仿生机器人夹持机构特性研究

冯砚博,王景琪,刘 聪,金奎宇,王 乐,胡 杨,王梓豪

(哈尔滨商业大学 轻工学院,哈尔滨150028 )

仿生机器人技术的进步,引起世界各国研究者的关注,其应用领域不断拓展.机器人工作环境和工作任务的复杂化,要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性[1-3].仿生机器人在工程上实现并有效地吸取大自然生物进化遗传功能的精华,应用生物功能,具备较强的灵活性和优异的适应性,故可承担某些复杂和特定的任务[4].随着仿生技术的高速发展,仿生学在机器人领域的应用愈发广泛,这使得仿生机器人愈发智能化,也促使其从定点作业走向难度更大的航空航天、军事侦察、资源勘探、水下探测、疾病检查以及抢险救灾等应用领域[5-7].毋庸置疑,仿生机器人未来必将在国计民生中发挥不可替代的作用.

当前机械臂抓夹式机器人一般由电力、液压、气动或人力驱动.机构有螺纹顶紧机构(如台虎钳)、斜锲压紧、导杆滑块机构(破碎机)、利用重力的自锁机构(如抓砖头)等等[8-9].对于爪夹式机器人,夹持机构是机器人的终端执行器,工作的最终目的是靠夹持机构来实现的.机构的传动和控制系统都是为了最终实现物料的夹持获取.对其进行运动学和力学的分析,可以为此类机器人的设计和应用提供指导.

本文针对一种能够更加便捷地抓夹取物机器人的夹持爪进行研究.自然界中的螃蟹钳子具有独特的抓夹机理,可以紧固式抓夹物体.蟹钳抓夹机器人是基于螃蟹蟹钳的生理结构,模仿其运动原理以及行为方式设计出的能够自主辨别方向、轻松抓夹物体的机器人.在实际生活中,螃蟹蟹钳机器人能够代替人类完成相应的任务,降低不必要的人力物力能量损失,为生活带来便捷.本文结合仿生学原理设计螃蟹蟹钳机器人的功能样机并进行抓夹态理论研究.

现有的机器人终端夹爪多采用连杆机构和齿轮结构[10].连杆机构的运动精度和平稳性不足,齿轮机构装配结构相对复杂[11-12].本文设计的螃蟹钳仿生夹爪采用丝杠螺旋机构传动精度高,使用寿命长,工作稳定性强,系统刚度好,具有自锁功能.同时,本夹持爪结构简单、紧凑,制造和安装方便,价格经济,制造成本低,操作简单.

1 夹持机构机械系统设计

仿生机械臂抓夹式机器人依据自然界中螃蟹蟹钳的运动特点,研究了运动抓夹方式.该夹持爪由丝杆连接螺母传动,丝杆的传动也称螺旋转动.螺母只保留与导轨相对移动的自由度,导轨固定.旋转螺杆,螺母由螺纹副带动沿导轨直线运动.螺杆转动一圈,螺母移动的距离为一个导程.传动螺旋传动的力和距离精准.螺旋传动是靠丝杠外螺纹与螺母内螺纹的螺纹牙面旋合实现回转运动与直线运动转换的机械传动,主要用于将回转运动转换成直线运动,将转矩转换成推力[13].本结构选用摩擦自锁的滑动螺旋传动.丝杆两端由轴承座固定,通过动力源驱动旋转.丝杆传动中,系统有旋转以及移动两个自由度,常规只需要移动这个自由度,故而一般需要通过导轨约束丝母的旋转自由度,也就是丝母沿着轴向在导轨上进行直线运动.

为提高夹持爪夹紧和松开的速度,采用正反螺旋丝杠.两个螺母分别为左旋和右旋螺纹,与丝杠两端的左右螺纹的丝杠旋合.两个螺母上分别装配夹钳的两只夹爪.当丝杠顺时针方向旋转时,左螺母右移,右螺母左移,两边抓夹钳相互靠近,实现夹紧运动.反之,当丝杠逆时针方向旋转时,右螺母左移,而左螺母右移,两边抓夹钳相互远离,实现松开运动,见图1.

