多腔氣囊式三層結(jié)構(gòu)軟體手指的研制

鞠爾男，武力，馮銘龍

(1.大連東軟信息學(xué)院 電子工程系，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

軟體手指是由柔性材料制成的仿人體手指，可適應(yīng)不同外形結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的抓取對象，因此由軟體手指制成的機(jī)械手在服務(wù)型機(jī)器人、特種機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)器械和輕工業(yè)等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景.早在本世紀(jì)初國外學(xué)者開始關(guān)注并研究軟體材料及軟體機(jī)械手[1-6].國內(nèi)對軟體機(jī)械手的研究剛剛開始，張進(jìn)華綜述了軟體機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域、驅(qū)動方式、材料與制造、建模與控制的相關(guān)問題[7].肖宇設(shè)計了手指由軟關(guān)節(jié)與較鏈型指骨粘結(jié)而成的軟體機(jī)械手，能夠模仿人的動作[8].徐淼鑫介紹了一種軟體驅(qū)動三觸手柔性手爪結(jié)構(gòu)，建立并驗證了軟體手指彎曲變形的數(shù)學(xué)模型[9].趙芳設(shè)計了一套軟體外骨骼式機(jī)器人系統(tǒng)，用于輔助偏癱患者在康復(fù)初期進(jìn)行手指的屈伸運動訓(xùn)練[10].

本文在明確軟體手指單向彎曲原理的基礎(chǔ)上，提出了軟體手指多腔氣囊式三層結(jié)構(gòu)和制作方法；以液態(tài)硅膠為原材料注塑成型并制作出軟體手指；搭建氣動控制系統(tǒng)進(jìn)行手指抓握實驗，驗證了軟體手指結(jié)構(gòu)設(shè)計和制作方法的可行性.

1 氣動軟體手指驅(qū)動原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

以正常成年人手指數(shù)據(jù)為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并考慮變形、安裝等因素，設(shè)計軟體手指的長、寬、高分別為138 、18 和10 mm.軟體手指由上層軟膠氣囊、中間層不可伸長材料和下層軟膠三層粘合而成(圖1).上層軟膠氣囊為多腔中空結(jié)構(gòu)，中間層可采用薄塑料、尼龍或紙片等不可伸長材料作填充.充氣時上層氣囊膨脹變形，受不可伸長材料制約，整個軟體手指向下彎曲；排氣時氣囊內(nèi)失去壓力，手指恢復(fù)原形；充氣和排氣的過程可實現(xiàn)手指單方向的屈伸.

圖1 軟體手指結(jié)構(gòu)

為了驗證設(shè)計結(jié)構(gòu)的正確性，建立了軟體手指的三維模型和有限元分析模型(圖2),設(shè)置軟體硅膠材料為超彈性體,中間層為彈性體,材料參數(shù)見表1.在超彈性體氣囊空腔的內(nèi)表面上施加壓力0.055 MPa，模型整體施加重力，單元類型為四面體單元.變形后的彈性手指馮氏應(yīng)力云圖如圖2(c)所示，最大應(yīng)力值為20.934 MPa，最小值為0.002 1 MPa，說明三層結(jié)構(gòu)的手指模型在充進(jìn)壓力氣體后可實現(xiàn)彎曲.

表1 材料參數(shù)

(a) 三維結(jié)構(gòu)模型 (b) 有限元模型

(c)分析結(jié)果模型

2 軟體手指試制

2.1 模具設(shè)計與3D打印

根據(jù)軟體手指上層氣囊和下層軟膠的三維結(jié)構(gòu)，設(shè)計了上層氣囊和下層軟膠的制作模具，以PC為原材料打印出相應(yīng)模具，如圖3所示.

2.2 模具澆注成型

(1)配制材料和儀器

硅膠材料選用深圳紅葉公司生產(chǎn)的E625A(硅膠)和E625B(固化劑)按1∶1的比例配合而成，配制過程需要精密電子秤、50 mL燒杯、玻璃棒和注射器.

(2)硅膠手指制作步驟

①將燒杯放置于電子秤中央，刻度清零；分別用注射器吸取10 g的E625A和E625B材料，注入到燒杯中；用攪拌棒順時針或逆時針緩慢攪拌大約2 min，將混合溶液靜置10 min.

②將上層模具1和上層模具2配合定位，緩慢的注入混合溶液，將澆注后的模具靜置5 h后小心取出.注意澆注過程盡量不要產(chǎn)生氣泡，否則會影響成品氣密性.

