一種新型的氣動側(cè)擺關(guān)節(jié)

一種新型的氣動側(cè)擺關(guān)節(jié)

0氣動驅(qū)動關(guān)節(jié)隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人的廣泛應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展，并且從工業(yè)擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和服務(wù)領(lǐng)域，其操作對象也變得越來越復(fù)雜。由于空氣的可壓縮性好,氣動驅(qū)動器的柔順性較好;同時,氣動驅(qū)動器又具有結(jié)構(gòu)簡單、可直接驅(qū)動無需減速機(jī)構(gòu)、動作靈活、對操作對象損傷較小等特點(diǎn)。因此,近些年來,對以氣動驅(qū)動器為元件的氣動關(guān)節(jié)研究不斷增多,較為有代表性的氣動驅(qū)動關(guān)節(jié)如下:McKibben氣動驅(qū)動器PMA,以及以PMA為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的多種氣功驅(qū)動關(guān)節(jié);日本東芝公司研制的3自由度氣動球關(guān)節(jié)FMA(flexiblemicroactuator)、日本岡山大學(xué)NORITSUGU等研制的旋轉(zhuǎn)型柔性彎曲關(guān)節(jié)驅(qū)動器、德國卡爾斯魯厄計(jì)算機(jī)科學(xué)應(yīng)用研究中心提出的柔性流體驅(qū)動器以及江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院章軍等提出的基于彈性波殼伸縮的氣動驅(qū)動器。以上氣動驅(qū)動關(guān)節(jié)在具體結(jié)構(gòu)上各有特色,均具有柔順性好、動作平滑、噪聲低、無污染等特點(diǎn),并已應(yīng)用于有關(guān)各種機(jī)器人柔性多指手的設(shè)計(jì)中。本文基于氣動柔性驅(qū)動器FPA(flexiblepneumaticactuator)設(shè)計(jì)了氣動柔性側(cè)擺關(guān)節(jié),該側(cè)擺關(guān)節(jié)主要用于農(nóng)業(yè)機(jī)器人多指靈巧手設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)左右兩個方向的側(cè)擺運(yùn)動,驅(qū)動器FPA與關(guān)節(jié)本體一體化,不需要外加驅(qū)動系統(tǒng),柔順性好,適應(yīng)性強(qiáng),結(jié)構(gòu)簡單,且便于實(shí)現(xiàn)小型化。1氣動柔性分離器fpa的工作原理氣動側(cè)擺關(guān)節(jié)由上下兩個T型活動構(gòu)件、兩個氣動柔性驅(qū)動器FPA以及兩個管接頭組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。上T型活動構(gòu)件下端設(shè)有圓孔,下T型活動構(gòu)件上端設(shè)有腰形孔,兩個T型活動構(gòu)件和銷軸通過腰槽結(jié)構(gòu)形成一個可軸向伸縮的轉(zhuǎn)動鉸鏈;兩個氣動柔性驅(qū)動器FPA分別固定在兩個活動構(gòu)件上,且左右對稱分布;兩個管接頭通過螺紋聯(lián)接分別固定在兩個FPA的前端蓋上。如圖1所示,氣動柔性驅(qū)動器FPA主要由兩個端蓋、橡膠管以及嵌在橡膠管內(nèi)壁的螺旋彈簧組成。當(dāng)壓縮氣體通過管接頭通入FPA的內(nèi)腔中,FPA在氣體壓力以及螺旋彈簧的徑向限制作用下,發(fā)生軸向伸長;當(dāng)氣體壓力減小時,FPA在橡膠管的回彈力作用下,恢復(fù)原狀。