氣壓驅(qū)動仿生柔性機(jī)械臂的設(shè)計

引言

軟體機(jī)器人是從仿生學(xué)的角度,基于自然界中的生物,如大象、海星和章魚等設(shè)計出的一種具有連續(xù)變形結(jié)構(gòu)和高自由度的新型機(jī)器人。機(jī)器人的本體通常是利用柔性材料制作,通常認(rèn)為是楊氏模量低于人類肌肉的材料,一般有介電彈性體(DE)、離子聚合物金屬復(fù)合材料(IPMC)、形狀記憶合金(SMA)、形狀記憶聚合物(SMP)等。區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動,軟體機(jī)器人的驅(qū)動方式主要取決于所使用的智能材料,根據(jù)響應(yīng)的物理量暫時分為幾類:電場、壓力、磁場、光、溫度、化學(xué)反應(yīng)。仿生機(jī)器人的設(shè)計與制作涉及材料學(xué)、力學(xué)等多種學(xué)科,同時還與3D打印技術(shù)、傳感技術(shù)及智能新型材料驅(qū)動等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合,逐漸成為國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

本文模擬章魚觸手運(yùn)動特點(diǎn),設(shè)計了一款柔性機(jī)械臂。不同于常見軟體機(jī)器人采用柔性材料實現(xiàn)變形和多自由度,本設(shè)計采用多關(guān)節(jié)構(gòu)造,不同關(guān)節(jié)間采用不同方向的較鏈布局,以此實現(xiàn)機(jī)械臂在不同方向的彎曲運(yùn)動:多關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)變形可以實現(xiàn)機(jī)械臂的伸縮運(yùn)動。驅(qū)動部分采用電磁閥控制的氣缸,利用氣體的可壓縮性實現(xiàn)部分柔性。機(jī)械臂末端安裝柔性仿生機(jī)械爪,從而使其能夠?qū)崿F(xiàn)物體的抓取。為了滿足氣動軟體機(jī)器人的靈活利用以及多場景工作的需求,將柔性機(jī)械臂安裝在電驅(qū)動小車上。

1柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動實現(xiàn)

1.1機(jī)器人整體布局設(shè)計

本研究主要關(guān)注多自由度柔性機(jī)械臂和氣動手爪,為了擴(kuò)大機(jī)械臂作業(yè)空間,其整體機(jī)構(gòu)設(shè)計與分布

如圖1所示。

圖1機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)示意

將其連接在一個移動平臺上,平臺為一遙控電動小車,本文不作具體介紹。柔性機(jī)械臂和移動平臺之間通過舵機(jī)和固定梁連接,氣動手爪固定于機(jī)械臂末端。

作為核心部件的機(jī)械臂共有6個關(guān)節(jié),每個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)一致,串行連接。相鄰關(guān)節(jié)間有120°夾角。機(jī)械臂末端連接一氣動機(jī)械爪,用于抓取物體。獨(dú)立關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2機(jī)械臂單個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2彎曲運(yùn)動實現(xiàn)

每個獨(dú)立關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),當(dāng)氣缸內(nèi)部充氣時,活塞伸長,使上層板繞合頁軸翻轉(zhuǎn)一定的角度,從而實現(xiàn)機(jī)械臂向特定方向彎曲?；钊谐淘酱?翻轉(zhuǎn)角度越大。由于各關(guān)節(jié)之間120°夾角放置,因此可實現(xiàn)多個方向彎曲運(yùn)動。

當(dāng)關(guān)節(jié)一氣缸伸長時,機(jī)械臂彎曲情況如圖3所示。其他關(guān)節(jié)彎曲情況類似。

圖3機(jī)械臂關(guān)節(jié)一氣缸伸長時示意圖

1.3伸縮運(yùn)動實現(xiàn)

伸縮運(yùn)動的實現(xiàn)是靠多個關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。機(jī)械臂共有6個獨(dú)立關(guān)節(jié),相鄰關(guān)節(jié)成120°夾角,前3個關(guān)節(jié)與后3個關(guān)節(jié)間具有空間位置相似性。針對前3個關(guān)節(jié)(后3個關(guān)節(jié)類似),當(dāng)它們相對各自轉(zhuǎn)軸做合適的轉(zhuǎn)動時,關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動會相互抵消,表現(xiàn)為空間直線運(yùn)動,也就是機(jī)械臂的伸長(同時會有徑向偏移,偏移尺寸較小,在此忽略)。前3個關(guān)節(jié)各旋轉(zhuǎn)特定角度時,機(jī)械臂變形情況如圖4所示。

