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2020OEM機械設計技術研討會云會議
工業機器人

使用顆粒傳遞力的軟體夾爪

  2020年03月05日  

  傳統軟體作動器大多依賴氣壓或者液壓驅動,需要密封和較大的驅動泵。在抓取時,往往期望抓手剛度隨變形而增加,傳統作動器很難實現。本文提出了一種使用顆粒來驅動夾爪的軟體作動器,不需要密封,只需要使用活塞推動顆粒即可驅動作動器彎曲。在實驗中,當注入粒子體積由作動器初始體積的1.0倍變為1.8倍時,作動器彎曲至60°,剛度較初始狀態增加近7倍。為了驗證該方法的可行性,研制了由三個軟體作動機構組成的軟體夾爪。該方法為軟體夾爪的設計和開發提供了一個重要的替代方案.


顆粒有兩相:類流體相和類固相

  1988年Rienmuller等人就提出在形狀自適應機器人手指設計中使用粒子;Jiang等人提出了一種通過粒子真空干擾來改變夾持器剛度;Li等人提出了一種被動粒子干擾的概念,通過只控制氣壓來提高軟體作動器   的剛度,從而消除了對真空及其相關控制的需要。顆粒有潛力作為一個新的作動機構設計的媒介.

研究成果可歸納為三點:

  ●將顆粒作為軟體作動器開發的傳輸介質。與氣液基軟體作動器相比,顆粒基作動器不需要專用密封,大大簡化了其制造工藝.
  ●通過控制注入作動器通道的粒子數量,實現了作動器彎曲運動和剛度的實時變化.
  ●驅動由活塞控制,活塞可以由電機驅動,因此不需要復雜的閥門控制和笨重的泵.

\作動器運動模型—彎曲角度
  作動器彎曲主要由于橫截面積增大引起的,由于限制層的存在,因此橫截面積為:

  膨脹體積為:

  因此彎曲角度為:

作動器運動模型 — 彎曲剛度

  內部壓力P可以表達為:

  彎曲剛度表達為:

  其中:

作動器的制造

  使用硅膠(深圳億精細化工股份有限公司EON系列) 制造軟體作動器;采用雙股編織玻璃纖維作為限制應變層;使用3D打印機(MakerBot Replicator Fifth Generation)使用PLA材料打印模具及輔助材料:

通過對不銹鋼球、塑料球、豆類球和玻璃球的性能測試,文章發現實心玻璃球硬度高、導熱系數低、摩擦系數小,性能更好.

軟體夾爪

作動器實驗

  作動器實驗主要測定顆粒直徑、纖維角度、壁厚、硅膠硬度等參數對于作動器性能的影響.

  使用顆粒與使用液體、氣體驅動的比較:

作動器性能

  可以發現輸出的力遠小于輸入的力,但這并不代表效率低,可以看到,多余的輸入力均體現在了系統剛度的增加上.

  當注入粒子時,執行器會彎曲一個角度。活塞壓力釋放后,作動器最好回到初始位置。但是由于粒子的干擾和作動器彈性力的限制,作動器只能部分恢復。為了解決這個問題,將兩個振子模鑄到執行器的限應變層中.

本文所提出的軟致動器具有以下優點:
  ●與氣壓和液壓相比,顆粒傳動不需要精密的密封技術.
  ●通過向作動機構中注入粒子,作動機構具有位姿和剛度變化的雙重功能.
  ●微粒能在作動器和目標物體之間保持良好的接觸,因為微粒能與目標物體的表面相一致.

該作動器的一些缺點:
  ●作動器的運動范圍有一個上限。在原型設計中,當體積比達到1.8時,作動機構的彎曲運動對注入顆粒體積的敏感性降低。這是因為作動器內部的粒子之間形成了內力。這些內力使粒子表現得像固體一樣,從而阻礙進一步的彎曲運動.
  ●本研究利用振動器提高了作動器的可恢復性。在某些應用中,引入的振動可能是不利的。而且沒有研究振動器的最佳功率和頻率.

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