基于柔性液压系统的三关节仿人灵巧手指的设计与研究.pdf

机 械 设 计 与 制 造 Ma e hi n e I ＼ v De s i g nMa nu f a c t ur e 第 7 期 2 0 1 0年 7月 文章编号 l O O l 一 3 9 9 7 2 0 1 0 0 7 0 0 4 4 0 2 基于桑性液压系统的三关节仿人灵巧手指的设计与研究 张钦 国 于 萍刘京 广 魏 星 吉林大学 机械科学与工程学院， 长春 1 3 0 0 2 5 H y d r a u li c s y s t e m b a s e d o n f le x i b le j o i n t s o f t h r e e f i n g e r s d e x t e r o u s h u ma n o i d d e s i g n a n d r e s e a r c h Z H A N G Q i n g u o ， Y u P i n g ， L I U J i n g g u a n g ， WE I X i n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， J i l i n U n i v e r s i t y ， C h a n g e h u n l 3 0 0 2 5 ， C h i n a 中图分类号 T H1 6 ， U 4 6 文献标识码 A l 引言 随着机器人及柔性自动化技术的发提， 各种关节机器人得到 越来越广泛的应用 ， 为 了适应科技 的发展 ， 对柔性机 器人的研究 已成为国内外研究的热点。父 型机械于是模仿人 的予部动作 ， 按照给定轨迹和要求实现 自动抓取 、搬运和操作的自动装置 ， 特 别可在高压 、 多粉尘、 易爆等恶劣环境中代替人类作业． 因此获得 日益广泛的应用。机器人灵巧于足 个高度集成化的机电系统， 涉及机械、 电子、 计算机等多个 科领域。2 0 I t 1 4 8 0年代以米， 由于气动人工肌肉的发展， 将人工肌肉作为机器人的驱动装置越 来越受到研究者的注意I I ， 但是对采用流体驱动的人工肌肉研究 甚少。对人工肌肉的驱动特性做 了研究 ， 没计出 n夜 动人工肌 肉 驱动的仿人灵巧于指。 2仿人灵巧手指 2 ． 1液压驱动器的工作原理 单用橡胶所制成的软管， j 允』 f 时只能进行轴 的伸张， 不 能发生弯曲。假设橡胶软管壁 一 侧线为轴 刚性和 向柔 ifl - 可 弯曲 ，那么当软管充压时，除 r 管竖I J J l 条刚件侧线不能伸张 外， 其余管壁侧线都将伸张， 如图 1 所示。H时， 由于耶条刚性侧 线的限制， 使得软管壁上各个侧线的伸长毓都小一样， 从 i 会导 致软管的弯曲， 达到了单个驱动元件的弯曲效果。所以把一 一 条径 向柔性较好的钢丝集成到软管壳体 ， 行且该钢丝的轴线与软 管的轴线相平行 。 2 ． 2 ． 仿人灵巧手指结构及工作原理 柔性管一端固定在刚性手指的 一 端 ， 另一端 H j 在于指的滑槽 内滑动， 如图 2所示 。当向管内供油时， 管 1人 J J土强增人 ， 促使橡胶 ★来稿 日期 2 0 0 9 0 9 1 6 管发生轴向伸长， 管内有钢丝的一侧不能伸长， 所以没有钢丝的 一 侧便发生 厂 弯曲变形。从而带动手指的各个关节发生弯曲， 实 现工作要求 。 图 1人工肌肉内部结构 1 端盖 2 罔 柱形弹性壳 3 ． 金属丝 4 ． 连接圈 5 ．支撑弹簧 I 2 手指 结 构 3 液压驱动器的动态特性及仿真分析 3 ． 1 液压驱动器的动态模型 假设弯曲l天节的一端固定在基座上， 如图 3 所示。那么弯曲 火节可以等效为一个等截面的悬臂梁。 当弯曲关节发生小的变形 时 ， 山图所示的几何关系可得 ． _L 1 同时， 弯曲关节中心轴线的伸长量为 △厶，r m O 2 第 7 期 张钦 国等 基于柔性液压系统的三关节仿人灵巧手指的设计与研究4 5 图 3关节液』上驱动元件悬臂梁模型 根据悬臂梁模型 ， 可以得到系统的固有频率 式中 E ， 一抗弯刚度； m 一 自由端的集 巾质量 ； m 一关 节液压驱动元件 的质 量。 南此可得关节液压驱动元件的动态特 方程 2 2 “ I T F i r m L 一 1 2El S 2 2 b ws 3 4 式中 6 一系统的阻力系数。 设流体 力阀 口处 的流体压强为 P ， 流体 粘度 v , p密度分 别用 表 ， 压力 阀 关 节液压驱动元件之间 的柔性细管的长 度为 l ， _半径为 尺 F } 1 哈根一泊阿苏依定律町得到流入关 节液J上驱 动元件的流体流量 5 j 对于关节液压驱动元什 ， 根据流体 的连续性方程可得 Q 耵 l 2 △ ， J 。 T T r i L o ． 5 6 式中 一流体 的体积弹性模量 。