《厦门理工学院学报》  2021年第1期 16-21   出版日期:2021-02-28   ISSN:1673-4432   CN:35-1289/Z
绳驱单关节柔性手指的优化设计


柔性机械手指是由柔性材料制作而成的仿人机械装置,由于柔性材料的柔韧性和适应性,使得柔性机械手指与传统的刚性机械手指相比更加灵活,更能够适应复杂的外界操作环境,因此,得到了国内外学者的广泛关注[1]。近年来,3D打印技术与柔性材料的发展进一步推动了柔性手指的研究,解决了柔性机械手指的制造难题。同时,类橡胶聚合物[23]、形状记忆合金[45]、智能复合材料[67]等柔性及仿生材料的出现,为柔性机械手指提供了新的设计思路及制造工艺流程。然而,柔性机械手指通常是以伸缩、弯曲、扭转等变形来完成目标任务,传统的电机及其传动无法满足驱动要求。绳驱动技术和柔性材料相结合可以利用较紧凑的结构实现复杂的变形,驱动线的动力由传统的电机来提供。IN等[8]设计了一套多手指绳驱动的装置以提高柔性手指的驱动精度。JEONG等[9]将绳驱动进一步应用于串联驱动的可穿戴设备上,设计了柔性的可穿戴机械手,实现了精确控制。柔性手指的运动过程大多由手指本体的变形及驱动系统提供的驱动力共同作用,但是目前的研究大多针对柔性手指的驱动装置与控制系统,却忽略了柔性手指本体结构对驱动性能的影响。为此,本文结合可3D打印成型的柔性材料与拉线驱动技术,设计单关节的绳驱动柔性手指结构,并利用ANSYS对柔性手指进行建模与仿真,优化柔性手指的内外结构设计参数,使其在相同外部条件下所受应力最小,同时也保证其在工作时所需的驱动力尽量小。 1单关节柔性手指的基本结构与变形分析 11单关节柔性手指的基本组成结构 绳驱单关节柔性手指主要由基座、本体与驱动绳索3部分构成。基座由铝型材搭建,用于固定柔性手指与其驱动装置。本体使用Figure 4 ELASTBLK 10黑色3D打印材料,它是一种具有良好压缩性能的类似橡胶的弹性材料,可用于弹性产品的快速设计制造。驱动绳索采用细钢丝绳,具有较大的弹性模量,在柔性手指工作中可忽略其变形量。绳索的一端用薄片固定在手指端面处,另外一端则连接驱动电机。柔性手指结构如图1所示。图1中,箭头所示方向为绳索的驱动力F的方向。如图1(b)所示,给绳索施加一定的驱动力F时,柔性手指向着绳索一侧发生弯曲变形,而当驱动力增加或者减小时,弯曲的角度会随之增加或者减少。由此可知,通过控制电机驱动力的大小即可实现柔性手指的精确控制。 厦门理工学院学报2021年 第1期马玮城,等:绳驱单关节柔性手指的优化设计 图1柔性手指结构简图 Fig1Structure of the soft finger 12柔性手指变形分析 图2柔性手指变形示意图 Fig2Deformation of the soft finger如上所述,通过控制驱动绳索实现单关节柔性手指的弯曲运动,驱动绳索的伸缩长度会影响手指的弯曲角度。为计算柔性手指的弯曲程度,假设手指为等截面梁的纯弯曲变形且驱动绳索在拉伸过程中不发生形变。图2为柔性手指发生弯曲前后的变形示意图,柔性手指的上部伸长,下部缩短,整个手指向着绳索拉伸一侧弯曲。 在手指弯曲变形过程中,可以用其端面的转角来衡量手指的弯曲程度。端截面的转角θ与绳索的伸长量ΔL之间的关系由下列式子给出: L=R·θ ,(1) L-ΔL=(R-ΔD)·θ 。(2) 式(2)中:ΔD为绳索端点到手指轴线的偏置距离;D为柔性手指本体的直径;L为柔性手指本体的长度;R为柔性手指本体弯曲状态的曲率半径。由式(1)和(2)可得 θ=ΔLΔD 。(3) 当柔性手指受到绳索驱动力F时,相当于在梁上作用了等效弯矩Me,使得柔性手指发生弯曲。Me可以表示为 Me=F·ΔD 。(4) 对于抗弯刚度为EI的等截面梁,在端面力矩Me作用下端截面转角θ为 θ=MeLEI 。(5) 结合式(4)和(5)可得,端截面转角与绳驱动力F的关系如下: θ=F·ΔD·LEI 。(6) 由式(6)可知,柔性手指的弯曲程度与所受驱动力F直接相关。此外,对于不同形状的柔性手指,其截面惯性矩I也不同,柔性手指的力学性能也有着较大的差别。下文针对柔性手指的内外结构进行优化,对比分析不同结构的柔性手指的力学性能,从而选择最优的手指内外结构。 2单关节柔性手指的建模与仿真优化 21单关节柔性手指的外形结构建模 为便于手指发生弯曲变形,降低绳索所需驱动力,可对柔性手指的表面结构进行改进,即在传统的圆柱形结构表面增加锯齿形与波浪形的构造。如图3所示,在SolidWorks中建立2种结构的柔性手指实体模型,将其导入ANSYS中进行仿真分析。 图3柔性手指外形设计 Fig3Shapes of the soft finger 将图3中两种结构的柔性手指模型在ANSYS仿真软件中进行网格划分,通过有限元计算其在不同驱动力下的变形情况。