側(cè)擺關(guān)節(jié)的工作原理如下:由于橡膠管不可壓縮,側(cè)擺關(guān)節(jié)工作前需通過管接頭,向兩個氣動柔性驅(qū)動器FPA內(nèi)腔中預(yù)通入相同壓力的壓縮空氣,在等壓氣體壓力的作用下,兩個FPA發(fā)生相同的軸向伸長,從而推動上T型活動構(gòu)件運(yùn)動直至銷軸與下T型活動構(gòu)件上長孔上端接觸為止;接著,改變兩個氣動柔性驅(qū)動器FPA的內(nèi)腔氣壓,當(dāng)左邊FPA的內(nèi)腔氣壓大于右邊FPA的內(nèi)腔氣壓時,左邊FPA的伸長量將大于右邊FPA的伸長量,側(cè)擺關(guān)節(jié)向右側(cè)擺,反之亦然;釋放兩個FPA內(nèi)腔的壓縮空氣,FPA在橡膠管和螺旋彈簧的回彈作用下,恢復(fù)原狀,同時帶動T型活動構(gòu)件恢復(fù)到初始狀態(tài)。2側(cè)臂關(guān)節(jié)的靜態(tài)特性分析側(cè)擺關(guān)節(jié)運(yùn)動過程如圖2所示,便于描述,筆者將側(cè)擺關(guān)節(jié)運(yùn)動時形變量大的FPA定義為長FPA,形變量小的FPA定義為短FPA。2.1不同橡膠強(qiáng)度的生產(chǎn)機(jī)理分析建立側(cè)擺關(guān)節(jié)的靜態(tài)模型之前,假設(shè)如下:1)由于FPA橡膠管內(nèi)螺旋彈簧的鋼絲半徑很小(0.2mm),剛度較小,且是螺旋密繞在橡膠管的管壁內(nèi),可以認(rèn)為FPA伸長過程中,彈簧的彈力忽略不計(jì),忽略其對橡膠彈性模量的影響;2)FPA橡膠管質(zhì)地均勻,并且彈簧均勻處于橡膠管壁中間;3)大氣壓力與FPA內(nèi)腔氣體壓力在端蓋上的作用面積相等。在假設(shè)條件下,側(cè)擺關(guān)節(jié)運(yùn)動時,兩個FPA在活動構(gòu)件的限制和鉸鏈轉(zhuǎn)動導(dǎo)向作用下,發(fā)生弧形形變。便于分析,將側(cè)擺關(guān)節(jié)的受力模型簡化如圖3所示。假設(shè)兩個FPA的初始長度為l(mm);中心線間距為a(mm);側(cè)擺預(yù)伸長量為x(mm);預(yù)伸長后,橡膠管長度為L=l+x(mm);銷軸中心線到上下兩個T型活動構(gòu)件距離相同,為L/2。由圖3中的幾何關(guān)系可得式中:R——側(cè)擺關(guān)節(jié)中心線弧的半徑,mm;θ——側(cè)擺關(guān)節(jié)的側(cè)擺角度,rad;Ll——長FPA的中心線弧的弧長,mm;Ls——短FPA的中心線弧的弧長,mm。對長FPA的一端進(jìn)行靜力分析,其受力情況如圖3所示,可得式中:Fpl——長FPA內(nèi)腔氣體壓力,N;Fatm——大氣壓力,N;Pl——長FPA的內(nèi)腔氣體壓強(qiáng),MPa;Patm——大氣壓強(qiáng),MPa;r0——FPA橡膠管的平均半徑,即螺旋彈簧的半徑,mm;Fal——長FPA橡膠管殼的彈性力。長FPA橡膠管殼的彈性力為側(cè)擺關(guān)節(jié)發(fā)生弧形形變的FPA,嚴(yán)格意義上,同一橫截面積上橡膠管殼體壁厚以及應(yīng)變不同;由于FPA變形過程中橡膠管平均半徑不變,且FPA的橡膠管壁厚較小(2mm),我們忽略同一橫截面積上壁厚變化,所以,可以認(rèn)為長FPA橡膠管的平均應(yīng)變?yōu)榈湫拖鹉z應(yīng)變小于100%時,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線是線性的,滿足胡克定律,長FPA的橡膠管殼體平均應(yīng)力為:式中E——FPA橡膠管的彈性模量,MPa。長FPA橡膠管的橫截面積為長FPA橡膠管的初始壁厚為t0(mm);伸長后壁厚為tl(mm);由材料等體積原理可得將式(9)代入式(8),得到將式(10)、(6)以及(7)代入式(5),可以得到將式(11)代入式(4),可以推導(dǎo)出將式(12)代入式(2),可以得到對于短FPA,同理可得:式中Ps——短FPA的內(nèi)腔氣體壓強(qiáng),MPa。側(cè)擺關(guān)節(jié)預(yù)充氣體壓強(qiáng)為式(13)與式(14)是氣動柔性側(cè)擺關(guān)節(jié)的靜態(tài)模型,反映了側(cè)擺關(guān)節(jié)的側(cè)擺角度θ(θ≠0)與兩個FPA內(nèi)腔氣壓Pl、Ps的關(guān)系。