基本重合，并且比其他手指結(jié)構(gòu)移動(dòng)的位移量都小。同樣，它們沿Y軸方向移動(dòng)的位移量也相差不大，并且比其他軟手指結(jié)構(gòu)移動(dòng)的位移量都大。綜前所述，θ=15°，α=3°的軟手指結(jié)構(gòu)的初始接觸應(yīng)力最小，因此，θ=15°，α=3°的軟手指結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)最佳的整體適應(yīng)。雖然傾斜的肋為手指結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了一個(gè)優(yōu)選的彎曲方向，但過(guò)度傾斜的初始角度對(duì)手指的形狀適應(yīng)有不利影響。

3 結(jié) 論

優(yōu)化后的手指結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出一種被動(dòng)加強(qiáng)機(jī)制，該機(jī)制由傾斜的肋之間的層干擾現(xiàn)象促進(jìn)的。首先確定肋數(shù)為12、肋厚度為0.6mm以及接觸面厚度為1.8mm作為手指的框架結(jié)構(gòu)。其次改變初始肋的角度，在變形肋之間，初始接觸應(yīng)力減少，最終接觸應(yīng)力在0.12MPa～0.17MPa范圍波動(dòng)，同時(shí)略微改善所需的被動(dòng)適應(yīng)。最后通過(guò)在連續(xù)的肋之間引入角度增量，當(dāng)θ=25°，α=3°的手指結(jié)構(gòu)在硬化后將接觸力提高了35%。θ=10°，α=3°的手指結(jié)構(gòu)與沒有角度增量的同一個(gè)手指結(jié)構(gòu)相比，沿X軸向被抓物體移動(dòng)的最大尖端位移提高了近2.5mm，沿Y軸提高了1mm。雖然，希望肋朝向接觸表面傾斜，但減小初始肋角度會(huì)減小初始接觸力并有助于改進(jìn)沿Y軸的被動(dòng)適應(yīng)。θ=15°，α=3°的手指結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)最佳的整體適應(yīng)。