咽拭子采樣軟體夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

武力,李學(xué)濤,鞠爾男,徐華偉

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

傳染性疾病一直是影響人類(lèi)身體健康的癥結(jié)之一,為了降低醫(yī)護(hù)人員在傳染病檢測(cè)時(shí)的感染概率和勞動(dòng)強(qiáng)度,使用機(jī)器臂及夾持器來(lái)代替醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行傳染病檢測(cè),對(duì)傳染病的防控具有非常重要的意義。

目前常見(jiàn)的柔性?shī)A持器主要分為主動(dòng)型夾持器和被動(dòng)型夾持器[1]。主動(dòng)型柔性?shī)A持器是指由人類(lèi)手指或者自然界軟體生物啟發(fā)而設(shè)計(jì)的夾持器。Rodrigue等[2]采用記憶合金材料設(shè)計(jì)制作了一種柔性末端執(zhí)行器,多個(gè)柔性執(zhí)行器協(xié)同作用組成夾持器,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的抓取。Chen等[3]根據(jù)織物具有各向異性、可拉伸性和內(nèi)在高強(qiáng)度的特性研制出了一種軟體執(zhí)行器,并且使用三個(gè)執(zhí)行器制成了一個(gè)軟體夾持器,夾持器能夠在一定范圍內(nèi)抓住各種形狀、剛度和重量的物體。Abeach等[4]根據(jù)阻塞原理研制了一種氣動(dòng)肌肉去抓取物體。被動(dòng)型柔性?shī)A持器是指通過(guò)柔性材料被動(dòng)貼合夾持對(duì)象表面,與夾持對(duì)象表面形成可靠約束。Song等[5]根據(jù)纖維膠黏劑在可變形膜上的黏附特性,研制了一種由彈性體蘑菇狀微纖維覆蓋的可充氣膜的軟夾具。Hao等[6]基于一個(gè)軟的圓柱形手風(fēng)琴結(jié)構(gòu)研制了一種夾持器,其中包含耦合的平行流體通道,通過(guò)從單個(gè)流體端口提供的壓力來(lái)控制夾持器運(yùn)動(dòng)。以上夾持器主要是通過(guò)柔性體彎曲的方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行抓取及夾緊,無(wú)法帶動(dòng)目標(biāo)完成精細(xì)的動(dòng)作。

面對(duì)多樣化的工作場(chǎng)合,單一的彎曲運(yùn)動(dòng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足軟體夾持器的應(yīng)用,研究扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的軟體夾持器十分必要。Connolly等[7]研制了一種繩纏繞式軟體執(zhí)行器,可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的扭轉(zhuǎn)。Sanan等[8]研究了螺旋氣腔充氣式扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器機(jī)器人。Tsukagoshi等[9]利用皮亞諾曲線(xiàn)制動(dòng)的原理研制了扁平管執(zhí)行器,實(shí)現(xiàn)軟體執(zhí)行器的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。Kargov等[10]將軟體機(jī)器人的氣腔設(shè)計(jì)成類(lèi)似于手風(fēng)琴式的氣囊,設(shè)計(jì)了一種模塊化機(jī)器人系統(tǒng)。

本文所設(shè)計(jì)的夾持器主要應(yīng)用夾持咽拭子檢測(cè)裝置進(jìn)行核酸檢測(cè)工作,考慮到夾持器的工作場(chǎng)合以及實(shí)際的運(yùn)動(dòng)形式,本文選用螺旋驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 同時(shí)在夾持器中設(shè)置了安全保護(hù)裝置,通過(guò)感應(yīng)檢測(cè)裝置傳遞力的大小,控制安全保護(hù)裝置,從而減少對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的傷害。

1 夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

咽拭子軟體夾持器包括端部限制層、螺旋氣腔層、安全裝置層,3部分通過(guò)對(duì)應(yīng)位置緊密連接,形成一個(gè)緊密的整體,其整體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

