模块化气动扭转软体抓手的仿真与实验

张远飞，刘 胜，霍前俊，徐青瑜

（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620）

0 引言

传统的末端执行器多为刚性结构，通过多点接触产生的摩擦力实现夹持，虽然这些刚性结构具有较高的精度，但是却难以抓取易碎、形状不规则的物体。为了实现更加理想的抓取，很多学者通过仿生的方法研究了自然界中的大象[1]、章鱼[2,3]、蛇[4]等生物，提出了软体抓手的概念。

软体驱动器是软体抓手的核心部件，主要依靠软体驱动器来实现抓取、夹持动作。软体驱动器一般由低弹性模量的材料通过3D打印或3D打印模具浇注而成[5,6]。目前常用的软体驱动器材料有：形状记忆合金、水凝胶、硅胶材料和复合材料等[7,8]。由弹性材料构成的软体驱动器常采用气体驱动[9]，目前常用的气动软体驱动器有多腔型和纤维增强型两种[10,11]。其中多腔型软体驱动器通过改变腔室结构就能够实现弯曲、扭转等复杂运动，并且结构简单、制造方便[12]，因此多腔型气动软体驱动器被国内外学者广泛研究应用。例如，ILIEVSKI等[13]研发了一种自适应性很强的气动多腔型软体海星夹持器，能够有效包络和夹持物体，但该抓手与物体的接触力较小，抓取物体时的稳定性不够。Manti M[14]等设计了一种具有良好适应性且能够实现无损抓取的软体机械手。HAO Yufei等[15]研发并制作了一种气动多腔型软体抓手，通过实验测试了其抓取性能。魏树军[16]等设计并制作了一种纤维增强型的三指软体抓手，并进行了抓取直径、重量等性能测试。曹毅[17]等模仿蛇的螺旋缠绕运形态设计了一种纤维增强型缠绕软体抓手，能够有效提高抓手的夹持力。

目前，研究弯曲多腔型软体驱动器的比较多，研究扭转多腔型软体驱动器的比较少。并且采用多腔型气动软体驱动器制作的软体抓手很少有能够有效地抓取棒状等较长物体的，其末端与物体的接触力较小，对物体的抓取稳定性不够。基于此，本文设计并且制作了一种模块化的扭转软体抓手，该抓手能够根据所要抓取物体的长度来调整模块数，以增加抓手与物体之间的接触点，使接触力平均分布，增加对较长棒状物体的抓取力。通过ABAQUS有限元分析软件对不同腔室角度进行分析，选择合适的软体驱动器腔室角度，并进行软体抓手扭转角度和末端接触力的分析。通过样机抓取实验验证所设计的软体抓手对棒状等较长物体具有良好的抓取效果。

1 软体驱动器设计

1.1 软体驱动器的结构设计

目前，多腔型气动软体驱动器以哈弗大学的PneuNet结构为代表，该结构能够产生弯曲变形效果[18]。基于PneuNet结构，通过改变腔室角度来实现气动软体驱动器的扭转效果。图1是腔室角度分别为45°、60°、75°的软体驱动器的结构。

图1 不同腔室角度的软体驱动器

通过ABAQUS有限元分析软件分别对腔室角度为45°、60°、75°的软体驱动器进行分析。如图2所示分别是腔室角度为45°、60°、75°的软体驱动器的ABAQUS有限元分析位移云图，图3为在0.02MPa大气压强作用下腔室角度为45°、60°、75°的软体驱动器绕x轴的扭转角度随时间的变化。

图2 不同腔室角度软体驱动器的有限元分析云图

图3 软体驱动器绕X扭转曲线图

结合图2和图3可以知道腔室角度为60°的软体驱动器的扭转角度更大，响应速度更快。因此下文主要对腔室角度为60°的软体驱动器进行研究。

1.2 软体驱动器参数的选取

通过ABAQUS有限元分析后选用腔室角度为60°的软体驱动器。如图4所示为腔室角度θ=60°的软体驱动器的外部及内部结构。

图4 60°的软体驱动器尺寸

软体驱动器在整体上可以分为三个部分，底部是橡胶实体层，底层橡胶材料较厚，可有效限制底层沿长度L方向的伸长和沿宽度S方向的膨胀。上部为气囊层，单个气囊与长度方向锐角夹角为θ，能够实现扭转动作。橡胶实体层和气囊层中间为矩形气体通道，表1为单个软体驱动器的尺寸参数。

