气动软体执行器设计、制造与控制研究

2023-11-06马晓杰张解语崔方圆董亚航王金超

河南工学院学报 2023年5期

马晓杰,张解语,崔方圆,董亚航,王金超

(1.河南工学院机械工程学院,河南新乡 453003;2.河南省机电装备数字化设计与制造工程技术研究中心,河南新乡 453003)

0 引言

工业装配中,人类手指在触觉、视觉系统和工具的协助下,可以完成很多复杂且易损的装配任务,此类灵活、精确的工作是普通工业机械手难以替代的。然而人类手指持续工作中会面临疲劳、受伤等问题,因此,若以人类手指为参考,设计一种气动软体执行器,融合人类手指的灵活性和工业机械手效率高的优点,就可以提高装配质量和效率,降低零件损坏和人类受伤的风险。

软体执行器与传统的刚性执行器不同,其结构具有高度冗余的连续体变形和自由度[1],在制造、分析和控制方面尚缺乏成熟的理论和方法。本文针对工业领域的抓取需求,设计了一种气动软体执行器,通过灵活的配置组成手爪,可以完成不同的抓取和装配任务。同时,也研究了该气动软体执行器的制造、分析和控制方法。

1 气动软体执行器设计

为了满足工业场景中多样的抓取需求,设计的气动软体执行器如图1所示。其变形部分长度为100mm。气动软体执行器端部在给定压力下向一侧偏移,实现对物料的抓取。一侧设有多个凸起的气室,当气室内部给定压力时,这些气室会产生比另一侧更大的膨胀变形,从而驱动该气动软体执行器向气室的相对一侧弯曲。当气压消失,气动软体执行器将随材料的驱动回到原始状态。

图1 气动软体执行器结构

2 气动软体执行器仿真

针对气动软体执行器,可通过运动学建模和动力学建模对其进行解析分析。运动学建模方法有分段常曲率模型和非恒定曲率模型。动力学建模方法包括凯恩法、牛顿-欧拉法和拉格朗日法[2]。然而,对于结构复杂,由复合材料制成的气动软体执行器,有限元模拟具有更广泛的适应性。

为了更具体地研究该气动软体执行器的运动学特性,本文使用了Abaqus软件对图1所示的气动软体执行器样本进行了相关分析。该样本由EcoFlex 00-30硅胶制成,该材料被认为是一种各向同性、不可压缩的超弹性材料。仿真过程中,可通过简化的YEOH(Young-Eyring-Oliver-Hoff)三阶多项式模型来描述其性能[3]:

(1)

(a)有限元网格划分 (b)变形位移结果图2 针对气动软体执行器的有限元仿真结果

(a)参考点压强-位移分量曲线 (b)参考点位移变化曲线图3 参考点位移

由图3可知,在该气动软体执行器中,当气压小于0.6 MPa时,其运动轨迹接近于曲率相等的圆弧,而当气压大于0.6 MPa时,其运动轨迹具有较强的不确定性。

3 气动软体执行器制造工艺

EcoFlex系列硅胶具有优秀的抗撕裂性能和超弹性力学性能。它由两种主要成分混合制备而成,本文简称这两种成分为A和B。这两种成分被充分混合后,可根据需要注入不同形状的模具,从而制备出各种不同形状的气动软体执行器。具体制备过程如下:

① 根据模型实体,使用熔融沉积工艺3D打印技术制作上、下型腔和型芯,然后将它们装配在气动软体执行器模具上,如图4所示。

(a)硅胶一体成型浇筑工艺示意 (b)硅胶浇筑模具图4 硅胶一体浇筑成型工艺

② 将A、B组份EcoFlex00-30硅胶混合并充分搅拌10分钟后注入装配好的模具中,进行15分钟的真空去泡处理,随后静置6小时,等待硅胶完全凝固。

③ 缓慢拆解模具,抽出型芯,修整气动软体执行器端面,采用3D打印制造端部密封件,以固定其端部,得到气动软体执行器单元成品,如图5所示。

图5 气动软体执行器原理样机

4 原理样机实验

为了验证仿真的准确性,本文设计了如图6所示的实验平台。平台包括气压定量传递装置、光源和工业相机。气压定量传递装置包括气源、气体过滤器、比例阀以及控制板等元件,控制板可以接收来自上位机的信号并控制比例阀以输出相应的气压。光源和工业相机组成了一个结构化的光照系统,通过适当的标定信息,我们可以精确、实时地通过视觉测量气动软体执行器的变形。