软体抓取机器人的设计方法

技术领域

本发明属于变刚软体驱动器技术领域，尤其涉及一种软体抓取机器人的设计方法。

背景技术

软体抓取机器人在工业领域的应用较多，常常用于工业流水线中抓取一些易碎易损坏的物体，从而代替刚性抓取机器人在这方面的抓取地位。在工业应用中对软体抓取机器人的需求主要在于拥有一定的适应性、弯曲运动能力和负载能力。适应性强能够帮助软体抓取机器人更好地贴合物体，良好的弯曲运动能力能够帮助其包裹并抓取物体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种软体抓取机器人的设计方法，使其同时兼顾弯曲性能和变刚度性能。为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种软体抓取机器人的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、设计不同的混合变刚度机构，并制作相应的混合变刚度软体驱动器；

步骤2、搭建气动驱动测试平台和变刚度性能测试平台；

步骤3、对每种混合变刚度软体驱动器均进行弯曲性能测试和刚度测试；

步骤4、进行对比分析混合变刚度软体驱动器的弯曲性能和变刚度能力，选择综合性能最佳的混合变刚度软体驱动器。

优选地，步骤1中，设计混合变刚度机构的过程具体包括：

设计混合变刚度机构一：将颗粒和薄片上下耦合于薄膜内，在薄膜内，从上到下依次有三层材料；

设计混合变刚度机构二：是将薄片与颗粒前后耦合于同一个薄膜，在变刚度结构末端颗粒与薄片上下叠放；

设计混合变刚度机构三：将颗粒和薄片分段耦合于不同薄膜内，每个薄膜均连通一个真空泵；

混合变刚度软体驱动器包括：

混合变刚度软体驱动器一：包括混合变刚度机构一、粘结于混合变刚度机构一上的气动驱动结构；气动驱动结构包括限制层和应变层，应变层的下端粘结于限制层；应变层包括若干间隔设置气囊，气囊与限制层中的气腔连通；

混合变刚度软体驱动器二：混合变刚度机构二、粘结于混合变刚度机构二上的气动驱动结构；

混合变刚度软体驱动器三：混合变刚度机构三、粘结于混合变刚度机构三上的气动驱动结构。

优选地，步骤2中，气动驱动测试平台包括：

支架一，用于夹持混合变刚度软体驱动器的末端；

空气压缩机与气动控制器，空气压缩机的输出端与气动控制器的进气接口连接，气动控制器的出气接口连接限制层中的气腔；

上位机一，与气动控制器的通信接口连接；

其中，弯曲角度θ定义为软体驱动器末端一点到固定端一点的轴线、过固定端一点的轴线，两轴线之间的夹角；

变刚度性能测试平台包括：

支架二，用于夹持混合变刚度软体驱动器的一端且高度可调节；混合变刚度软体驱动器的末端贴合线性导轨上的压力传感器；压力传感器设置于线性导轨上的滑块上，其与上位机二信号连接；

真空抽气机和真空压力计，真空抽气机用于提供负压至限制层中的空腔，其输入端依次连接真空压力计、限制层中的空腔；真空压力计用于显示真空抽气机的真空度，其与上位机二信号连接；

导轨控制器和所述线性导轨，导轨控制器来控制线性导轨水平方向运动，其与上位机二信号连接；

压力示数器，与上位机二信号连接；

其中，将要测量的软体驱动器末端的刚度定义为软体驱动器末端压力与末端动的距离之比的值。

优选地，步骤3包括：

弯曲性能测试：分别对没有嵌入堵塞材料的软体驱动器和嵌入材料后的三种可变刚度软体驱动器进行了充气弯曲实验；

首先，在气动控制器中分别设置输入气压为0KPa-60KPa，每次间隔10KPa；

每种输入气压下，重复做5次实验，取弯曲角度θ的平均值，将实验得到的数据拟合成输入气压-弯曲角度曲线图；

刚度测试包括：

首先使用真空压力计设置真空度，在0KPa-80KPa之间每次增加20KPa；

然后通过导轨控制器控制滑块移动，在0mm-20mm之间每次移动2mm，并记录每个移动位置对应的压力；

每种真空度情况下，由0mm移动到20mm为一次实验，重复做5次实验，取每个移动位置对应的压力的平均值；

最后根据刚度的定义

优选地，步骤4包括：

根据输入气压-弯曲角度曲线图、不同真空度下的滑移距离-刚度图，对每种软体驱动器的弯曲性能、变刚度性能，分别与其他两种软体驱动器进行对比，选取弯曲性能和变刚度性能都相对最佳的软体驱动器，作为软体抓取机器人。

