引言
軟體機器人是從仿生學(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器人。機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)機器人電機驅(qū)動,軟體機器人的驅(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)動等先進技術(shù)相結(jié)合,逐漸成為國內(nèi)外機器人領(lǐng)域的研究熱點之一。
本文模擬章魚觸手運動特點,設(shè)計了一款柔性機械臂。不同于常見軟體機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)機械臂在不同方向的彎曲運動:多關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)變形可以實現(xiàn)機械臂的伸縮運動。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。機械臂末端安裝柔性仿生機械爪,從而使其能夠?qū)崿F(xiàn)物體的抓取。為了滿足氣動軟體機器人的靈活利用以及多場景工作的需求,將柔性機械臂安裝在電驅(qū)動小車上。
1柔性機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動實現(xiàn)
1.1機器人整體布局設(shè)計
本研究主要關(guān)注多自由度柔性機械臂和氣動手爪,為了擴大機械臂作業(yè)空間,其整體機構(gòu)設(shè)計與分布
如圖1所示。
圖1機械臂整體結(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。柔性機械臂和移動平臺之間通過舵機和固定梁連接,氣動手爪固定于機械臂末端。
作為核心部件的機械臂共有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。機械臂末端連接一氣動機械爪,用于抓取物體。獨立關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2機械臂單個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖
1.2彎曲運動實現(xiàn)
每個獨立關(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)多個方向彎曲運動。
當(dāng)關(guān)節(jié)一氣缸伸長時,機械臂彎曲情況如圖3所示。其他關(guān)節(jié)彎曲情況類似。
圖3機械臂關(guān)節(jié)一氣缸伸長時示意圖
1.3伸縮運動實現(xiàn)
伸縮運動的實現(xiàn)是靠多個關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。機械臂共有6個獨立關(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)為空間直線運動,也就是機械臂的伸長(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,機械臂變形情況如圖4所示。
圖4機械臂關(guān)節(jié)一、二、三伸長時示意圖
1.4回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計
由于機械臂各獨立關(guān)節(jié)間夾角均為120°,只能朝向特定角度彎曲。為了實現(xiàn)機械臂多向彎曲運作,擴大作業(yè)空間,團隊為機械臂增加了回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。設(shè)計將機械臂安裝在舵機上,舵機結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過89C51主控芯片控制舵機旋轉(zhuǎn)的角度和角速度,以此來實現(xiàn)對機械臂轉(zhuǎn)向的控制。回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計,既增加了機械臂的自由度,又可以在某些情況下替代移動平臺的運動,完成搬運操作,大大提高了工作效率。
圖5舵機結(jié)構(gòu)圖
1.5爪部設(shè)計
氣動五指機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)運動轉(zhuǎn)化為機械爪的抓取運動。當(dāng)氣缸桿向外部伸長時,機械爪呈張開形式:當(dāng)氣缸桿向內(nèi)收縮時,機械爪呈抓握形式。機械爪的抓取角度取決于氣缸桿的伸縮長度,圖6展示了機械爪放松與抓取時的狀態(tài)。
圖6氣動機械爪兩種狀態(tài)
2柔性機械臂驅(qū)動設(shè)計
2.1常用驅(qū)動方式比較
2.1.1電機驅(qū)動方式
電機驅(qū)動是利用各種電機產(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構(gòu)來驅(qū)動機器人的關(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、運動精度高、維護成本低和驅(qū)動效率高的優(yōu)點。使用的電機有4種類型:步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機和線性電機。
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2000:1)等特點,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)換為機械能,以驅(qū)動執(zhí)行器完成預(yù)定的運動。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、安裝維護方便、安全、成本低、對環(huán)境無污染的優(yōu)點。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)、護理和協(xié)助方面與人類協(xié)作的機器人。本文研究設(shè)計的仿生柔性機械臂要求結(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,結(jié)合仿生柔性機械臂的實際情況,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:體積小巧、噪聲小、功耗小、易于操作、便于攜帶、免維護、可24h連續(xù)運轉(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,活塞向上運動。當(dāng)恢復(fù)原狀時,進氣口封閉,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。機械臂每節(jié)由單獨的氣缸控制,每個電磁閥分別由一個開關(guān)控制,通過氣缸活塞的運動使機械臂張開以實現(xiàn)彎曲,彎曲角度的大小取決于兩個活塞向上運動的行程。氣缸在機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。氣管分布在機械臂周圍,以便于機械臂靈活運動。機械臂頭部裝有一個氣動手爪,當(dāng)機械臂到達被抓取物體附近時,氣動手爪張開,抓取物體,通過氣缸活塞的運動、舵機的旋轉(zhuǎn),使機械臂運動到所要求的位置,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
電機種類繁多,本設(shè)計用了較為常見的兩種電機進行對比分析,并結(jié)合實際情況選出最佳方案。
直流電機是依靠直流工作電壓運行的電機,廣泛應(yīng)用于收錄機、錄像機、影碟機、自動剃須刀、電吹風(fēng)、電子表、玩具等。直流電機具有調(diào)速性能好、啟動容易、能夠載重啟動等優(yōu)點,所以目前直流電機的應(yīng)用仍然很廣泛,尤其是在可控硅直流電源出現(xiàn)以后。
步進電機是將電脈沖信號轉(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,即給電機加一個脈沖信號,電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。步進電機主要應(yīng)用在數(shù)控機床制造領(lǐng)域,由于步進電機能夠直接將數(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步進電機。
3結(jié)論與展望
本文介紹了一種氣動仿生柔性機械臂的設(shè)計,主體機械臂結(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)機械臂在不同方向的彎曲運動:多關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)變形可以實現(xiàn)機械臂的伸縮運動。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。機械臂末端安裝氣動機械手爪,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。
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