為了防止氣腔形變導(dǎo)致頂部平面不規(guī)則, 從而影響檢測(cè)裝置(咽拭子)的運(yùn)動(dòng),端部限制層采用硬質(zhì)不變形材料。端部限制層開(kāi)有咽拭子夾緊腔,與扭轉(zhuǎn)氣腔層的夾緊腔相對(duì)應(yīng)。扭轉(zhuǎn)氣腔層內(nèi)部含有螺旋氣腔,多個(gè)氣腔沿中心軸線(xiàn)均勻分布。安全裝置層包括進(jìn)氣孔及安全裝置腔,其中進(jìn)氣孔與螺旋氣腔相對(duì)應(yīng),進(jìn)氣口內(nèi)插入氣管并用硅膠密封,保證氣密性,氣管連接外部氣泵給氣腔提供氣壓。安全保護(hù)裝置包括磁流變液以及壓力傳感器。安全裝置腔與夾緊腔相對(duì)應(yīng),在安裝咽拭子檢測(cè)裝置時(shí)使其能夠與壓力傳感器相貼合。

圖1 夾持器整體結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)壓力傳感器接收到檢測(cè)裝置所傳遞的力之后,將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給外部的控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過(guò)改變外部的磁場(chǎng)大小進(jìn)而控制磁流變液的剛度。 當(dāng)磁流變液的剛度減小時(shí)安裝保護(hù)裝置整體就會(huì)變軟,從而減小監(jiān)測(cè)裝置的支反力,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)的作用。軟體夾持器詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。工作時(shí), 將檢測(cè)裝置(咽拭子)插入夾緊腔中并與底部安全裝置相接觸,使用氣泵對(duì)夾持器氣腔施加負(fù)壓,夾持器發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,帶動(dòng)咽拭子圓周扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以達(dá)到檢測(cè)的目的。

圖2 軟體夾持器詳細(xì)結(jié)構(gòu)

2 夾持器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本文根據(jù)反復(fù)研究以及仿真分析,確定影響夾持器扭轉(zhuǎn)效果的因素分別是旋入角(A)、截面形狀(B)、氣壓腔截面面積(C)、氣壓腔形狀(D)、棱邊圓角(E)、壓強(qiáng)(F)。初步確定試驗(yàn)的每個(gè)影響因素的水平數(shù)為5,選用正交試驗(yàn)法進(jìn)行設(shè)計(jì)試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上文確定的影響因素以及水平數(shù),選擇L25(56)正交表,見(jiàn)表1。

表1(續(xù))

表1中旋入角是整體螺旋結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的角度,即扭轉(zhuǎn)軌跡線(xiàn)與水平線(xiàn)的夾角;截面形狀是扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)截面的形狀,該因素控制整體的形狀以及氣腔的數(shù)量;氣壓腔截面面積是所有多邊形氣壓腔截面面積的綜合;氣壓腔形狀是螺旋氣腔的截面形狀;棱邊圓角是夾持器整體外部棱邊圓角的半徑;壓強(qiáng)是在工作時(shí)施加的氣體的壓強(qiáng)。

2.2 模型建立

根據(jù)上文正交試驗(yàn)表所確定的影響因素的數(shù)值,確定其他參數(shù)比如整體長(zhǎng)度、直徑檢測(cè)裝置夾緊腔位置、安全裝置腔的大小與位置等,使用Creo三維建模軟件進(jìn)行建模,正交試驗(yàn)各組模型截面見(jiàn)圖3。

圖3 正交試驗(yàn)各組模型截面

2.3 有限元仿真

采用Abaqus進(jìn)行有限元仿真,將上文建立的模型以及檢測(cè)裝置的模型導(dǎo)入Abaqus,并對(duì)其進(jìn)行裝配。端部限制層選取硬質(zhì)紙,夾持器剩余部分采用硅膠,檢測(cè)裝置選擇ABS塑料,經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11]確定相應(yīng)的材料參數(shù),見(jiàn)表2。

