一种新型的能“动静结合”自由抓取的柔性机械手!

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该研究提出了一种用于处理微细尺度物体的多指臂端工装机构的新设计。更具体地说,该研究旨在开发一种专为快速3D可制造性而设计的顺应性假肢机械手。微夹持器由对称布置的多柔性五梁机构构成,提供三维操作。


进行了全面的一维和三维有限元建模仿真,包括几何优化,结构和动态分析,有无抓取目标,模态和屈曲分析。结果显示了调整结构响应的能力,以达到细到粗的位移,允许抓取不规则形状。本文以“Prosthetic finger based on fully compliant mechanism for multi-scale grasping”为题于2020年10月6日发布于《Microsystem Technologies》杂志上。


研究背景与实验


机器人手臂末端工具(EOAT)通常是夹钳或安装在机器人手腕上的辅助工具。这些终端执行器是典型的定制为特定的过程,如拾取-n-place组装。抓手或抓握器通常是用于拾起、移动和放置操作的电动机械或流体机械机构。


应用实例包括用于装载、卸载、装配、分类和物体定位的工业制造、远程车辆操纵器、生物过程和外科手术。大规模生产中使用的工业机器人系统是基于固定自动化的,每一件产品都需要固定的工装。然而,由于产品的复杂性以批量生产的形式大幅增加,灵活的自动化对于适应产品配置的多样性变得至关重要。实际的第一个可控的抓手出现在1969年,由斯坦福大学开发,它是由一个双板平行的抓手组成,可以一起或分开来抓和放置物体。


这是在后来发展出速度快但危险的不可控钳子之后发生的。气动源用于这种不可控的驱动,至今仍在使用。


这项研究延伸到目前最先进的方法,通过检查为制造性而设计的多功能夹具。其中一个目标是获得一种能够精确抓取大型物体的设计。这样的微尺度位移精度通常不是抓取大尺寸物体的必要条件。然而,微尺度位移精度通常是基于微机电夹持器和主要是由材料如SU8微机械在二维形状。另一方面,三指爪经常大规模地存在,用于对大型物体进行粗糙或离散的操作。


一种先进的抓取装置运动学是从一种柔顺的五梁机构发展而来的,该机构被用作构造多指类手机械手的构件,如图所示。一般来说,手指数目较多的夹钳可以通过排列多个手指来配置。


图为三维多尺度夹持器的机械设计


图为处理微型中尺度物体的抓取器:a实体模型的有限元网格。b立体色谱法生产柔顺原型


提供了一种将移动的梭子悬挂在垂直方向并抑制横向倾斜的手段。它还防止移动部件之间的接触摩擦,并帮助自对准和自稳定指尖在操作过程中。此外,它还可以作为一个设计参数,以匹配整体柔顺之间的夹持器和穿梭机执行机构。因此,在给定的驱动源下,夹具的静态和动态特性可以调整,以满足制造和设计要求。


另一方面,五梁机构的设计配置,材料的选择和图案的数量,使设计者能够满足一系列的设计规范,如位移范围,打开和关闭。最后,结构内部有机械限位,为拉下或向上推模式下的粗挠度确定了一个安全的操作范围。指尖与被抓取的物体之间的接触力可以通过调整夹持器的柔顺性或涂敷指尖来调节。


图为建议的抓取机构的驱动方法实例


使用一维(1-D)线模型,其中GA由输出与输入位移之比定义。然后利用优化的几何形状构造三维实体模型。利用ANSYS平台(Chen和Liu)提供的有限元模型,对实体模型的功能和力学特性进行了分析。


第二个目标是从抓取物体的能力来检查夹持器的灵活性,例如球形珠子,大小在微米到毫米之间。这是通过研究与关闭和开启对应的最大尖端位移得到的。第三个目标是研究抓取器的性能如何随着几何尺寸的变化而变化。


图为利用ANSYS Workbensch进行几何优化


研究网格技术和网格尺寸的目的是为了保证从三维模型分析得到的解是收敛的。夹钳配置使用从图中所示的优化线模型中更新的几何图形。第二种网格分析涉及收敛性问题,这是一种确定有限元单元尺寸的方法。随着单元或节点数量的增加,网格变得更加精细,给出了更精确的解,但在计算上却更加详尽。