可得到系统的传递 函数 _厂 一 s ’ B 面 B g o 2 S -- BI 3 2P B 2 b wB 2 b B B4 w 7 曰 1 3 b 1∞ B【 ￡ 曰 2 1 一 其中 一R 4 衅 ,B4 “ r i“ 2 8 v or 1 3 _ 2关节液压驱动元件动态特性仿真分析 在 M A T L A B中， 对液压驱动冗件模型进行仿真 ， 讨论外部结 构参数对其动态特性的影响。 苜 先研究外部负载埘关 液『玉驱动 C 件动态特性的影响。 在不 负载 F关节液压驱动元件的阶跃响 应特性 ， 如图 4 a 所示 。 0 00 1 0 ．0 2 O3 O 04 0 ． 0 05 0 ． 01 5 ．、 0． 02 5 0． 03 5 0． 0 45 时问 s e c a 负载的影响 b 柔性细管半径的影响 图 4外部结构参数埘阶跃过渡过程的影响 从 图中可 以看 出， 随着负载 的增加 ， 关节液压驱 动元件 的响 应特性变差。 冈此 ， 对于⋯定结构的关节液压驱动元件 ， 要获得较 好的动态特性 ， 其负载值不能过大。 其次 ， 考察柔性细管的半径对 关 *动态特性 的影 响。随着柔性 细管半径的减小 ， 如 图 4 b 所 示。 弯曲关 出现过阻尼的特 。 因此， 可以通过选择合适的秉陛 细管米 获得期望的动态特性 。 4 橡胶管的有限元分析 4 ． 1 建模及加载 圆筒是 由 Mo o n e v R i v l i n材料构成F I ， 根据 对称性选取橡胶管 横戡面的 1 ／ 4建立几何模 ， 内 为 5 H I I I I ， 外径 为 2 0 ram， 并选择 P L A N E 1 8 2单元进行求解， 采用自由网格划分l l _5 1 ， _曳 【 1 图5所示。 图 5有限元模型 4 。 2管 内压强为 5 MP a时分析结果 管 内压强为 5 MP a 时的分析结果几何变肜 图，如图 6所示。 等效 力等值线图， 如 7所示 。 图 6几何变形图 图 7等效应力等值线 图 4 ． 3管内压强为 2 5 MP a时分析结果 管 内 强为 2 5 M P a时的分析结果几何变形图 ， 如图 8 所示。 等效应力等值线图， 如图9所尔。 图 8几何变形图 图 9等效应力等值线 图 4 ． 4管内压强为 4 0 MP a时分析 结果 管 内压 强为 4 0 MP a时的分析结果几何变肜图 ，如图 1 0所 爪 。导致应力等值线 I纠， 如图 1 1 所永一 结果分析 当管内液体压强在 5 MP a时橡胶管变形很小， 可 以忽略 ； 当管 内压强为 2 5 MP a时， 橡胶管 内壁发生轻微的变形 ， 如图7所示 应力也明 增大， 所以为了能够达到工作要求 ， 在管 内加入增强纤维 ， 限制其住向变形 ， 同时在一侧加入钢丝， 限制这 一 侧 的轴向伸长 ，在 臼前看来设计耐压为 2 5 M P a的驱动器是可 ■ 、 √二 6 5 4 3 2 O 一 一 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 7期 2 0 1 0年 7月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 7 一 o o 4 6 0 3 共注塑不相容材料模 内装配技术中的收缩分析 杨亮 上海交通大学 机械与动力工程学院， _ J 海 2 0 0 0 3 0 T h e s h r i n k a g e a n a ly s is in n o n c o mp a t i b le ma t e r ia l c o - i n j e c t i o n in - mo ld a s s e mb ly t e c h n o lo g y YANG L i a n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 ， C h i n a ； 【 摘 要】 介绍了 共注塑 不相容 材料模内 装配 技术的内 容和在行业中 的应用， 指出 零件间 的间隙 设 ； 计和控制是实现完美模内装配的重要条件。讨论和分析了模内装配产品间产生间隙的原理， 并对产生间 隙收缩进行了系统的分析和模型研究， 最后通过设计实例来阐明分析模型。 关键词 模内 装配； 模内 组装； 多重注塑 i ； 【 A b s t r a c t 】 I n t r o d u c e s th e c o n te n t i n n o ll c o m p a t i b l e m a t e r i a l C O i n j e c t i o n I M A t e c h n o l o g y a n d i ts； a p p l i c ati o n i n m a n y i n d u s t r i e s ． I t a l s o p o i n t s o u t t h at t h e g o o d d e s i g n a n d c o n t r o l o f t h e g a p b e t w e e n c o i n 一 p o n e n 如 c a n h e lp 。 