2.2側(cè)擺關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型由式(13)、式(14)可知,側(cè)擺關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后,側(cè)擺角度的大小僅取決于側(cè)擺關(guān)節(jié)兩個FPA內(nèi)腔氣壓的大小,即:側(cè)擺角度θ是長FPA內(nèi)腔氣壓Pl以及短FPA內(nèi)腔氣壓Ps的函數(shù),可以表示為:通過仿真試驗(yàn)可以得到θ—Pl、Ps的曲線,如圖4所示,仿真參數(shù)見表1所示。從圖4中的仿真曲線可以看出:側(cè)擺關(guān)節(jié)兩個FPA內(nèi)腔預(yù)充氣體壓強(qiáng)值,即曲線與x軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值;其他參數(shù)不變的情況下,側(cè)擺關(guān)節(jié)最大的側(cè)擺角度即曲線θ=f(Ps)與y軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)值,取決于兩個FPA內(nèi)腔預(yù)充氣體的壓強(qiáng);側(cè)擺運(yùn)動時,隨著側(cè)擺角度的增大,短FPA的內(nèi)腔氣體壓強(qiáng)減小,長FPA的內(nèi)腔氣體壓強(qiáng)增大,但均不是線性關(guān)系。下面研究對側(cè)擺關(guān)節(jié)模型有重要影響的兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)。1)側(cè)擺關(guān)節(jié)兩個FPA軸線距離a對側(cè)擺關(guān)節(jié)靜態(tài)特性影響由式(13)、式(14)和表1中的仿真參數(shù),繪制側(cè)擺關(guān)節(jié)的側(cè)擺角度θ與兩個FPA軸線距離a關(guān)系仿真曲線,如圖5所示。可以得到:當(dāng)FPA內(nèi)腔壓強(qiáng)不變時,側(cè)擺關(guān)節(jié)的側(cè)擺角度,隨著兩個FPA軸線的距離增大而減小,但不是線性關(guān)系。2)側(cè)擺關(guān)節(jié)兩個FPA原始長度l對側(cè)擺關(guān)節(jié)靜態(tài)特性影響由式(13)、式(14)和表1中的仿真參數(shù),繪制側(cè)擺角度θ與兩個FPA原長l的關(guān)系仿真曲線,如圖6所示?？梢缘玫?當(dāng)側(cè)擺關(guān)節(jié)兩個FPA的預(yù)伸長量x一定以及內(nèi)腔壓強(qiáng)不變時,側(cè)擺關(guān)節(jié)的側(cè)擺角度隨著FPA的原長增大而增大,且非常接近線性關(guān)系。2.3不同側(cè)擺角度的靜態(tài)模型仿真結(jié)果過于復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,不利于實(shí)際應(yīng)用,需要對側(cè)擺關(guān)節(jié)的靜態(tài)模型進(jìn)行簡化。對式(13)與式(14)中進(jìn)行泰勒級數(shù)展開,可得且式(17)的收斂半徑為θ的全部定義域。將的二次冪級數(shù)代入式(13)、式(14),化簡得到:根據(jù)表1中的仿真參數(shù),繪制簡化模型的仿真曲線,同時,將簡化模型的仿真曲線與實(shí)際理論模型仿真曲線進(jìn)行比較,如圖7所示?？梢钥吹?當(dāng)側(cè)擺角度較小時,簡化模型與理論模型曲線近乎重合;按照表1參數(shù),當(dāng)側(cè)擺關(guān)節(jié)達(dá)到最大側(cè)擺角度時,簡化模型所得FPA內(nèi)腔氣壓值與實(shí)際理論值相比較,誤差小于3%。通過分析,當(dāng)側(cè)擺角度較小時,側(cè)擺關(guān)節(jié)的靜態(tài)模型可以簡化為式(18)和式(19)。作者提出的側(cè)擺關(guān)節(jié)初衷是用于設(shè)計(jì)機(jī)器人多指靈巧手,根據(jù)人手結(jié)構(gòu),側(cè)擺關(guān)節(jié)的側(cè)擺角度范圍是-0.175~0.175rad(-10°~10°),故可以使用簡化模型。3側(cè)墻關(guān)節(jié)特性的實(shí)驗(yàn)和分析3.1側(cè)擺運(yùn)動測量側(cè)擺關(guān)節(jié)特性測試試驗(yàn)原理如圖8所示,試驗(yàn)用的側(cè)擺關(guān)節(jié)參數(shù)如表2所示。