一种软体末端执行结构设计与实验分析

发布时间：2021-03-23

　　摘要：设计了一种类似于手指的末端执行器结构，包含3个“关节”，由邵氏硬度为83A的热塑性弹性体(TPE)3D打印而成。因成型温度等因素对材料结构参数的影响，通过拉伸实验获取应力应变曲线，计算出基于Mooney-Rivlin模型下当前材料参数C10、C01，籍此有限元软件仿真分析其弯曲性能，进行弯曲性能实验对比分析有限元仿真结果。搭建实验台架进行抓取实验，有效抓取0-100g范围内的实验物体。

　　关键词：气动软体执行器;有限元分析;3D打印;抓取实验

　　随着科技水平的提高以及经济社会的发展，机器人在日常生产生活中发挥着越来越重要的作用。广泛应用于生产制造、交通运输、医疗健康等领域[1]。

　　与传统的工业机器人上的刚性末端执相比，软体末端执行器因为其人机交互更安全、柔顺性好且可自由改变自身形状等特点受到得到国内外许多学者的关注和研究[2-6]。

　　软体末端执行器通常用柔性材料制作而成。Guo等人将硅胶制成的气动夹持器与电子附着夹持器相结合，既能抓取扁平的物体，又能抓取形状复杂的物体[7]。Yuen等人发明了一种将形状记忆合金包裹在热塑性纤维上的可变刚度驱动器，以制造一种多功能机器人面料[8]。Otake等人采用电活性聚合物凝胶制作了一种仿海星软体机器人。该机器可以通过控制电场的空间变化实现翻转[9]。

　　本文研究的末端执行器直接用TPE材料3D打印而成，与常见的先打印模具再硅胶浇注成型的方法相比，简化了步骤，降低了制作成本[10]。通过拉伸实验，计算出所用材料的材料系数，用有限元软件基于Mooney-Rivlin模型分析其弯曲性能[11]，并通过实验验证仿真结果。进行抓取实验，表明其在在农业领域，抓取表皮易损果蔬中有一定的应用前景。

　　1.材料和方法

　　1.1.执行器结构设计

　　1.1.1.执行器弯曲原理

　　目前，常见的软体末端执行器通常由两大部分组成——膨胀层和限制层。工作原理为：向柔性材料制成的具有腔室的封闭体内冲入一定气压的气体，整个腔室(膨胀层)将发生膨胀形变，若用一定的方法限制住执行器的一侧形变(限制层)，整个执行器将向限制层弯曲[12]。

　　1.1.2.执行器建模

　　根据执行器的弯曲原理，结合本研究的需要，设计了如图1所示的执行器。总体上看类似于人的手指，有3个“关节”可实现弯曲。

　　执行器剖面结构如图2所示，整个执行器长为80mm，宽为16mm，高为20mm，具体尺寸参数如表1所示。

　　执行器底层较厚，“关节”处较薄，充气受到相同的应力时，关节处更容易发生弯曲。

　　2.有限元分析

　　2.1.TPE的材料

　　特性由于执行器由3D打印而成，打印温度、填充密度等都可能影响材料参数，所以按照GB/T528-2009标准，制作试样并进行单轴拉伸试验，如图3所示。式样总长度为113mm，哑铃状长度为33mm，哑铃状厚度为2mm，哑铃状宽度为6mm。

　　3.实验

　　3.1.执行器制作

　　在Solidworks中建模后另存为STL格式，再导入到软件Cura中切片，主要打印参数如表2所示。打印机喷嘴直径为0.4mm，为了便于打印且尽可能保证执行器的密封性，执行器壁厚应为0.4的整数倍。

　　3.2.弯曲性能实验

　　搭建如图5所示实验台，使用TJ-800型空压机作为气源，用PU软管将气压表和软体驱动器连接，放置于网格纸上，通过流量阀调节输入气体压强。

　　在网格纸上标记好首段以及不同压强下的末端位置，按弯曲角度定义测量弯曲角度。仿真与实验具体结果如表3所示。

　　为直观比较实验结果与仿真结果，在同一坐标系下绘制压强—弯曲角度曲线，如图6所示。

　　由图可知，总体弯曲趋势相同，也呈非线性关系。原因可能为：(1)从图3(c)可以看出应力应变曲线呈非线性说明打印材料(TPE)的力学性能具有一定的非线性;(2)执行器结构较复杂且不是绝对密封，充气时存在漏气现象，执行器受到的压强非线性。实验弯曲角度小于仿真弯曲角度且随着充气压强的增大差值也增大。原因可能为：(1)TPE材料参数计算结果与实际值存在误差;(2)随着充气压强的增大，执行器位移增大无法稳定在指定点，导致测量误差增大。

　　3.3.抓取试验

　　为验证所设计执行器抓取性能，需搭建实验平台进行抓取实验。根据两指抓取的工作原理设计一种可调节两执行器间距的模块化夹具，如图7所示。

　　夹具由TPE材料3D打印而成，分为滑道和滑块两部分，可根据加持物的大小滑动滑块，调节执行器间距。将所设计的执行器固定在台架上，气源为TJ-800型空气压缩机，功率为800W，储气量为30L，排气量为60L/min。可以准确对执行器进行充气、气压保持、放气等操作，通过流量阀准确控制执行器进气量。台架如图8所示。

　　考虑到软体执行器柔顺性好等特点，选取日常生后中不同形状、大小的常见物品进行抓取实验，物品尺寸及质量如表4所示，抓取结果如图9所示。

　　通过滑动滑块，调节执行器间距成功抓取螺栓，说明设计的机械爪具有一定的适应性;成功抓取猕猴桃，且未损坏表皮，说明该执行器可以应用于易破损的果蔬抓取中;电蚊香以及鼠标的成功抓取说明执行器可以实现对表面光滑的轻质物体进行夹持。

　　4.结论

　　(1)设计了一种具有3个关节的仿人手指柔性末端执行器，用TPE材料3D打印而成，用Abaqus基于Mooney-Rivlin模型分析其弯曲性能。

　　(2)进行弯曲性能试验以及抓取验证了其性能。抓取试验表明其对质量为0~100g的物品有较好的抓取效果，通过调节夹具滑块使其对不同直径的物品也有较好的适应性。

　　(3)试验表明其对表皮易破损的果蔬有较好的抓取效果，在智能农业果蔬的无损采摘、分拣中有较广阔的应用前景。——论文作者：曹淼龙1,2，杨元健1，张波1，ChiwawaTafaraAustine1

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