一种柔性驱动器及自适应夹爪设计与研究

2023-09-20刘金荣蒋小毛欧佳顺曾乐

农业装备与车辆工程 2023年9期

刘金荣，蒋小毛，欧佳顺，曾乐

（410124 湖南省长沙市长沙航空职业技术学院航空机械制造学院）

0 引言

随着机器人及其相关技术的发展，抓取机构被越来越多地应用到农业、服务业、生物医疗等行业，对抓取机构的设计和研究也越来越多。由于刚性抓取机构不能自动检测压力及调整夹取力的大小，容易导致被夹取的易碎、柔软物体破损，所以相关研究者开展了柔性抓取机构研究。1997 年，加拿大西蒙·弗雷斯特大学设计了一种可重新构形的机械爪[1]，该机械爪的各个手指都具有被动柔顺功能，可自行变化以适应抓取对象的形状，实现对抓取物的顺利抓取，适应性良好，但是对目标物的被动适应能力需进一步提高；21 世纪初，日本东芝机械研究实验室成功开发了一种智能机器人的夹紧机构，该机构通过触觉传感器检测目标物体的形状，对其进行精准抓取[2]；康文波[3]设计了一种气动旋转抓取机构，利用旋转缸对被抓取物品进行角度调整，通过改变旋转缸转轴的位置调节两抓取位置的高度差和水平差，可应用于90°旋转搬运的场合；龚楠等[4]设计了一款新型的爬杆机器人夹持机构，采用双弹簧、气动推杆结构和柔性体贴合壁面的设计实现了夹持功能，但该夹持机构结构复杂，安装精度要求高，适应场合少；国外某公司开发了一款充气式的软体机械臂[5]，充气情况下可以迅速变硬抵抗外部负载实现抓取，主要用于杆状物的爬行作业；上海大学通过软体驱动器的可变性和气体压缩性对易损物品进行无损抓取，抓取手有一定的自适应能力[6]；为解决空心薄壁开口类零件的自动化生产夹取问题，杨耀臣等[7]设计了一种多点夹持机构，该夹持机构具有结构简单、体积小、夹持力大、夹持范围广等优点，但仍采用刚性夹取，不适用于不同力度的夹取；吴俊利[8]设计了一款外夹式飞行器舱盖搬运机械手，该机械手通过丝杆推动螺母进而推动连杆，手指在连杆的推动下张开，在推板抵住舱盖时手部夹紧将辅助肋板夹住，实现了舱盖的抓取动作；石晶[2]设计了一款化妆棉转运机械手，采用气缸夹取和放料，但仅可针对化妆棉的夹取，应用范围窄；王震[9]研究了基于视-触觉融合的柔性体抓取技术，主要依靠视觉感知系统，在接触时容易使柔性体产生比较大的变形，导致物体的损坏；王君章等[10]将传动机构和气动元件结合在一起，对输液软袋这种形状不稳定的物体进行抓取，同时建立了自动装卸搬运系统，提高了效率和安全性。

目前柔性夹取机构研究仍有很多难题需要解决，例如在现实环境中，并不是所有场景都需夹取机构具有柔性，在支撑或夹取时就需要夹取机构具有一定刚度；另外，由于柔性夹取机构自身材料比较柔软易变，在抓取质量较大的物体时不能很好地保持固定形状，无法精准控制，负载能力较低。因此提高柔性夹取机构的负载能力与刚度是十分重要的。为了解决上述问题，本文设计了一种变刚度柔性驱动的自适应夹爪，通过变刚度使夹取机构在高刚度状态与柔软状态间自由转换，解决其负载能力差的问题。

1 结构设计

针对现有刚性及柔性抓取器存在的不足，本文设计了一种柔性驱动器及自适应夹爪。柔性驱动器由外壳包围的气囊构成，外壳是由多件刚性段和多件柔性段相互连接形成的框架结构；气囊设置在框架结构的内壁之间，通过控制气囊内气体的饱和度来控制外壳的刚性。自适应夹爪包括刚性夹爪、传动装置、固定板和柔性驱动器。传动装置安装在固定板上，刚性夹爪通过滑块机构与传动机构相连接，传动机构驱动刚性夹爪进行夹持，柔性驱动器安装在刚性夹爪的末端位置区域段。该自适应机器人夹爪采用传动装置对刚性夹爪进行驱动，并通过在刚性夹爪上设置柔性驱动器，实现对被夹持物的夹持力可调，智能适应不同抓取需求，保证夹持安全可靠。

