基于骨架的氣動軟體仿人手指設計與仿真分析

劉樂章， 江勵， 湯健華

（五邑大學 智能制造學部，廣東 江門 529020）

0 引言

在機器人技術發展的過程中，物體抓取一直是機器人研究的熱點與難點。在汽車生產裝配或物流分揀等領域執行任務的機器人所采用的夾持工具是剛性機械手或是氣動吸盤，這些夾持工具需要精確控制，否則對其本身和被抓取物體都將造成傷害。當這些夾持工具應用在不確定的環境中，如抓取水果、食品、玻璃易碎品及海鮮等體積不確定且對表面質量要求高的物品時，控制極為困難且容易對物品造成損傷。故而剛性機械手在與環境交互時的安全性和適應性差的缺點，限制了其在環境不確定性領域的應用。

良好的靈活性與適應性是軟機器人新領域的優勢，利用超彈體材料制成的軟體夾持器[1-3]能夠根據被抓取物體的形狀和大小改變自己的形態，從而實現物體抓取。軟體夾持器在形狀不規則物體，特別是易碎品的抓取上具有良好的應用前景。近年來，軟體夾持器快速發展，研究人員提出了各種不同結構的軟體夾持器。2016年北京航天航空大學研制了一款基于氣動的有效抓取長度可變的軟體夾持器[1]，針對連續彎曲運動和長度不可變的原因，該軟體夾持器在無約束時抓取尺寸較小的物體容易從兩指間隙處滑落，故其采用繩索束縛軟體夾持器的抓取長度來實現可變有效抓取長度，能夠針對抓取物體的尺寸來選擇抓取長度，缺點是其繩索束縛施加方式靠人工操作。香港大學陳永華教授[4]在2017年研制了一款基于氣動的彎曲位置可控制的關節型軟體手指，通過控制關節處的剛度實現控制手指的彎曲位置，在抓取一些形狀不規則的物體具有獨特優勢，缺點是受到單點關節彎曲的約束，與外形為圓弧狀的物體貼合程度低且運動范圍較小。

本文通過吸收前人研究的優點和分析其存在的不足，提出了一種新穎的手指結構。通過參考人體手指關節結構特點，設計了一款基于骨架的氣動軟體仿人手指。該軟體仿人手指具有3個彎曲驅動器和2個伸長驅動器，每個關節采用獨立控制的方式，既能通過伸長驅動器改變有效抓取長度，又能通過彎曲驅動器控制手指彎曲形態，具有控制靈活和運動范圍廣等優點。本文通過對該軟體仿人手指進行結構設計和仿真分析來驗證其可行性。

1 基于骨架的氣動軟體仿人手指結構設計

1.1 手指總體結構

軟體手指和人類手指產生運動的方式并不相同，人類手指的運動是在肌腱和指骨的協同作用下產生；而軟體手指則是通過結構本身形變來產生運動，結構剛度低，提供的指尖夾持力小。本文設計的基于骨架的軟體仿人手指參考人類手指的結構特點，采用了5個驅動器，根據驅動器的運動形式，可分為3個彎曲驅動器和2個伸長驅動器。彎曲驅動器通過產生彎曲變形將物體包裹，從而實現抓取的目的；伸長驅動器通過改變有效的抓取長度來適應物體尺寸的變化。為了可以更靈活地控制軟體手指的形狀，對每個驅動器采用單獨的氣管進行獨立控制。軟體手指的表面材料柔軟，能夠自動適應不同軟硬度程度的物品而不對其進行破壞，交互性好；伸長驅動器的剛度要求高，采用骨架對其進行約束，避免在抓取時產生的彎曲變形影響抓取性能。

圖1 手指結構模型圖

1.2 彎曲驅動器設計

目前能實現彎曲運動的驅動器主要有流體彈性驅動器[5]和纖維增強驅動器[6]兩種結構。流體彈性驅動器由一系列氣室組成，驅動器整體尺寸是單個氣室的倍數，在尺寸選擇上是不連續的。本文采用纖維增強驅動器，如圖2所示。該驅動器由彈性應變層、纖維限制層、應變限制層三部分組成。其變形原理為：當氣腔內通入氣體時，隨著壓強的增大，驅動器會在各個方向產生膨脹，通過應變限制層的限制作用會使得該方向的膨脹程度比其他方向低，從而實現手指的彎曲變形。纖維限制層是在驅動器外表面采用雙向螺旋纏繞纖維線的方法來避免因過度膨脹出現氣球效應，氣球效應的出現會影響驅動器的性能。

圖2 彎曲驅動器三維模型

1.3 伸長驅動器設計

結合流體彈性驅動器的變形原理和波紋管的結構特點，本文設計了一種能實現大伸長率的伸長驅動器，如圖3所示。該驅動器的截面尺寸與彎曲驅動器相同，驅動器內部分布有氣腔，在相同氣壓下，氣腔的特殊形狀使其軸向方向抵抗變形的能力比徑向弱，因而可以實現大伸長率。氣室個數可通過設計長度來決定，軸向伸長的距離通過改變氣壓進行控制。但此結構抗彎性能差，在受到徑向作用力的情況下容易發生彎曲形變，故需要對其進行徑向約束。