此夹持机构具有精确的活动能力,其结构不仅保证了在面对各类复杂形状物体抓夹的稳定性,且结构简单,性能可靠,操作便捷.

2 夹持机构夹持力受力分析

两片夹爪对物体的夹持力是通过传动螺纹上受到驱动扭矩施加的[14-15].

当在螺杆上施加扭矩(T)时,螺母带动的夹爪夹持力为:

(1)

其中:F为夹持力(N);T为输入扭矩(N·mm);η为丝杠螺母传动效率;L为螺纹导程(mm).

其中丝杠螺母传动效率(η)为:

(2)

其中:η为效率;μ为摩擦系数.

丝杠速度为:

v=2nL,

(3)

其中:v为丝杠速度(m/min);n为丝杠转速(r/min).

齿面的滑动速度(vs)可以按如下方式计算:

(4)

其中:vs为滑动速度(m/min);D为有效直径(mm);α为导程角(°).

根据丝杠上的驱动扭矩,承受载荷以及导程,可以得到夹爪的夹紧力,从而知道对物料的夹持能力是否可以满足工作要求.丝杠是正反螺旋,所以夹紧速度是普通螺旋的2倍.

设计选择螺杆丝杠的直径.轴的硬度对梯形丝杠的耐磨性影响较大,如果硬度小于250 HV,磨损量会急剧增大.另外表面粗糙度减小,耐磨性也会提高.要综合各种因素相互关系,考虑适用性和经济性选择丝杠和螺母的材料.

3 夹持机构系统结构力学分析

建立夹持机构整体结构的三维模型,通过有限元的方法进行力学性能分析.在进行最终分析前,通过均匀网格划分先进行模型受力的粗略分析,对受力较大的位置再进行网格精细划分,以提高计算的精度.

对导轨光杠施加限制位移和转动约束.设置丝杠和螺母的螺纹副,其中包括左片夹爪和丝杠的左旋螺纹副、右片夹爪和丝杠的右旋螺纹副.对丝杠施加驱动转矩.夹持机构的材料选用抗冲击性和强度都较好的结构钢.

通过夹持机构的Mises等效应力云图可见,在驱动转矩的作用下,在丝杠和螺母接触处,螺母水平直径最大位置出现较大的应力集中,应力和应变值最大.模型尺寸M10丝杠,最大应力为12.15 MPa,最大应变为1.46×10-4,远低于材料屈服强度,处于安全状态.总应变云图可见夹爪沿夹紧力方向发生弯曲变形,夹爪的端部变形位移最大,为0.028 mm,符合安全要求.见图2.

图2 夹持机构等效应力云图Figure 2 Equivalent stress diagram of gripper mechanism

针对夹持机构工作中对物体夹紧过程中夹紧力的增大,应力、应变和变形最大值的情况如图3～7所示.随着夹紧力的增加,应力、应变和变形都随之增加.当夹紧力在1～100 N时,应力为12.15～309.5 MPa,应变为1.46×10-4～3.72×10-3,最大变形量为0.028～0.717 mm.关系曲线类似双曲线,在50 N左右,曲率增加明显.

图3 夹持机构变形云图Figure 3 Deformationdiagram of gripper mechanism

图4 夹持机构应变云图Figure 4 Straindiagram of gripper mechanism

图5 夹持力与最大应力关系Figure 5 Relation between clamping force and maximum stress

图6 夹持力与最大变形关系Figure 6 Relation between clamping force and maximum deformation

图7 夹持力与最大应变关系Figure 7 Relation between clamping force and maximum strain

4 结 语

本文设计的螃蟹蟹钳仿生抓夹式机器人的夹持机构,应用传动螺旋实现精准传动和平稳夹持.采用正反螺纹丝杠能够将夹紧速度增加一倍,结构简单、操作便捷.

本文分析了夹持机构的运动功能和力学特性,对夹持机构的结构参数、受力状况和选型等进行了计算分析.利用有限元软件分析了系统在给定工况下的总应变和Mises应力分布情况,得到在丝杠和螺母接触处,螺母水平直径最大位置出现较大的应力集中、应力和应变值最大,是最容易发生损坏的地方.绘制夹紧力和力学性能参数的关系曲线.对仿生机器人终端夹持机构的设计和改进具有参考价值.