表2 材料參數(shù)

由于對(duì)氣腔施加負(fù)壓,因此需要對(duì)氣腔內(nèi)部表面建立接觸,定義摩擦系數(shù)為0.3的罰函數(shù)法計(jì)算切向接觸行為,法向接觸行為被視為“硬”接觸,允許接觸后分離。 在夾持器底部設(shè)置全固定。網(wǎng)格劃分選擇四面體網(wǎng)格并采用雜交公式計(jì)算。位移仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 位移仿真結(jié)果

2.4 仿真結(jié)果處理

通過(guò)Abaqus仿真結(jié)果可以得到咽拭子檢測(cè)裝置端部的位移,見(jiàn)圖5。本文的擇優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)是咽

(a) 端部位移軌跡圖

(b) 位移軌跡與口腔對(duì)比圖5 結(jié)果處理圖

拭子檢測(cè)裝置端部位移軌跡的長(zhǎng)度符合人體咽后壁尺寸。通過(guò)查詢(xún)文獻(xiàn)可知,人體咽后壁的尺寸大約為20～30 mm[12]。

2.5 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)結(jié)果分析

根據(jù)以上方法對(duì)每一組仿真結(jié)果進(jìn)行處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn),咽拭子位移軌跡近似為一條圓弧線(xiàn),Z軸方向的位移為1～2 mm。因此,選擇軌跡長(zhǎng)度作為擇優(yōu)指標(biāo),各組試驗(yàn)的咽拭子檢測(cè)裝置的端部位移結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)

通過(guò)極差分析法來(lái)選出最優(yōu)的結(jié)構(gòu),見(jiàn)表3。其計(jì)算公式為:

(1)

式中,i為影響因素;j為水平數(shù);yij為因素i在水平j(luò)下的試驗(yàn)結(jié)果;Kij為因素i在水平j(luò)下試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

Ri=max{Kij}-min{Kij}

(2)

式中:Ri為因素i不同水平試驗(yàn)指標(biāo)均值的最大值和最小值之差(極差)。

(2)最優(yōu)結(jié)構(gòu)確定

通過(guò)極差分析表分析結(jié)果可以確定,影響端部位移的因素先后次序?yàn)?負(fù)壓腔形狀(D)>壓強(qiáng)(F)>旋入角(A)>截面形狀(B)>負(fù)壓腔截面面積(C)>棱邊圓角(E)。通過(guò)極差分析可以選出較優(yōu)解為:A1B2C4D4E2F5,即旋入角為30°,截面形狀為四邊形,負(fù)壓腔截面面積900 mm2,負(fù)壓腔形狀為等邊三角形,棱邊圓角為2 mm, 壓強(qiáng)為-100 kPa。

表3 極差分析表

根據(jù)所得到的最優(yōu)解的結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)其進(jìn)行建模并仿真,得到檢測(cè)裝置端部軌跡長(zhǎng)度為13.88 mm。

3 結(jié)論

(1)本文提出了咽拭子夾持器的設(shè)計(jì)方案,以檢測(cè)裝置端部位移曲線(xiàn)的長(zhǎng)度為擇優(yōu)標(biāo)準(zhǔn),旋入角、截面形狀、氣壓腔截面面積、氣壓腔形狀、棱邊圓角、壓強(qiáng)大小為影響因素,每個(gè)影響因素設(shè)置5個(gè)水平數(shù),進(jìn)行正交試驗(yàn),對(duì)夾持器的腔型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)選。

(2)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)檢測(cè)裝置端部位移的影響因素中負(fù)壓腔形狀影響最大,棱邊圓角影響最小。得出較優(yōu)解為旋入角30°,截面形狀為四邊形,負(fù)壓腔形狀為等邊三角形,棱邊圓角為2 mm,壓強(qiáng)-100 kPa。 應(yīng)用該方案的檢測(cè)裝置位移軌跡長(zhǎng)度為13.88 mm。