手指外径为108 mm,细钢绳直径为10 mm,2种材料的主要特性参数如表1所示。 表12种材料特性参数表 Table 1Characteristics of the materials 材料密度/(g·cm-3)弹性模量/MPa屈服强度/MPa泊松比F4 ELASTBLK 101133605047钢793193×1052×103025图4为不同驱动力下的柔性手指形变图。其中,图4(a)为波纹状结构柔性手指的形变,在6 N和12 N的绳索驱动力下,端截面的转角分别为1288°和2452°,而锯齿状结构柔性手指在同样的驱动力作用下,端截面的转角为1487°和2748°,如图4(b)所示。因此,在相同的驱动力作用下,锯齿状结构能够产生的弯曲变形更大,即波纹状手指的整体刚度要高于锯齿状柔性手指。为减少外加电机所需驱动力,选用锯齿状作为柔性手指的外部结构。 图4不同驱动力下的柔性手指形变图 Fig4Deformations of the soft fingers with different forces 22单关节柔性手指的薄壁化设计 为进一步优化手指的整体刚度,减少工作时所需电机驱动力,在上述锯齿状结构的基础上引入空腔构造。利用Solidworks对薄壁结构的锯齿状柔性手指进行三维建模,如图5(a)所示,壁厚设置为25 mm,将其导入ANSYS后进行网格划分,图5(b)为网格划分剖视图。随后,对绳索施加外部载荷并进行求解计算。如图5(c)所示,增加薄壁结构的设计使得柔性手指的整体刚度进一步下降,在2 N的绳索驱动力作用下,手指端截面的转角为919°。在10 N的驱动作用力下,手指端面的转角能达到3941°,如图5(d)所示。根据上述参数,若取安全系数为2,则所使用的柔性材料F4 ELASTBLK 10在室温下的许用应力为25 MPa。图5(e)为薄壁结构手指在10 N作用下的应力分析,在绳索与手指端面连接处产生的最大应力可达22 MPa,非常接近许用应力。因此,对于薄壁结构柔性手指,由于应力集中存在于绳索与端截面相交界处,该部分在手指变形过程中最可能发生损坏,从而影响柔性手指的正常使用。此外,从图5(f)的应变分析图中可以看出,在指端部分应力集中处的应变高达06。分析可知,指端处的薄壁结构导致手指的端面存在较大变形,影响手指的运动精度。 图5薄壁结构有限元仿真分析 Fig5Finite element analysis of the thin-shell structure 23单关节柔性手指的内部填充优化 由上节分析可知,薄壁结构的柔性手指虽然在整体刚度上有所下降,但在端截面应力集中处存在较大应变,进而会影响手指的精度与使用寿命。因此,在薄壁结构的基础上进一步对柔性手指构型进行优化,即在手指弯曲的外侧伸长部分保留填充,而在手指向内弯曲一侧添加空腔。 图6(a)、(b)分别为填充部分占总长度1/2与1/3的结构示意图。 图6薄壁部分填充结构示意图 Fig6Partly filled thin-shell structures 将以上2种不同填充结构的柔性手指进行网格划分与载荷施加,并通过有限元对其弯曲变形进行计算分析。图7为4种结构仿真结果对比曲线图,包括全填充、填充1/3、填充1/2与薄壁结构。图7(a)所示的曲线为柔性手指不同弯曲角度所需的绳索驱动力,易见在相同的弯曲角度下,全填充结构所需的绳索驱动力要比另外3种结构的柔性手指大得多,因此将柔性手指内部设计成带空腔的结构能够减小弯曲时所需驱动力。图7(b)为各填充程度下弯曲角度与手指内部最大应力的关系曲线,根据曲线显示,在柔性手指的弯曲角度相同的情况下,薄壁结构内部的最大应力最大,填充1/2与全填充结构次之,填充1/3结构的内部最大应力在4种结构中最小。图7(c)、(d)表明在弯曲变形过程中,全填充手指的较大应力主要集中在手指端面,而1/3填充的手指结构在其空腔内部各段的应力分布比较均匀。为使得柔性手指在弯曲过程中更不易发生破坏,选择填充1/3的结构为柔性手指的内部最优结构。 图7不同填充结构有限元仿真结果 Fig7Simulation results of different structures 3结论 为提高柔性手指驱动性能,结合可3D打印成型的柔性材料与拉线驱动技术,设计单关节的绳驱动柔性手指结构。通过SolidWorks建模与ANSYS有限元模型,对比分析波纹状与锯齿状柔性手指外形结构的变形特性,并对锯齿状柔性手指做了薄壁化设计与分析。在薄壁结构的基础上进一步优化了柔性手指的内部结构,引入单侧部分填充的空腔构型,分析不同填充比例对手指性能的影响。结果表明,内部填充1/3的锯齿状柔性手指结构弯曲时所需绳索驱动力相对较小,同时可以保证弯曲时内部应力分布均匀。该单关节柔性手指结构能够在允许的变形范围内模拟手指的弯曲动作,为仿生手指的发展提供一定的研究基础。