图为网格收敛


对优化后的三维模型的指尖变形和总最大应力输出进行了数值模拟,并从前一节中选取了网格参数。本分析的目的是获得不超过材料极限抗拉强度的安全驱动条件。


图为EM力作用下的开放模式


第二部分是对电磁力作用于航天飞机下行方向的封闭模式静态结构分析的仿真研究。


图为在压电势作用下的闭合模式


上述结构分析表明,夹持器根据输入力的分辨率,能够产生一个范围的运动,能够对小到毫米大小的物体进行纠察。


图为指尖弯曲模式的例子


图为不同情况下的曲度


在EM和PE驱动下,模拟了夹持器开合的动态时间响应。ABS的动态阻尼性能是在ANSYS平台上从材料数据库中指定的。研究了三种情况下的挠度时间响应。在案例1中,三角形输入形状函数如图所示。


图为电磁驱动三角输入力作用下指尖位移的瞬态时间响应


图为电磁驱动平方输入力作用下指尖位移的瞬态时间响应


图为PE驱动方输入力作用下指尖位移的瞬态时间响应


由EM载荷产生的总时间跨度为1s,输入力在0.2~0.4s之间向上倾斜至0.0 4N,然后输入载荷下降到0.003.6~0.8s,在0.6~0.8s之间停留,图中左垂直轴方向指尖变形图。输入突变(0.01s坡道)在停留时间内对指尖位移产生了很小的扰动,上升时间约为10 ms,达到稳定状态。最后一种情况评估了在0~190 N之间切换的PE输入力,其停留时间分别为(0-0.2)s和(0.41-0.6)s,这导致夹持器以0.036995 mm的稳态偏转关闭。


在SolidWorks中建立了该夹钳的简化实体模型,并将其转换为STL文件。然后利用Mojo 3D打印机从ABS材料中制作模型。


图为电磁致动器特性试验装置:a线弹性弹簧线圈位移与力的测量。b位移与功率的关系(Ⅳ)--恒定有效载荷下的测量


第二组实验研究了电磁驱动下夹钳指尖的开启和闭合。在一定的输入功率范围内,测量指尖的位移和无功力。


图为夹钳特性试验装置:a位移测量b测力


图为由于电磁驱动而在指尖测量的力和位移:a自由移动指尖和无接触力的位移测量。b指尖直接接触力传感器的力测量


图为开模和模拟弹性模量为120 MPa时试验结果与有限元结果的比较


按单位位移打开夹钳所需的力大于关闭相同单位位移所需的力。这一差异可能是由于印刷质量的原因,这可能产生各向异性的结构,也由于非线性的电磁执行器。通过模拟图中的非线性曲线拟合,可以得到更精确的位移-力曲线的非线性拟合。


此外,还对在穿梭机中心施加的静输入力范围进行了静力结构有限元分析。10 gf的输入力使指尖张开0.344 mm。用取代10 gf拟合的非线性曲线得到了相应的实验位移,得到了0.375 mm的实验位移。


研究结论


该研究提出了一种由多根5根对称布局的夹持机构,用于处理微观和宏观尺度的物体,这是开发自适应操纵夹持器的关键设计因素。该研究给出了一系列有限元分析和初步试验结果。


介绍了一种可伸缩抓取机构的静态、动态特性及其优化设计。这种设计的一个优点是由于它有争议的弹性结构,可以通过使用快速原型技术立即构建,而不需要组装组件。该机构可同时或有选择地由两个独立的输入力驱动,从而产生手指的粗、细运动。这产生了两种操作模式:同时大开或关闭所有手指,和精细关闭任何选择的手指。


这些操纵能力和可调依从允许抓取不规则形状的对象。有限元分析表明,夹具结构对输入力呈线性位移响应。这使得结构性能与被缩放的夹持器的大小成比例,因此能够适应一系列对象大小范围内的取放操作。


其他性能优势的提出的夹持器,包括应用足够的接触力的能力,以安全处理,可以控制使用模拟输入和输出模型。初步的实验研究包括测试一个快速原型夹具在电磁驱动下的开启和关闭。结果表明,由于磁驱动引起的指尖反力位移会引起一个小的非线性响应。此外,由于执行机构的非线性和印刷结构的各向异性,导致了开关方式的不对称。


未来的工作是使用高分辨率数字打印机获得物理原型,然后对其功能进行表征,目的是提高设计的健壮性,并提高柔性自动化系统中工业机械臂装配操作的工装成本。此外,未来的工作将包括开发用于检测柔性结构中大弯曲的控制策略和受阻传感器。


参考文献:Mohammad Mayyas & Ikya Mamidala Prosthetic finger based on fully compliant mechanism for multi-scale grasping  Microsystem Technologies (2020)



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