③在下層模具中注入混合硅膠溶液，將中間層紙片小心的嵌入到混合溶液中，確保紙片與硅膠溶液充分接觸，避免大的氣泡產(chǎn)生；將步驟②制作好的上層硅膠扣在下層模具上，靜置5 h后取出成品.制作后的成品如圖3所示.

圖3 模具設(shè)計與打印

3 氣壓控制系統(tǒng)搭建及抓握實驗

3.1 控制系統(tǒng)

氣壓控制系統(tǒng)包括驅(qū)動單元、執(zhí)行單元和控制單元，如圖4所示.驅(qū)動單元的主要部件是微型真空泵(Kamoer公司型號KVP04)，其出口通過PVC管與電磁換向閥中的常開口連接，為軟體手提供壓縮空氣.執(zhí)行單元包括電磁換向閥、三通管和軟體手；電磁閥的排氣口通過三通管與軟體手相連，三通管用于將電磁閥輸出的氣體分成三路分別輸送給三根軟體手指.控制單元主要包含真空泵調(diào)速控制器、繼電器、單片機(jī).真空泵控制器采用PWM外置調(diào)速板，通過調(diào)節(jié)調(diào)速板旋鈕控制真空泵的流速，由單片機(jī)控制繼電器的吸合進(jìn)而控制電磁閥的開關(guān).

圖4 軟體手控制方案

3.2 氣壓系統(tǒng)

氣泵與電磁閥組間PVC管連接方式如圖5所示.充氣過程中電磁閥1處于通電狀態(tài)，電磁閥2處于斷電狀態(tài)；排氣過程中電磁閥1處于斷電狀態(tài)，電磁閥2處于通電狀態(tài)；排氣過程中，氣路是分開的，從真空泵輸出的氣體流經(jīng)電磁閥1后直接排入大氣中，軟體手指中氣體與P口連通的大氣有一定氣壓差，在硅膠變形后產(chǎn)生的恢復(fù)力的作用下，軟體手指內(nèi)的氣體直接排入大氣中.保持階段時電磁閥1和2均斷開，真空泵中氣體直接排入大氣，而軟體手指中氣體體積則不會發(fā)生變化.

圖5 氣動系統(tǒng)連接示意圖

3.3 抓握實驗

將3根軟體手指固定在手套上(圖6(a))進(jìn)行抓握實驗，開通真空泵，設(shè)置電磁閥1開通電磁閥2關(guān)閉，軟體手體內(nèi)充氣彎曲(圖6(b))， 證明手指制作和氣路搭建成功.

(a) 伸直 (b) 彎曲

分別取噴霧瓶、盛滿液體量筒和礦泉水瓶進(jìn)行抓握實驗，軟體手能夠彎曲并抓握住三種圓柱狀的物體，如圖7所示.試樣的外形尺寸和重量如表2所示.該結(jié)果表明此軟體機(jī)械手能夠抓握直徑30～64 mm之間，重量不超過60.8 g的物體，也說明軟體手指的設(shè)計制作方法可行正確，下一步可優(yōu)化軟體手指和機(jī)械手結(jié)構(gòu)、材質(zhì)，提高承載力、抓握更多形狀的物體.

(a) 抓取噴霧瓶

(b) 抓取量筒

(c) 抓取礦泉水瓶

表2 抓取物體參數(shù)

4 結(jié)論

以手指單向屈伸為目標(biāo)，提出了多腔氣囊式軟體手指的工作原理，設(shè)計了軟體手指的三維結(jié)構(gòu)并進(jìn)行充氣后的有限元分析，驗證了設(shè)計的合理性；設(shè)計了軟體手指的制作模具，在3D打印軟體手指上層氣囊模具和下層軟膠模具的基礎(chǔ)上，以液態(tài)硅膠為原材料，注塑成型了多腔氣囊式軟體手指；設(shè)計并搭建了機(jī)械手屈伸的氣壓控制系統(tǒng)，進(jìn)行了機(jī)械手抓取噴霧瓶、量筒和礦泉水瓶的實驗，該軟體機(jī)械手能夠抓取直徑30～64 mm的圓柱體，抓取重量不超過60.8 g.分析和實驗結(jié)果說明提出的軟體手指結(jié)構(gòu)和制作方法是正確的，為軟體機(jī)械手、手指康復(fù)訓(xùn)練器械及其它軟體機(jī)器人研制提供借鑒.