与现有技术相比，本发明的优点为：

利用3D打印技术和硅胶浇筑技术对混合变刚度软体驱动器进行了样机制作，依据变刚度结构不同，制作了三种不同的驱动器。并且，搭建了气动驱动测试平台和变刚度性能测试平台，对制作完成的三种混合变刚度软体驱动器进行了弯曲性能测试和刚度测试，以研究两种材料在空腔中的不同耦合方式，以得到变刚度性能、弯曲能力以及抗干扰能力等最强的混合变刚度结构，该结构作为软体抓取机器人的变刚结构。

附图说明

图1为混合变刚度软体驱动器的结构图；

图2为气动驱动测试平台的结构图；

图3为变刚度性能测试平台的结构图；

图4为四种驱动器弯曲示意图；

图5为四种软体驱动器的输入气压与弯曲角度关系对比图；

图6为混合变刚度软体驱动器一的不同真空度下的滑移距离-刚度图；

图7为混合变刚度软体驱动器二的不同真空度下的滑移距离-刚度图；

图8为混合变刚度软体驱动器三的不同真空度下的滑移距离-刚度图；

图9为三种驱动器在80KPa下刚度对比图；

图10为混合变刚度机构一的结构图；

图11为混合变刚度机构二的结构图；

图12为混合变刚度机构三的结构图；

图13为软体抓取机器人中的机械手截面图；

图14为气动控制器的结构图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的软体抓取机器人的设计方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1～14，一种软体抓取机器人的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、设计不同的混合变刚度机构，并制作相应的混合变刚度软体驱动器。

设计混合变刚度机构的过程具体包括：

设计混合变刚度机构一：将颗粒和薄片上下耦合于薄膜内，在薄膜内，从上到下依次有三层材料。

即将两种材料上下置于同一个薄膜。

两层薄片之间夹一层颗粒或者两层颗粒之间夹一层薄片层。在薄膜内，从上到下依次有三层材料，当薄膜内抽真空时，颗粒与颗粒之间，颗粒与薄片之间、薄片与薄片之间均会产生摩擦力，从而表现出整体的高刚度。

这种耦合方式的优点在于，在保持颗粒堵塞流动性的特点下，加强了整体堵塞机构的变刚度能力，能够承受的刚度更大，负载能力更强。传统的颗粒堵塞和层堵塞相比，层堵塞机构整体的刚度大于颗粒堵塞机构，颗粒堵塞不受形状的限制，颗粒的流动性使得其对外界物体有更好的适应性。因此，在两层颗粒之间夹一层薄片层能够有效提升整体机构的刚度，并且能够将两层颗粒层分隔开，降低颗粒重排后的不稳定性。

设计混合变刚度机构二：是将薄片与颗粒前后耦合于同一个薄膜，在变刚度结构末端颗粒与薄片上下叠放。

即将两种材料前后置于薄膜。从左到右依次是颗粒和薄片，在变刚度结构末端是颗粒与薄片上下叠放。当对整个变刚度结构抽真空时，颗粒从流体状态变为类固体状态，并且与被挤压后的薄片之间发生摩擦。薄片出现“坍塌”现象，从负压前与颗粒平齐的高度被挤压到与颗粒堆之间产生高度差，各层之间的摩擦力增大，从而增大了整体的刚度。