圖4機(jī)械臂關(guān)節(jié)一、二、三伸長時示意圖

1.4回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計

由于機(jī)械臂各獨(dú)立關(guān)節(jié)間夾角均為120°,只能朝向特定角度彎曲。為了實現(xiàn)機(jī)械臂多向彎曲運(yùn)作,擴(kuò)大作業(yè)空間,團(tuán)隊為機(jī)械臂增加了回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。設(shè)計將機(jī)械臂安裝在舵機(jī)上,舵機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過89C51主控芯片控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度和角速度,以此來實現(xiàn)對機(jī)械臂轉(zhuǎn)向的控制?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計,既增加了機(jī)械臂的自由度,又可以在某些情況下替代移動平臺的運(yùn)動,完成搬運(yùn)操作,大大提高了工作效率。

圖5舵機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.5爪部設(shè)計

氣動五指機(jī)械爪主要是利用中間一系列的連桿較鏈配合,將小型氣缸的氣缸桿往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為機(jī)械爪的抓取運(yùn)動。當(dāng)氣缸桿向外部伸長時,機(jī)械爪呈張開形式:當(dāng)氣缸桿向內(nèi)收縮時,機(jī)械爪呈抓握形式。機(jī)械爪的抓取角度取決于氣缸桿的伸縮長度,圖6展示了機(jī)械爪放松與抓取時的狀態(tài)。

圖6氣動機(jī)械爪兩種狀態(tài)

2柔性機(jī)械臂驅(qū)動設(shè)計

2.1常用驅(qū)動方式比較

2.1.1電機(jī)驅(qū)動方式

電機(jī)驅(qū)動是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動關(guān)節(jié),或者通過諸如減速的機(jī)構(gòu)來驅(qū)動機(jī)器人的關(guān)節(jié),以完成所需的位置、速度、加速度或其他指標(biāo)。該方式具有環(huán)保、整潔、控制方便、運(yùn)動精度高、維護(hù)成本低和驅(qū)動效率高的優(yōu)點(diǎn)。使用的電機(jī)有4種類型:步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和線性電機(jī)。

2.1.2液壓驅(qū)動方式

液壓驅(qū)動器使用液體作為介質(zhì)來傳遞力,并使用液壓泵使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力來驅(qū)動執(zhí)行器運(yùn)動。液壓驅(qū)動模式是成熟的驅(qū)動模式,它具有易于控制的壓力和流量、高剛性、不可壓縮的液壓油、簡單穩(wěn)定的調(diào)速、方便的操作和控制以及廣泛的無級調(diào)速(調(diào)速范圍高達(dá)2000:1)等特點(diǎn),并且使用較小的驅(qū)動力或扭矩便可獲得更大的動力。然而,由于流體流動阻力、溫度變化、雜質(zhì)、泄漏等的影響,工件的穩(wěn)定性和定位精度不準(zhǔn)確,并且還會造成環(huán)境污染,增加了維護(hù)技術(shù)要求。因此,該方式經(jīng)常用于需要較大輸出力和低運(yùn)動速度的場合。在電驅(qū)動技術(shù)成熟之前,液壓驅(qū)動是使用最廣泛的驅(qū)動方法。

2.1.3氣動驅(qū)動方式

氣動驅(qū)動器使用空氣作為工作介質(zhì),并使用氣源發(fā)生器將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,以驅(qū)動執(zhí)行器完成預(yù)定的運(yùn)動。氣動驅(qū)動具有節(jié)能簡單、時間短、動作快、柔軟、重量輕、產(chǎn)量/質(zhì)量比高、安裝維護(hù)方便、安全、成本低、對環(huán)境無污染的優(yōu)點(diǎn)。然而,由于空氣的可壓縮性,要實現(xiàn)高精度、快速響應(yīng)的位置和速度控制并不容易,而且還會降低驅(qū)動系統(tǒng)的剛性。

2.2彎曲與伸縮關(guān)節(jié)的驅(qū)動

近年來,人們已經(jīng)利用氣動驅(qū)動的靈活性來開發(fā)在康復(fù)、護(hù)理和協(xié)助方面與人類協(xié)作的機(jī)器人。本文研究設(shè)計的仿生柔性機(jī)械臂要求結(jié)構(gòu)簡單緊湊、便于攜帶、易于拆卸,且對位置和速度精度要求較高。綜合以上3種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合仿生柔性機(jī)械臂的實際情況,本研究選擇氣動驅(qū)動方式。驅(qū)動部分主要構(gòu)成包括氣泵、管路、氣缸與電磁閥。