表1 软体驱动器的尺寸参数

2 软体驱动器的有限元分析

2.1 硅胶材料超弹性本构模型

硅胶是一种不可压缩的超弹性材料，一般采用Neo-Hookean、Mooney-Rivlin和Yeoh三种应变能密度函数来搭建应变和应力之间的非线性模型。其中，Mooney-Rivlin模型能够模拟大部分橡胶材料的力学特性，适用于中小变形的分析，Yeoh模型适用于较大变形的分析[19，20]。硅胶的变形属于较大程度的变形，因此，采用Yeoh模型来构建硅胶材料的应变和应力之间的非线性关系。其应变能密度函数模型如式(1)所示：

其中，J是硅胶材料变形前和变形后的体积比，对于不可压缩的硅胶材料J=1，材料常数dk由材料试验确定。N为Yeoh模型应变能密度函数的阶数，常用的Yeoh模型的阶数为两阶，其二项式参数形式如式(2)所示：

其中，I1为应变张量不变量，材料选用硬度shore A为35±5的硅胶，材料参数C10=0.11，C20=0.01。

2.2 单个软体驱动器模块的性能分析

1）单个模块的力学性能分析

将单个模块的一端施加完全固定约束，以0.005MPa为梯度通入气体，通过ABAQUS进行有限元分析，得到腔室角度为60°的单个软体驱动器模块的压强-最大输出力曲线，如图5所示。

图5 压强与输出力曲线图

通过图5可以看出单个软体驱动器的输出压力与输入压强近似成正比，当输入气压达到0.05MPa时，单个软体驱动器的最大压力能够达到3.5N。

2）单个模块的扭转性能分析

将单个软体驱动器模块的一端施加完全固定约束，以0.005MPa为梯度通入气体，通过ABAQUS进行有限元分析，得到腔室角度为60°的单个软体驱动器模块绕x轴的压强-扭转角度曲线，如图6所示。

图6 压强与扭转角度曲线图

如图6所示，通入的大气压强与单个模块软体驱动器绕x轴扭转角度近似成正比，当压强为0.05MPa时软体驱动器绕x轴扭转角度约等于4rad。

2.3 双模块软体抓手的性能分析

单个模块软体抓手与棒状被抓物体之间的接触点较少，对于较长棒状物体的抓取宜采用多模块软体抓手，有利于提高对于棒状物体抓取的稳定性。如图7所示为由两个相同软体驱动器连接而成的双模块软体抓手的示意图。

图7 双模块软体抓手示意图

1）双模块软体抓手的扭转性能分析

将双模块软体抓手的一端施加完全固定约束，以0.005MPa为梯度通入气体，通过ABAQUS有限元分析软件进行分析，得到双模块软体抓手绕x轴扭转角度与压强之间的关系，如图8的曲线所示。

图8 双模块软体抓手压强与扭转角度曲线图

图8为双模块软体抓手在大气压强作用下绕x轴的扭转角度，在0.025MPa大气压后扭转角度增势加快，在0.04MPa大气压作用下双模块软体抓手绕x轴的扭转角度能够达到接近360°，在0.05MPa大气压作用下能够扭转一周多，能够很好的实现增大接触面积的目的，有利于稳定抓取。

2）双模块软体抓手的力学性能分析

将双模块软体抓手的一端施加完全固定约束，以0.005MPa为梯度通入气体，通过ABAQUS有限元分析软件进行分析，得到双模块软体抓手上参考点处与压强之间的关系，如图9所示。

如图9所示，双模块软体抓手在大气压强为0～0.035MPa时大气压强与参考点处输出力近似成正比，在0.035MPa后双模块软体抓手参考点处的输出力随所通入的大气压强的增大增幅变大，在0.05MPa大气压作用下双模块软体驱动器上的参考点处的输出力能够达到3.5N。

3 软体驱动器的制作

气动软体驱动器的制作采取模具浇注成型的方式，如图10为气动软体驱动器的制取流程。

图10 气动软体驱动器的制取流程图

3.1 模具设计与制作

通过Creo2.0三维绘图软件绘制软体驱动器的三维模型。整个软体驱动器模型分为两个部分，上半部分为腔室部分，下半部分为底板部分。针对上述两部分分别设计模具，模具三维模型如图11所示。