本試驗(yàn)系統(tǒng)原理如下:PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡通過兩路D/A輸出控制電-氣壓力比例閥的電壓信號,從而改變側(cè)擺關(guān)節(jié)兩個FPA的內(nèi)腔氣壓,實(shí)現(xiàn)其側(cè)擺運(yùn)動;同時PCL-812PG通過兩路A/D轉(zhuǎn)換通道對電-氣壓力比例閥壓力反饋信號進(jìn)行檢測;側(cè)擺角度通過非接觸式角度傳感器AS5045測量;測量的角度值通過單片機(jī)系統(tǒng)以CAN總線方式傳輸給工控機(jī);上位機(jī)圖形化軟件采用delphi7編寫。試驗(yàn)系統(tǒng)中采用的角位移傳感器AS5045是一種無接觸式磁旋轉(zhuǎn)編碼器,可以精確測量360°范圍內(nèi)的角度,分辨率達(dá)0.0879°。測量角度時,只需要將一小塊圓形雙極磁鐵固定在側(cè)擺關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動銷軸一端,同時將該磁鐵放置在AS5045芯片中心的上方即可。角位移傳感器與側(cè)擺關(guān)節(jié)不接觸,二者之間無阻尼作用,可以忽略傳感器對側(cè)擺關(guān)節(jié)本身的影響,故試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以更加確切地反映側(cè)擺關(guān)節(jié)的特性。3.2靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果向側(cè)擺關(guān)節(jié)的兩個FPA的內(nèi)腔充入壓縮空氣,測量關(guān)節(jié)的側(cè)擺角度,圖9所示為一組試驗(yàn)結(jié)果和仿真曲線。從圖9可以得到:1)試驗(yàn)曲線和仿真曲線基本吻合,但是存在一定的誤差,最大絕對誤差為0.035rad,最大相對偏差為10.9%,說明所建立的數(shù)學(xué)模型基本正確,可以反映側(cè)擺關(guān)節(jié)的靜態(tài)特性;2)側(cè)擺關(guān)節(jié)FPA充氣過程的試驗(yàn)曲線和放氣過程的試驗(yàn)曲線存在明顯的滯環(huán),這是由構(gòu)成FPA的橡膠管的黏滯性所造成的;3)在側(cè)擺運(yùn)動過程中,側(cè)擺關(guān)節(jié)長FPA的試驗(yàn)曲線與仿真結(jié)果更接近,而短FPA的試驗(yàn)曲線和仿真曲線存在的誤差大一些,造成這種結(jié)果的原因是:側(cè)擺關(guān)節(jié)運(yùn)動時,兩個FPA存在運(yùn)動耦合的問題,為了避免兩個FPA運(yùn)動干涉,試驗(yàn)中人為地減小了短FPA的內(nèi)腔壓強(qiáng);4)靜態(tài)試驗(yàn)測得的角度值比仿真結(jié)果的角度值要小,且隨著角度的增加,誤差增大。其原因一方面是橡膠管的黏滯性,側(cè)擺關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸摩擦,以及FPA的制作缺陷和徑向膨脹等因素,而這些因素在理論建模時都是被忽略的;另一方面由于簡化理論模型和實(shí)際理論模型存在一定的誤差。3.3側(cè)擺關(guān)節(jié)的動態(tài)響應(yīng)采用上述試驗(yàn)原理,試驗(yàn)所用側(cè)擺關(guān)節(jié)的參數(shù)如表2所示。根據(jù)側(cè)擺關(guān)節(jié)簡化理論模型計(jì)算兩個FPA分別所需的壓縮氣體壓力,通過工控機(jī)向側(cè)擺關(guān)節(jié)分別發(fā)送期望值為0.262、0.217和0.149rad的階躍信號,試驗(yàn)測量的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線如圖10所示。從圖10中可以得到:1)開環(huán)控制情況下,側(cè)擺關(guān)節(jié)對于階躍信號的響應(yīng)沒有明顯的振蕩和超調(diào),主要是因?yàn)闃?gòu)成FPA的主要材料是橡膠,由于橡膠的黏滯性使得側(cè)擺關(guān)節(jié)阻尼系數(shù)較大,試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)是個過阻尼系統(tǒng);2)由于是過阻尼系統(tǒng)以及氣體具有可壓縮性,側(cè)擺關(guān)節(jié)的響應(yīng)速度較慢。