圖3 伸長驅動器三維模型

1.4 骨架設計

骨架的作用是對伸長驅動器進行支撐和徑向約束，使伸長驅動器保持高剛度下進行伸長，其由2個零件組成，結構如圖4所示。骨架采用PLA材料通過3D打印而成，將骨架1和骨架2分別裝在伸長驅動器的兩端，在氣腔內相互配合并且可移動，兩者在配合中對徑向進行約束，使其無法彎曲。由于材料的變形能力超出了骨架的配合范圍，故通過繩索約束避免伸長驅動器超出骨架配合范圍。骨架還起到另外2個作用：1）用來連接彎曲驅動器和伸長驅動器，保證連接區域同樣具有高剛度；2）通過將充氣的氣道設置在骨架上，把氣管插在骨架的氣道口上并用膠水將氣管和骨架牢牢固定在一起，便可完成對氣腔進出氣的控制，這樣極大程度避免了因氣體泄漏導致驅動器無法工作。

圖4 骨架裝配三維模型

2 仿真

2.1 仿真條件參數設置

驅動器的變形程度與結構的參數息息相關，改變任何參數都將對其變形的結構造成影響。使用實驗對每一個參數進行設計研究將需要花費大量時間，因此有限元分析（FEA）已成為模擬軟體機器人變形的最廣泛的方法。基于骨架的氣動軟體仿人手指是通過不同數量的彎曲驅動器和伸長驅動器進行組合，連接區域通過剛性骨架進行連接，不具備變形能力。本文使用Abaqus有限元仿真軟件進行變形性能仿真分析，由于相同驅動器的各項參數一致，為降低計算量，采用驅彎曲驅動器和伸長驅動器單獨仿真的方式。Abaqus仿真分析的主要步驟如下：1）利用SolidWorks三維建模軟件設計驅動器模型和骨架模型，并導入Abaqus軟件；2）利用腳本生成彎曲驅動器外壁的雙向纖維增強線；3）對驅動器模型進行分割，用以分配不同的材料；4）建立材料屬性，對Ecoflex-0050、骨架、纖維增強線和限制層的材料參數進行設定；5）創建約束，將纖維增強線綁定在彎曲驅動器的外表面，骨架與伸長驅動器兩端綁定，骨架配合通過創建無摩擦接觸；6）創建邊界條件和施加壓強載荷，設定壓強大小；7）對網格類型和網格大小進行設定，完成網格劃分；8）創建工作文件，進行仿真分析；9）查看仿真結果文件，分析其應力與應變的大小。

硅膠是一種典型的不可壓縮和具有各向同性的超彈體材料，可在大范圍內發生彈性形變，但載荷和變形量之間會呈現出非線性的關系。硅膠材料的力學性能可以通過不同形式的應變能密度方程描述，本文使用Yeoh模型[7-8]描述硅膠的力學特性。通過文獻[9]可得，Ecoflex-0050 硅膠的系數為c10=0.11，c20=0.02，網格單元為C3D10H；纖維增強線采用線性彈性材料模型進行描述，彈性模量為E=31067 MPa，泊松比為v=0.36，截面形狀為圓形梁，半徑r為0.3 mm，網格單元為B32；應變限制層材料為TPU，厚度為0.5 mm，彈性模量設置為E=100 MPa，泊松比為v=0.4;骨架彈性模量為E=3000 MPa, 泊松比為v=0.36。

2.2 仿真結果

本文采用控制變量法，分別對彎曲驅動器的氣腔半徑r、壁厚h及氣腔長度l進行分析；對伸長驅動器的壁厚t進行分析。兩種驅動器的仿真位移云圖如圖5所示。

圖5 仿真位移云圖

仿真結果如圖6所示，根據仿真結果，得到彎曲驅動器不同形狀參數對彎曲角度與氣壓關系的影響，如圖6（a）～圖6（c）。從這3幅圖中可以看出彎曲角度與氣壓接近線性關系，從圖6（a）得知，隨著氣腔壁厚的增加，彎曲角度逐漸減小；從圖6（b）得知，隨著氣腔半徑值的增加，彎曲角度逐漸增加；由于彎曲驅動器產生連續的常曲率變形，故隨著長度的增加，彎曲角度越大，圖6（c）驗證了這一點。圖6（d）為伸長驅動器在不同壁厚下的伸長量，伸長驅動器的原長為20 mm，當壁厚為1.5 mm時，在80 kPa下伸長量為22.5 mm，伸長率達112.5%。

圖6 仿真結果

3 結語

本文設計的這款基于骨架的氣動軟體仿人手指運動更加靈活；能夠在彎曲的同時，驅動伸長驅動器選擇有效抓取長度，提高運動范圍并保持高剛度，提升其抓取性能。手指的彎曲形態可以通過控制驅動器的氣壓進行控制，相比其他軟體手指，這款手指與物體表面擬合度更高，抓取性能更好，其采用骨架設計并將氣道設置在骨架上，可大大提高軟體仿人手承受氣壓的能力，對軟體機器人的設計研究具有重要的借鑒意義。同時也可以應用在康復手套上，通過伸長驅動器適應不同使用者的手指尺寸，增加該軟體仿人手指的應用范圍。