g e t p e c IM A p e rf o r m a n c e ． It d is c “ s s e s 。 。 c re at e th e c ap b e tw e e n c 。 m p o n e n f5 a n d e s t a b l i s h e s a s y s t e m i c mo d e l t o a n a1 s i s t h e s h r i n k a g e ． F i n a l r i t u ,s e s a p r a c t i c a l d e s i g n c a s e t o i l l u 一 ； ；mi n a t e h o w t o u s e t h i s m o d e 1 ． ； Ke y w o r d s I n - mo l d a s s e mb l y ； Mu l t i - s h o t mo l d i n g ； A r t i c u l a t e d a s s e mb l i e s 中图分类号 T H1 2 ， T Q 3 2 0 ． 6 7 文献标识码 A J j L 1日 Ij 吾 作为多重注射的一种， 共汁塑不相容模内装 技术是指将原 本放在模具外装配的各个独立的部件， 在模腔内通过注塑几种相 互之间不容易发生粘合的材料来完成成型， 从而省却了许多后续 的装配工艺的先进注塑技术。 其核心要素是将原本放任模具外装 配的各个独立的部件， 放在模具内完成， 这个 与通常所悦的多重 注塑和软硬重叠注塑工艺还是有比较大的区别的I I。 模内装配技术作为一 新兴的 料制品成型技术， 在推进产 品质量和成本控制方面有得大独厚的优势， 在欧美汽车行业中已 经得到 了广泛的应用 ， 而在国内还是 一个比较 陌生的名词 ， 还没 有得到广泛的应用 就目前来说模内装配技术主要运用在内装饰 产 品等一些仔在机构相对运动的产品中，空调 出风 口的叶片连 接， 如图1 所示。第一层叶片材料采用聚甲醛 以下简称 P O M ， 第 二层叶片材料采用聚对苯二甲酸丁二酯加 2 0 ％玻纤 以下简称 -k 来稿 日期 2 0 0 9 0 9 1 6 ◇●◇● 0●0●0●- ◇●0●● ●1 、●0● ● ‘ ● ● ● C ● ● ● ●0‘ ● ●0● ● ‘ ● ◇●C ● ●‘ ●◇● ●◇●0● ● ● ● ●0● ●- ● 以实现的； 当管内压强达到 4 0 MP a时， 变形已经非常明 ， 如图8 压驱动器的应力应变等值线图， 并且进行了比较， 与根据理论推 所示。 橡胶管承受应力太大， 如 9 所示。 即使内部加入增强纤维 导的分析结果相比基本吻合，分析结果为以后设计提供了理论 或钢丝弹簧 ， 在现有的技术条件下也很难达到工作要求6 1。 图 1 0几何变形图 图 1 1等效应力等值线图 5结论 1 研究设计了一种新型液压驱动冗件控制的仿人灵巧手 指， 建立了驱动器的结构模型 ， 分析了其动态抒 。 2 用 A N S Y S 1 0 ． 0软件 对橡胶管特性进 了非线性分析 ， 得到橡胶管内部压强分别为 5 MP a 、 2 5 M P a和 4 0 MP a 时柔性液 参考。 3 仿人灵巧手住设计 J 尽量体现了仿生的要求， 其外形小 巧， 结构简单， 具有很好的柔顺性 ， 能达到拟人的效果， 为以后的 没计和研究打下了基础。 参考文献 1 叶免磊． A N S Y S 】 程分析软什应用实例[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 2郭木河 ， 张戎军 ， 孙增圻 ， 孙富舂． 柔性机械手 的建模与控制 ] _ 控制与决 策， 1 9 9 8 ， 2 0 1 3刘洪文． 材料力学． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 4 4白英． 理论力学． 北京 中国农业大学出版社， 2 0 0 4 5 周长城． A N S Y S基础与典型范例． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 7 6 徐芝伦． 应用弹性力 学f M 1 ． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 2 7 陆祥生， 杨秀连． 机械手理论及应用[ M] ． 北京 中国铁道出版社 ， 1 9 8 5 8 彭光正 ， 余麟 气动人工肌 肉驱动仿人灵巧手的结构设计[ n 北京理工大 学学报， 2 0 0 6 ， 7 7 9 林 青， 周其节 ， 毛宗源． 一种移动机器人系统的运动学解法[ J ] ． 华南理工 大学学报， 2 0 0 0 ， 2 8 4 6 6 - 7 0