图11 软体驱动器模具模型

将绘制好的三维模型保存为.STL格式并导入3D打印机中进行打印成型，如图12所示。

图12 3D打印模具实体

3.2 软体驱动器成型

将硬度Shore A为35±5的半透明硅胶液体与固化剂按照100：2.5±1的比例混合。为了减少气泡，可以适当减小固化剂的比例，增加固化时间，并且沿着一个方向搅拌混合后的硅胶液体。先在模具上涂刷薄薄一层硅胶，等气泡消失后再将模具灌满，然后将模具的两部分闭合，静止3小时后将成型的部分软体驱动器取出来。最后将成型的软体驱动器的上下两部分通过硅胶粘连接在一起来完成软体驱动器的制作。将单个模块末端用硅胶专用胶粘在一起构成双模块软体抓手，如图13所示为双模块软体抓手。

图13 硅胶模型实体

4 软体驱动器样机的性能试验

4.1 试验平台的搭建

图15为搭建的实验平台，主要由计算机、电源、气泵、调压阀、软体驱动器、PU软管、PU气管三通、直通接头、测力计和角度测量尺等组成。

图15 试验平台

其中计算机用于处理输出测力计所测得的数据，调压阀用于调节控制输入压力，PU气管接头用于将气泵输出气体分流到多个软体驱动器，角度测量尺用于测量软体抓手的扭转角度。

4.2 扭转试验

1）单模块软体抓手扭转角度试验

以0.005MPa梯度通入大气压，待单模块软体抓手的扭转角度稳定后用角度测量尺测量其扭转角度。如图16为其在不同大气压作用下的扭转角度变化。

图16 单模块扭转角度

将实验采集的扭转角度数据与ABAQUS有限元分析所得到的扭转角度数据拟合得到如图17所示拟合曲线图。

图17 单模块扭转角度拟合曲线

如图17所示，单个模块的软体抓手的扭转实验结果与ABAQUS仿真结果基本一致，验证了有限元模型的正确性。

2）双模块软体抓手扭转角度试验

以0.005MPa梯度通入大气压，待双模块软体抓手的扭转角度稳定后用角度测量尺测量扭转角度。如图18为其在不同大气压作用下的扭转角度变化。图19为双模块软体抓手扭转的仿真数据与实验数据拟合曲线。

图19 双模块扭转角度拟合曲线

如图19所示，在气压小于0.025Mpa时，固定端模块的扭转程度由于一端固定的原因明显小于末端模块。且双模块软体抓手在0.03Mpa时扭转角度已经接近360°，能够很好地包裹被抓物体。

4.3 接触力试验

软体抓手接触力试验

将软体抓手的一端固定，以0.005MPa为梯度通入大气压，使用苏测SH-100型测力计分别测量不同大气压作用下单模块与上模块软体抓手末端的压力大小。如图20、图21为软体抓手末端压力实验与有限元仿真据的拟合曲线。

图20 抓手末端接触力拟合曲线

4.4 实物抓取试验

抓取直径和抓取重量试验

最大气压设置为0.05Mpa，在最大气压下测试抓手能够抓取的最小直径棒状物体。最小气压设置为0.02Mpa，在最小气压下测试能够抓取的最大直径。如图21所示为单模块和双模模块抓手能够抓取的最小直径和最大直径。

图21 抓取直径实验

取圆周率为3.14，如图21单模块软体抓手能够抓取的最小直径为dmin=1.31cm，最大直径为max=3.28cm，双模块抓手能够抓取的最小直径为Dmin=1.02cm，最大直径为Dmax=6.27cm。

保持最大气压0.05MPa，通过电子秤称量重量向抓手逐渐增加重量，从而测试抓手能够抓取的最大重量。图22为单模块和双模块能够抓取的最大重量，分别为0.3475kg、1.013kg。双模块软体抓手的抓取重量显著增加。

图22 抓取重量

5 结语

1）通过ABAQUS有限元分析研究软体驱动器腔室角度对于扭转性能的影响，确定了扭转驱动器的较优结构，基于此设计了腔室角度为60°的扭转驱动器；

2）通过模块化的组合得到双模块软体抓手，并进行单模块和双模块软体抓手的扭转和末端接触力有限元分析和样机试验，将仿真数据和实验数据进行拟合，拟合结果表明实验结果和仿真结果基本一致；

3）对单模块和双模块软体抓手进行样机抓取试验，其中单模块软体抓手能够抓取的最小直径为dmin=1.31cm，最大直径为dmax=3.28cm，抓取的最大重量为0.3475kg；双模块抓手能够抓取的最小直径为Dmin=1.02cm，最小直径为Dmax=6.27cm，抓取的最大重量为1.013kg。双模块软体抓手的抓取能力明显优于单模块软体抓手的能力。进一步的研究可考虑加入更多模块，研究双模块以上的软体抓手的性能。