一種新型柔性氣缸驅動手爪

宋展宏，李小寧

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

工業自動化生產線上常用各種手爪作為物品的抓取、搬運裝置。這些手爪一般采用電機、液壓缸、氣缸的驅動方式并通過不同的機械機構實現抓取動作，屬于高剛性的驅動，抓取力比較大，但沒有柔順性，不適合易碎易損物品的抓取[1]。新興的軟體手爪采用氣動、液壓、繩索等方式進行驅動，由硅橡膠、凝膠等高彈性材料制成，具有連續變形的特性，在抓取易碎易損品上具有得天獨厚的優勢，但普遍存在低剛度、抓取力小的問題[2]。

WU Z P等[3]提出一種關節式內骨骼氣動軟體手爪，采用若干剛性內骨骼單元作為驅動器內部承力結構，外層驅動部分由硅膠構成，使手爪具有一定的柔順性，抓取力約為35N；ZHOU J S等[4]提出一種4自由度手爪，具有多種柔順靈巧抓取模式，為限制驅動器過量變形嵌入了纖維加強筋，但降低了驅動器的輸出效率； WANG L等[5]提出一種單自由度波紋管軟硬混合手爪，在對物品的抓取上具有柔順性但抓取力較小。因此，如何使手爪既具有適度柔順性，又具有較大的抓取力是當前研究中亟待解決的一個問題。

1 新型手爪的整體結構

本文提出一種新型手爪，為滿足手爪在70kPa的工作壓力下抓取力≥50N，抓取范圍≥150mm，并且在抓取過程中具有柔順性的技術需求，設計出如圖1所示的手爪整體結構。手爪呈對稱分布，包括柔性驅動部分和手爪抓取部分。手爪抓取部分為機械結構，可通過杠桿及連桿機構對柔性驅動部分的輸出力進行放大。柔性驅動部分主要由兩對結構相同尺寸不同的柔性波紋管6和波紋管11構成；手爪抓取部分包括指尖部分2和指根部分3，指根和指尖部分均由6個子部分固連構成。具體工作過程為：壓縮氣體從三通管管接頭14上端進入到指根驅動器11內部，指根驅動器外有剛性滑管12，滑管部分與指根部分3相連，當指根驅動器11伸長后，推動指根部分3繞著指根關節4轉動，形成指根部分的夾取；指尖部分采用同樣的滑管結構，當向指尖驅動器6通入壓縮氣體后，指尖驅動器會沿軸向伸長，推動指尖部分2繞指根部分3轉動，實現指尖部分對物品的夾取。釋放物品時，斷開壓縮氣體輸入，采用真空技術輔助整體結構復位。

2 柔性驅動氣缸的研究及測試

2.1 柔性驅動氣缸的結構設計

根據手爪的總體結構方案和技術需求，通過簡單的受力分析可得出如表1所示的兩部分柔性驅動氣缸設計要求。

表1 兩部分柔性驅動氣缸的設計要求

圖2為設計的柔性驅動氣缸結構，其工作原理為：柔性波紋管4兩端與左側連接件1和右側連接件7連接，卡箍2將柔性波紋管4固定在左、右兩側連接件上；滑管分為內、外兩部分，兩滑管采用間隙配合，同時波紋管的外徑與內滑管5的內徑相同，滑管可限制波紋管的過度膨脹變形；外滑管3和內滑管5末端設有凸臺，可保證柔性波紋管的移動距離；四周均布定位螺栓8將外滑管3和內滑管5固定在兩側連接件上。通入壓縮氣體后，柔性波紋管4一端密封，在滑管的限制下，柔性波紋管4沿著滑管的軸向變形伸長。如果將右側連接件固定，在壓力的作用下，柔性波紋管4即可推動左側連接件1伸長并產生輸出力。

1—左側連接件；2—卡箍；3—外滑管；4—柔性波紋管；5—內滑管；6—氣動快換接頭；7—右側連接件；8—定位螺栓。圖2 柔性驅動氣缸結構圖

2.2 柔性驅動氣缸的靜態性能分析

1)伸長量分析

柔性波紋管的材質為硅橡膠，硬度為shoreA10，圖3所示為柔性驅動器單元的變形示意圖。

基于Yeoh模型以及材料的應變勢能函數可得：

(1)

式中：W為應變函數；I1為變形張量的主不變量；λi為軸向、周向和徑向伸長比；L0為單個氣腔初始長度；R0為氣腔外壁初始半徑；r0為氣腔內壁初始半徑。滑管假設為剛體，則驅動器外壁半徑在整個過程中有R=R0。根據橡膠材料的不可壓縮性可將變形過程中單元氣腔的半徑r和柔性驅動器伸長量L關系表示為

(2)

圖3 柔性驅動器單元變形示意圖

柔性驅動器產生軸向位移過程視為準靜態過程，根據虛功原理，靜態平衡系統的所有外力經過虛位移所做過的虛功之和為0。對于驅動器即氣壓做功應與增加的應變能相平衡，對應的表達式如下：

(3)

式中：Va為氣腔體積；Vb為硅橡膠體積。

(4)

假設單元氣腔硅膠的截面積在變化過程中保持不變，則可以得到下式：

(5)

令：

(6)

η1、η2、η3分別為軸向、周向和徑向應變算子，聯立式(1)-式(6)可建立波紋管腔室氣壓pi與軟體伸長量L的關系：

[C10+2C20(I1-3)+3C30(I1-3)2]

(7)

其中：

(8)

