基于振动摩擦的铲式柔性机械手的研究

吴健　方俊

摘 要：软性物体的抓取中存在挤压和摩擦两个关键问题。挤压可导致物体变形，摩擦可导致物体表面损伤。目前的研究大多着眼于实时采集抓取过程中的力学数据并构建智能反馈系统以准确控制抓取力，达到无损抓取目标。此类系统结构复杂，成本较高，难以实现实用化与市场化。该文提出一种基于振动摩擦的铲式柔性抓取方案。采用铲式机械手，以铲起代替夹持动作，从而有效避免挤压损伤现象；利用振动摩擦原理有效减轻摩擦，以避免表面擦伤划伤现象。计算表明该方案效果优于传统做法，而成本低于智能式机械手，具有一定的实用价值和市场前景。

关键词：振动摩擦 机械手 铲式抓取。

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（c）-0087-02

传统的刚性机械手为获得良好的定位精度，尽量增加机械手构件的刚度来减少振动。用于夹持陶泥、面点等软性物体时，极容易造成工件變形、表面擦伤等缺陷。为解决机械手操作的速度与精确性的矛盾，柔性机械手应运而生。柔性机械手的动力学特点是系统中的柔性部件在运动过程中经历着大的刚体整体移动和转动，同时又有变形运动，而且这两种运动又是高度耦合的，包括质量矩阵等量都是随着物体变形而变化，都是时间的函数，这使柔性机械手的动力学问题的复杂性大大增加。

针对上述问题，许多研究者提出了一些解决方法。胡俊峰[1]提出的并联机械手，采用弹性材料与结构，以利于实现柔性抓取。章军[2]的研究中为适应抓取大小苹果的需要，设计了1种灵活的3指6关节苹果抓取机械手结构。与此类似，熊强等[3]将这种类型的机械手应用于抓取梯形包装盒，并称效果良好。哈佛大学能源系和美国国防部高级研究计划局（DARPA）的研究人员共同开发出一种软体机械手，触手是一个塑料柔性管，内部含有几个通道可以吸入空气，以获得所需的压力控制住物体。由于每个通道都是独立加压，触手也可能在定向的方式形成卷曲，裹住物体并挤压。通过增加足够的空气压力，触手可以将物体轻轻举起[4]。

上述研究从理论上或者实践上，对于柔性机械手的研制进行了可贵的探索，取得了一些成果。然而，这些类型的柔性机械手大多结构复杂，成本较高，应用场合单一，从而限制了其发展空间。本文提出了一种简易的柔性抓取机械手。这种机械手另辟蹊径，略掉了复杂的手指型构造，采用铲式结构辅之以摆动式运动，以铲取代替抓取。同时，利用振动摩擦代替了滑动摩擦，减少了表面损伤。从而以简单的结构和运动，达到了软性抓取的目的。

1 振动摩擦原理

实践与研究表明，振动能够有效地减少两接触面间的摩擦。一些研究者从破坏静止条件的角度出发，提出了有效摩擦系数的概念，借用有效摩擦系数的概念来分析振动减摩效应，并推导出有效摩擦系数公式[5-6]。

如图1所示，是振动与正压力方向平行的情况。静止物块质量为m，与接触平面的最大静摩擦系数为f；压力为N，作用力为S；振动为，其中F0是振动源施加于物体的静态作用力，方向平行于N，ω是系数，t是时间，φ是相位角。

当F（t）绝对值达到最大并与N方向相反瞬间，系统处于临界状态，平衡状态被破坏，转入滑动状态，此后实际摩擦系数不会大于静摩擦系数。

其有效摩擦系数为

令，则有

由于，振动状态下有效摩擦系数。可见，有效摩擦系数理论给减摩现象给出较为合理的解释。

2 基于振动摩擦的铲式柔性抓取装置要点

2.1 柔性铲式机械手结构

振动型铲式机械手如图2所示，由基体、振动器、滑杆、连杆和铲式手指组成。铲式手指以铲起方式，代替传统的抓取动作，避免伤及陶泥类软性物体。基体、滑杆、连杆与手指协作，实现手指开合动作。振动器提供小幅中频振动，以利于被抓取物体与工作台的分离并阻止手指与物体之间的粘合。整个机械手的轴向移动，另有气缸提供。

