仿生柔性机械爪优化设计.docx

    仿生柔性机械爪优化设计    宋杨　赵忆锰　任小伟　蓝钰　于梦晓摘 要：机械手自上世纪产生发展以来，解放了大批劳动生产力，但纯机械结构的手臂，由于原理的局限性不具有人手灵活，多自由度的特点，在进行相关操作过程中机械爪只能抓取形状规则的物体，而且易对抓取的软体物体产生一定的损害基于该问题，本文进行了传统机械爪的优化设计：利用柔性关节取代传统机械关节，基于ANSYS软件进行软体部分相关材料性能及受力情况的模拟，基于实际需要设计机械爪结构，实现在机械爪张合的过程中抓稳物体，同时利用Ardino编程软件实现自动化控制，最终获得成型的柔性机械爪，实现精确，无损害的过程抓取关键词：柔性机械爪；ANSYS模拟；多自由度：TP242 ：A ：1671-2064（2018）04-0063-021 引言机械手作为最早出现的工业机器人，可以代替人的繁重劳动实现生产过程中的机械化和自动化自上世纪60年代起出现的传统机器人手爪在传统制造业中实现了大规模产业应用但由于原理性局限，机械爪远远不能满足智能制造产业的需求，这成为当前机器人产业发展的一个关键性瓶颈与此同时，各国科学家积极展开了仿生柔性机械爪的研究。

例如：来自北京的创业公司SRT研发的“机械手”采用的是硅胶材质：充气时，这款柔性夹爪会胀大，并通过自适应包覆住不同尺寸、形状和重量的目标物体；中国科大自主研发的柔性手爪采用刚柔合一、电-气互补的设计原理，显著提高了手爪与被操作物体表面之间的贴合度，有效降低了物体形状分析的精度要求，极大改善了手爪与操作环境之间的可接触性；斯坦福大学的RoboSimian DRC机械爪采用多刺微型手掌设计，可以完成攀岩的目标2 优化设计内容2.1 材料选择性试验2.1.1 软体部分材料实验为实现柔性机械爪的预期效果，机械爪柔性部分选用三种材料配比获得，分别是10号硅胶+固化剂；硅胶A+硅胶B对三种材料进行不同配比所获得实物进行硬度试验分析及实物运行分析，选取最适宜的材料以配比试验结果见表1，表2有以上实验结果可以得知，10号硅胶（白色）+固化剂容易出现气泡，易产生裂纹，不适合做连接材料；选用硅胶原料A（肤色）+硅胶原料B（白色）质量比1：2时，机械爪运行正常，多次使用未出现明显缺陷2.1.2 基体硬质部分材料选择由于设计的机械爪并非用于重物抓举，基于试验的方便性，制造的快捷性以及环保方面考虑，我们最终选取PLA（聚乳酸）材料进行3D打印。

该材料热稳定性好，有良好的抗溶剂性，由此打印出的机械爪能生物降解，光泽度、手感以及耐热性好，具有很高的阻燃性2.2 机械爪结构设计仿生柔性机械爪主要包括固定底座、舵机、线轮、牵引线、上固定板、柔性机械爪、螺柱和电路板，所述底座和电路板座通过螺柱连接，所述舵机通过螺柱的紧固卡在下固定座上，所述线轮通过螺纹配合与舵机连接，所述机械手通过上固定板的卡槽实现与固定板的连接并通过牵引线连接（见图1、图2）所述舵机带动线轮转动改变牵引线长度实现机械爪的开合2.3 機械爪结构的程序控制柔性机械爪的动作控制主要由舵机与牵引丝线来实现首先在电脑上进行编程，通过信号线将控制信号传输于控制电路板柔性牵引丝线将柔性手指的指部骨架和柔性关节全部连接起来后，穿过第一固定件上的通道与牵引丝线卷绕装置连接，将牵引丝线卷绕装置安装于舵机的转动轴上机械手在进行物体抓取时，舵机接收到外部电脑发动的信号时开始工作，舵机转动，绕线装置随舵机的转动轴转动，带动牵引丝线进行收缩动作，牵引丝线缠绕在牵引丝线绕线装置上，柔性关节弯曲，从而实现抓取动作由于柔性关节的弹性特性，舵机反方向转动将牵引丝线放松，柔性手指会自动返回原来位置，动作完成。

通过反馈调节，电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，实现操作过程的可控性2.4 ANSYS仿真模拟及受力分析对机械爪进行仿真力学分析（见图3），由于机械爪的柔性部分是受力较复杂且柔性材料相对强度较低，因此主要分析柔性材料的受力对机械爪进行两种不同方向加载，进行ANXSYS力学分析，结果见图4，53 结语从所取得的成果看，利用生物界的许多有益构思来发展技术是可为的但现阶段已有的研究成果仅仅迈出了对于仿生机械学的探索应用的第一步在未来的发展过程中，必将有更多先进完善的理论和结构充实进来，仍具有极大的研究工作需要进行参考文献[1]王志远.旋转二爪机械手的设计[J].机械工程师，2005，（4）：61-62.[2]王志远.一种行星旋转多爪机械手的设计[J].机械工程师，2005，（6）：40-41.[3]黄交虎.炸药试件三爪卡盘机械夹紧力试验研究[J].含能材料，2004，12（A02）：622-625.[4]毛挺刚.并联搬运机械手抓取执行机构及控制设计[D].安徽大学：安徽大学，2012.[5]罗鑫远.大柔性灵巧手指特性研究[D].浙江工业大学.2012.[6]徐凯.油菜苗茎杆抗压特性与取苗机械手研究[D].南京农业大学：南京农业大学，2009.中国科技纵横2018年4期中国科技纵横的其它文章考马斯亮蓝法测定分子伴侣GroEL含量及优化长庆油田10kV配电线路故障原因分析及防范措施巷道近距离穿河流技术研究民族文化在产品设计中的应用薄煤层开采技术总结气垫平面运输技术在室内变电站中的应用  -全文完-。