式(7)中：N為波數；C10、C20、C30為Yeoh模型材料常數，可通過試驗測得。由式(8)可以看出波紋管初始參數值確定后，Q和K即為常數。當波紋管的伸長量L為已知量時即可求出所需的氣壓值pi。

2)輸出力分析

如圖4所示，當壓縮氣體通入柔性氣缸后，壓縮氣體作用在柔性波紋管內部使波紋管伸長變形，此過程中波紋管產生的軸向阻力為Fs，當柔性波紋管膨脹至整個滑管內部后，壓縮氣體產生的推力為Fp，兩滑管之間的摩擦力為Ff。

圖4 柔性驅動氣缸的輸出力分析圖

整個過程中柔性驅動氣缸產生的輸出力F可表示為

(9)

其中f(L)為柔性驅動器伸長量與壓力的函數，具體參見式(7)。由于滑管間采用間隙配合，并且滑管材料帶有一定的自潤滑性能，因此可以不考慮滑管之間的摩擦力Ff影響。當柔性驅動氣缸達到設定伸長量后，其輸出力與柔性氣缸的有效面積有關，則可將式(9)寫為

(10)

由式(10)可以看出，當輸入柔性驅動氣缸輸入氣壓p小于設定位移所需的氣壓值pi時，柔性氣缸的輸出力為0；而當輸入氣壓p大于所需氣壓值pi時，柔性驅動氣缸的輸出力F即為氣缸理論輸出力與伸長時所需力的差值。

2.3 柔性驅動氣缸的輸出力測試

圖5為柔性驅動氣缸輸出力測試原理圖，對指根和指尖部分柔性驅動氣缸不同伸長量下的輸出力進行測試，測試的供氣壓力范圍為0～70kPa，每隔5kPa記錄一組數據。

1—數顯壓力表；2—減壓閥；3—過濾器；4—氣源；5—待測柔性驅動氣缸；6—測力計；7—光柵尺。圖5 柔性驅動氣缸輸出力測試原理圖

圖6給出了指根和指尖部分柔性驅動氣缸在不同輸入氣壓不同伸長量下的輸出力圖。從圖中可以看出，指根和指尖部分柔性驅動氣缸的輸出力與壓力呈線性關系，在70kPa的工作壓力下，指根和指尖部分柔性驅動氣缸的最大輸出力分別為50N和22N，均滿足設計要求。

圖6 指根和指尖部分柔性驅動氣缸輸出力曲線圖

3 手爪的抓取力與實物抓取測試

抓取力是手爪非常重要的性能參數，大的抓取力與抓取柔順性是柔性氣缸驅動手爪的最大特點。本節針對手爪的抓取能力與實物抓取進行試驗研究。

3.1 手爪的最大抓取能力測試

最大抓取能力是指在不同壓力下手爪所能抓取的最大質量。將手爪樣機固定后測量得手爪的抓取范圍為0～160mm，搭建如圖7所示的手爪抓取能力測試系統。

1—氣源；2—開關閥；3—分離器；4、6、13、14—減壓閥；5—干燥器；7—手動換向閥；8、9—單向節流閥；10—球形殼體；11—拉壓力傳感器；12—氣缸；15—手爪樣機；16—變送器；17—采集卡；18—計算機。圖7 手爪抓取能力測試系統

根據手爪的抓取范圍選擇直徑120mm的球形殼體作為基準被抓物，當殼體質心恰好與指根關節平齊時，開始測試。具體測試過程為：將球形殼體10與拉壓力傳感器11相連并安裝在氣缸12上，調節減壓閥13和14使手爪樣機15對球形殼體10形成抓取，氣缸12對球形殼體10施加向下的拉力，直至球形殼體10掙脫手爪樣機15的抓取。記錄不同壓力下球形殼體脫離抓取時拉壓力傳感器所產生的最大電壓值，變換后可得圖8所示手爪的抓取能力曲線圖。

從圖8可以看出手爪在工作壓力為70kPa時的最大抓取力為12.2kg，即122N。手爪的抓取能力與供氣壓力近似呈線性關系，對曲線作線性擬合，可以得到手爪的抓取能力GLc(單位：kg)與輸入氣壓pin(單位：kPa)的函數關系式為

GLc=0.191 29pin-1.036 28

(11)

圖8 柔性氣缸驅動手爪的抓取能力曲線圖

3.2 手爪的實物抓取試驗

對手爪的實物抓取能力進行試驗，根據手爪的抓取范圍，選取生活中常見的不同形狀的物品以及易碎易損品為抓取對象，實際抓取效果如圖9所示。

(a)棒球；(b)燈泡；(c)柚子；(d)洗手液；(e)茶葉罐；(f)水杯；(g)4L礦泉水；(h)光碟；(i)禮物盒；(j)遙控器；(k)西紅柿；(l)方便面餅；(m)蘋果；(n)玻璃盆栽。圖9 手爪實物抓取試驗結果

試驗結果表明，柔性氣缸驅動手爪抓取動作柔順安全，對易碎易損品和不同形狀的物品具有較好的抓取效果。

4 結語

本文提出了一種新型柔性氣缸驅動手爪，重點介紹了手爪和柔性驅動氣缸的結構設計，同時針對柔性驅動氣缸的特點進行靜態理論分析與輸出力測試，對手爪的抓取能力和實物抓取進行測試。試驗結果表明：在70kPa的工作壓力下，指根和指尖部分柔性驅動氣缸的最大輸出力為50N和22N；手爪的最大抓取力為122N，可以抓取質量為12.2kg的物品，比一般柔性手爪的35N抓取力提高了約2.4倍，并且對易碎易損品和不同形狀的物品可進行柔順安全抓取。