振动器采用偏心振动原理，振动幅度<0.1mm，振动频率50HZ，振动方向为滑杆往复移动方向，初始振动力F0为1N。铲式手指厚度约2mm，材料为高分子聚酯复合材料，有良好的减摩性能与柔性，以适应软性物体抓取。手指具有过渡型尖端，以利于无伤抓取。

2.2 抓取过程力学分析

2.2.1 夹持式机械手抓取力的静态分析

如图3所示，无振动条件下抓取力P所致摩擦力Ff必须大于陶泥试样自重G，才不至于脱落，同时不能使其超出屈服强度。实际生产条件下，为适应各种不同外形的工件，机械手形状为平面。

设机械手与陶泥单侧接触面积为A，则最小抓取力（正压力）P必须满足，挤压应力为。

摩擦力。

2.2.2 无振动条件下铲式机械手的力学分析

如图4所示，采用铲式机械手，在无振动条件下，采用直接插入铲起的方式，工件受到挤压力P和摩擦力F。由于铲片倒角光滑，且角度很小，在垂直方向，铲刀需要施加一定的力才能托起工件，若两边同时铲起，则托起力为工件重量的一半，即挤压应力，

其中A2是接触面积，同时摩擦力

。

2.2.3 振动条件下铲式机械手的力学分析

如图5所示，振动条件下，铲刀与陶泥之间的运动成为振动摩擦，并考虑振动与正压力平行。如图5所示。此时挤压应力

，其中A3是接触面积，同时摩擦力。

3 各抓取方案比较及实例验证

挤压应力：由于，且，显然有。对于摩擦力，

则有。

显然，方案2和3的挤压应力远小于方案1。铲式抓取造成的挤压损伤小于夹持式抓取。

摩擦：一般而言，有，因此。

及。

设陶泥物性如表1所示：

陶泥试样形状为圆柱体，直径100mm，高度100mm，边缘有2mm倒角，质量为1.33kg。铲片长为30mm，宽为100mm，厚度为1mm。

方案1：设机械手与陶泥有效接触宽度为5mm且在陶泥允许的变形范围，则有效接触面积A1为500mm2。

方案2：铲刀与试件底部有效接触面积为一弓形，设弓形高为30mm，则有效接触面积A2为1984mm2。

方案3：有效接触面积A3为1984mm2，

考虑振动可消除陶泥与铲刀的粘结作用，实际有效滑动摩擦系数应大幅小于，此处设为0.08。

三种情形下的挤压应力与摩擦力的对比如下：

kPa

3.3kPa

kPa

N

可见采用铲式抓取后，挤压问题得以解决，但是摩擦仍然较大，可能导致陶泥工件边角擦伤，而采用振动式抓取后，摩擦力可减少一半以上，可改善擦伤现象。

4 结论

该文从理论上论证了鏟式振动摩擦型机械手在抓取陶泥类的软性物体时的优越性。该机械手的优点是：

（1）采用铲式抓取，避免了夹紧力过大造成的挤压损伤。

（2）采用振动式抓取动作，减少了铲刀与工件之间的摩擦，也减轻了陶泥与底板、铲刀之间的粘结效应，缓解了摩擦造成的划伤。

（3）与当前成为研究热点的人工智能式柔性机械手相比，铲式机械手构造简单，造价便宜。

其缺点是：

（1）与真空吸盘式柔性抓取机械手相比，铲刀动作需精确控制，具有一定的制造难度。

（2）振动式抓取时间较长，初步测算为5s以上，仍然难以满足实际生产需求。

综上所述，振动型铲式柔性抓取机械手是可行的。具有结构简单、造价低廉的优势，具有广阔的应用前景。但是存在的问题还需要进一步的研究与完善。

参考文献

[1] 胡俊峰，张宪民.一种新型两自由度柔性并联机械手的优化设计一种新型两自由度柔性并联机械手的优化设计[J].机器人，2010，32（4）：459-463.

[2] 章军.六关节三指苹果抓取机械手的自适应柔性分析[J].农业工程学报， 2010（1）：141-144.

[3] 熊强，章军，陈春华，等.抓取梯形包装盒的柔性机械手结构优化设计[J].包装工程，2014（11）：80-83.

[4] 中国科技网[DB/OL].http：//www.wokeji.com/jbsj/eb/201311/t20131106_433281.shtml.

[5] 周亚辉.物体在平面上的振动摩擦状态分析[J].科技信息，2011（10）：200-201.

[6] 杨铎.振动摩擦机理及其工程应用的研究[D].沈阳：东北大学，2006.