1.1 整体结构设计

本文设计的柔性抓取器主要由柔性驱动器、刚性夹爪、传动装置、铰链、固定板、气缸、气泵等组成，整体结构如图1 所示。

图1 柔性抓取器整体结构图Fig.1 Overall structure diagram of flexible gripper

1.2 传动装置结构设计

传动装置结构如图2、图3 所示，主要由步进电机、蜗杆、蜗轮、传动轴、第1 齿轮、齿条组件、第2 齿轮、第1 立柱、第2 立柱、绕线轮、钢丝绳、滑轮、弹簧组成。传动机构的动力为步进电机，通过电机转速控制夹取机构的移动速度。

图2 传动装置结构1Fig.2 Transmission device structure 1

传动过程：步进电机将运动和力传递给涡轮蜗杆，涡轮通过传动轴将运动和力传递给第1 齿轮，第1 齿轮再将运动和力传递给第2 齿轮或齿条机构；第2 齿轮和绕线轮同轴，绕线轮会随着第2 齿轮旋转，绕线轮上缠绕钢丝绳，绕线轮旋转会带动钢丝绳移动，从而拉动齿条组件往后运动；齿条通过销与刚性夹爪连接，使刚性夹爪夹紧；当传递给齿条机构时，齿轮通过和齿条啮合传递动力使齿条向后运动，齿条通过销与刚性夹爪连接，使刚性夹爪夹紧。

2 工作原理及方案

2.1 工作原理

自适应机器人夹爪根据不同的抓取对象，分为2 种工作方式。

方式1：当需要夹爪抓取力足够大时，直线电机控制第1 齿轮与齿条组件啮合，动力传递路线为：步进电机→蜗杆→蜗轮→传动轴→齿条组件→刚性夹爪→柔性驱动器→被夹取物，此时柔性驱动器为完全未展开状态。其中，蜗轮蜗杆机构具有反向自锁特性，可使夹持不松动，即使发生断电等意外仍可保持夹持稳定。为适应不同形状及规格的被夹取物，可将柔性驱动器运动到不同角度，柔性驱动器在不同角度下具有不同的刚度，可适应不同物品的夹持。

方式2：当被夹持物体为易碎品或者异形时，启动柔性驱动器，此时柔性驱动器为一软体夹爪，根据不同夹取物体情况分为3 种方式夹取：

（1）当需要夹取不轻易变形物体且抓取力足够大时，柔性驱动器展开，由气泵提供柔性驱动器的动力，并且刚性夹爪也移动，直线电机控制第1齿轮与齿条组件啮合，动力传递路线为：步进电机→蜗杆→蜗轮→传动轴→第1 齿轮→齿条组件→刚性夹爪→柔性驱动器→被夹取物。

（2）当被夹持物体比较轻时，直线电机控制第1 齿轮与齿条组件啮合，动力传递路线：步进电机→蜗杆→蜗轮→传动轴→第1 齿轮→齿条组件→刚性夹爪→柔性驱动器→被夹取物，但此时步进电机不工作，只有柔性驱动器作为柔性夹爪工作，气泵给柔性驱动器提供夹取动力。蜗轮蜗杆机构的反向自锁特性，刚性夹爪在断电时会保持固定状态，不影响柔性夹爪的使用。仅使用柔性夹爪既可以有效保护被夹物体，也可以达到节能效果。

（3）当被夹持物体极易被损坏时，控制直线电机顶起，此时第1 齿轮与第2 齿轮啮合，动力传递路线为：步进电机→蜗杆→蜗轮→传动轴→第1齿轮→第2 齿轮→绕线轮→钢丝绳→弹簧→齿条组件→刚性夹爪→柔性驱动器→被夹取物。由于弹簧的存在，作用在被夹物体上的力从0 开始逐渐施加，可以有效保护被夹物体。

2.2 智能夹持方案

该自适应机器人夹爪可应用于驱动设备或机器人设备上，能够针对不同的被夹持对象智能选择工作方式，实现方式如下：在柔性驱动器的一个面上安装压力传感器，根据压力传感器反馈的信号获得被夹物体的软硬状态等参数，根据不同物体的软硬状态、质量等参数选择不同的工作方案与方式，智能控制结构图如图4 所示。

图4 智能控制方案Fig.4 Intelligent control scheme

当物体较重时，采用方式1 工作：直线电机下移带动第1 齿轮与齿条组件直接啮合使刚性夹爪运动，此时气泵不工作，因气泵与柔性驱动器连接，所以柔性驱动器不启动。该方式可以保证足够大的夹持力；当压力传感器检测到被夹物体比较软或者为异形时，启用柔性驱动器，采用方式2 工作，根据压力传感器反馈的信号调整气泵的压力，保证被夹物体的安全。