氣泵,即"空氣泵",從一個封閉空間排除空氣或從封閉空間添加空氣的一種裝置。氣泵種類繁多,而本設(shè)計只需采用微型氣泵即可滿足要求。微型氣泵是指體積小巧,工作介質(zhì)為氣態(tài),主要用于氣體采樣、氣體循環(huán)、真空吸附、真空保壓、抽氣、打氣、增壓等的氣體輸送裝置[4]。微型氣泵的優(yōu)點(diǎn):體積小巧、噪聲小、功耗小、易于操作、便于攜帶、免維護(hù)、可24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),還允許介質(zhì)富含水汽。最重要的是,微型氣泵是干式、無油的,無須真空泵油或潤滑油,所以不會污染工作介質(zhì),不會干擾對介質(zhì)的分析,而且價格相對便宜得多。

為了使結(jié)構(gòu)在抓取重物或受自身重力的影響時不會發(fā)生形變、能夠恢復(fù)原狀,需要結(jié)構(gòu)之間是剛性連接,同時驅(qū)動部分也要滿足在抓取物體時能夠使結(jié)構(gòu)彎曲伸縮到達(dá)指定位置,在抓取物體后能夠使變形部分通過驅(qū)動部分恢復(fù)原狀。因此,設(shè)置氣缸為驅(qū)動部分,當(dāng)抓取物體時,進(jìn)氣口打開,出氣口封閉,由于氣缸內(nèi)部氣壓比氣缸外部氣壓大,活塞向上運(yùn)動。當(dāng)恢復(fù)原狀時,進(jìn)氣口封閉,出氣口打開,活塞由于氣缸外部氣壓大于氣缸內(nèi)部氣壓而使活塞向下運(yùn)動。

電磁閥選用兩位三通先導(dǎo)式電磁閥。將氣泵通過氣管與電磁閥連接,再將電磁閥通過氣管與氣缸連接。使用控制開關(guān)實現(xiàn)氣泵和電磁閥的啟動與停止,當(dāng)開關(guān)打開時,氣泵啟動,電磁閥導(dǎo)通。機(jī)械臂每節(jié)由單獨(dú)的氣缸控制,每個電磁閥分別由一個開關(guān)控制,通過氣缸活塞的運(yùn)動使機(jī)械臂張開以實現(xiàn)彎曲,彎曲角度的大小取決于兩個活塞向上運(yùn)動的行程。氣缸在機(jī)械臂上呈螺旋式每節(jié)相隔1209排列從而實現(xiàn)多角度彎曲。氣管分布在機(jī)械臂周圍,以便于機(jī)械臂靈活運(yùn)動。機(jī)械臂頭部裝有一個氣動手爪,當(dāng)機(jī)械臂到達(dá)被抓取物體附近時,氣動手爪張開,抓取物體,通過氣缸活塞的運(yùn)動、舵機(jī)的旋轉(zhuǎn),使機(jī)械臂運(yùn)動到所要求的位置,然后氣動手爪打開,將物體放在相應(yīng)位置處。

2.3回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動

電機(jī)種類繁多,本設(shè)計用了較為常見的兩種電機(jī)進(jìn)行對比分析,并結(jié)合實際情況選出最佳方案。

直流電機(jī)是依靠直流工作電壓運(yùn)行的電機(jī),廣泛應(yīng)用于收錄機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)、自動剃須刀、電吹風(fēng)、電子表、玩具等。直流電機(jī)具有調(diào)速性能好、啟動容易、能夠載重啟動等優(yōu)點(diǎn),所以目前直流電機(jī)的應(yīng)用仍然很廣泛,尤其是在可控硅直流電源出現(xiàn)以后。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,即給電機(jī)加一個脈沖信號,電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。步進(jìn)電機(jī)主要應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域,由于步進(jìn)電機(jī)能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移,所以是理想的執(zhí)行元件。

根據(jù)本次設(shè)計的要求,采用兩相交流86mm步進(jìn)電機(jī)。

3結(jié)論與展望

本文介紹了一種氣動仿生柔性機(jī)械臂的設(shè)計,主體機(jī)械臂結(jié)構(gòu)采用多關(guān)節(jié)構(gòu)造,不同關(guān)節(jié)間采用不同方向的較鏈布局,以此實現(xiàn)機(jī)械臂在不同方向的彎曲運(yùn)動:多關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)變形可以實現(xiàn)機(jī)械臂的伸縮運(yùn)動。驅(qū)動部分采用電磁閥控制的氣缸,利用氣體的可壓縮性實現(xiàn)部分柔性。機(jī)械臂末端安裝氣動機(jī)械手爪,從而使其能夠?qū)崿F(xiàn)物體的安全抓取。本設(shè)計雖然能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期運(yùn)動,但設(shè)計精度及自動化程度不高,下一步研究將集中在這兩個方面。