當(dāng)穩(wěn)態(tài)值的公差帶?=5%時,對于輸入不同的期望值角度的階躍信號,側(cè)擺關(guān)節(jié)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間為2s左右;本試驗(yàn)系統(tǒng)采用的SMC生產(chǎn)的電-氣壓力比例閥,型號為ITV00503,空載響應(yīng)時間小于0.1s,故可以忽略電-氣壓力比例閥對試驗(yàn)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響;3)圖10中可以看到對于不同期望值角度的階躍信號,側(cè)擺關(guān)節(jié)的響應(yīng)速度不同,輸入的期望值越大,側(cè)擺關(guān)節(jié)的響應(yīng)速度越快,這是因?yàn)槠谕到嵌仍酱?側(cè)擺關(guān)節(jié)中兩個FPA的內(nèi)腔氣壓差越大;4)圖10中3組動態(tài)響應(yīng)曲線中,最大的穩(wěn)態(tài)誤差為0.015rad,最大相對偏差為5.7%,隨著期望值角度增大,穩(wěn)態(tài)誤差增大,這和靜態(tài)特性試驗(yàn)結(jié)果相吻合。誤差的原因在前面已經(jīng)做了分析。4側(cè)擺關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)20世紀(jì)70年代以來,國內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)相繼研制出了多種農(nóng)業(yè)機(jī)器人多指靈巧手,其關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式主要有兩種:電機(jī)驅(qū)動和氣動人工肌肉PMA驅(qū)動。電機(jī)驅(qū)動的關(guān)節(jié)往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜,缺乏柔性和適應(yīng)性,容易對水果造成傷害,不易小型化,控制系統(tǒng)復(fù)雜;人工肌肉PMA驅(qū)動的關(guān)節(jié)易于小型化,關(guān)節(jié)本體和人工肌肉分離,通過人工腱實(shí)現(xiàn)動力的傳遞,腱傳動系統(tǒng)中存在摩擦、松弛以及能量損耗的問題無法避免。本文基于氣動柔性驅(qū)動器FPA提出側(cè)擺關(guān)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)兩個方向的左右擺動,驅(qū)動器FPA與關(guān)節(jié)本體一體化,不需要外加驅(qū)動和傳遞系統(tǒng),不存在能量損耗等問題,柔順性好,適應(yīng)性強(qiáng),結(jié)構(gòu)簡單,控制方便,且便于小型化,可以彌補(bǔ)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)器人靈巧手驅(qū)動關(guān)節(jié)的不足。側(cè)擺關(guān)節(jié)的預(yù)期應(yīng)用如下:根據(jù)人手的結(jié)構(gòu),以側(cè)擺關(guān)節(jié)和彎曲關(guān)節(jié)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)兩種具有側(cè)擺功能的4自由度手指,如圖11所示;以這兩種手指為主要構(gòu)件,設(shè)計(jì)具有20個自由度、5個手指以及1個擬人手掌的農(nóng)業(yè)機(jī)器人多指靈巧手,如圖12所示,側(cè)擺關(guān)節(jié)包含在手掌內(nèi)。相比于僅具有單一彎曲功能的的機(jī)器人靈巧手,具有側(cè)擺功能的機(jī)器人多指靈巧手具有以下幾個優(yōu)點(diǎn):1)每個手指的動作更加靈活多變,工作空間明顯增大,不僅僅局限在單一平面內(nèi)運(yùn)動;2)手指工作空間增大使得機(jī)器人在進(jìn)行果蔬采摘時,采