这种混合变刚度结构的优点在于，在单一颗粒堵塞和层堵塞的基础上，底部全部嵌入薄片，层堵塞具有排列稳定的优点，能够有效保证整体的刚度提升稳定性。在末端嵌入颗粒材料，能够在提升刚度的同时保留颗粒的流动性，在未抽真空时，颗粒的流动性能够更好地使驱动器与物体相接触。同时，颗粒的下方和右方的薄片层能够把颗粒包裹起来，限制在一个空间之后降低了颗粒重排列的不稳定性。在抽真空之后，薄片迅速压缩与紧缩的颗粒之间形成高度差，能够卡住相接触的物体。此外，整体的变刚度机构中由于主体是薄片，不需要过多的颗粒材料，该机构相对于颗粒堵塞机构也更轻，材料成本降低。但是，这个混合变刚度机构嵌入材料的排列相对复杂，制作和嵌入材料的处理相对繁琐，整体刚度的提升不如三层叠放的混合变刚度结构大。

设计混合变刚度机构三：将颗粒和薄片分段耦合于不同薄膜内，每个薄膜均连通一个真空泵。

即将两种材料分段置于薄膜。从图中可以看出，混合变刚度机构从左到右分为了四段，依次由单独的层、颗粒、层和颗粒组成。当对不同薄膜内的堵塞机构抽真空时，不同薄膜内的薄片与薄片之间、颗粒与颗粒之间会产生摩擦力，从而改变这一段的刚度变化。

这种耦合方式的优点在于，区别于传统的变刚度机构只在一个薄膜内控制整体的刚度变化，它能够实现分段控制刚度大小。并且，颗粒在固态和流态之间转换后导致的重排列不稳定性可以得到一定程度的减轻，能够避免因颗粒随意流动而导致分布不均匀的问题。此外，当控制一段堵塞模块刚度的时候，因为前后刚度不一致的问题，这一段堵塞模块会产生变形从而进行弯曲，从而改变了整体的弯曲形状。这赋予了其弯曲形状控制的能力，具备更好的灵活性，这是其他传统的单一堵塞方法无法做到的。

混合变刚度软体驱动器包括：

混合变刚度软体驱动器一：包括混合变刚度机构一、粘结于混合变刚度机构一上的气动驱动结构；气动驱动结构包括限制层和应变层，应变层的下端粘结于限制层；应变层包括若干间隔设置气囊，气囊与限制层中的气腔连通；

混合变刚度软体驱动器二：混合变刚度机构二、粘结于混合变刚度机构二上的气动驱动结构；

混合变刚度软体驱动器三：混合变刚度机构三、粘结于混合变刚度机构三上的气动驱动结构。

步骤2、搭建气动驱动测试平台和变刚度性能测试平台。

气动驱动测试平台包括：

支架一，用于夹持混合变刚度软体驱动器的末端；

空气压缩机与气动控制器，空气压缩机的输出端与气动控制器的输入端连接，气动控制器的输出端连接限制层中的气腔。气动控制器是北京SRT公司研发的SCB-18PRO多功能气动控制器，它的气压调节范围为-70KPa～100KPa，能够满足本实验的需求。充气工作主要由空气压缩机完成，气动控制器用于控制进气量的作用。

上位机一，用于控制气动控制器的充放气以及调节输入气压的大小；

其中，弯曲角度θ定义为软体驱动器末端一点到固定端一点的轴线、过固定端一点的轴线，两轴线之间的夹角。

具体的，支架将软体驱动器的末端固定，当往驱动器中通入气压时，软体驱动器就能够发生弯曲运动等。此外，通过软件可以有效反馈输入气压的大小，能够及时记录和调节。

变刚度性能测试平台包括：

支架二，用于夹持混合变刚度软体驱动器的一端；混合变刚度软体驱动器的末端贴合线性导轨上的压力传感器；压力传感器设置于线性导轨上的滑块上，其与上位机二信号连接；由于导轨一共只移动20mm，该位移较小，所以只需要将软体驱动器通过支架二下放到合适的高度就可以保证其末端始终作用于压力传感器。

真空抽气机和真空压力计，真空压力计通过上位机控制负压大小，真空抽气机用于提供负压至限制层中的空腔，其输入端依次连接真空压力计、限制层中的空腔连接，确保在气压调节器的控制下能够及时抽取软体驱动器混合变刚度结构中的内部空气，从而使其表现出高刚度；真空压力计用于设置真空抽气机的真空度，其与上位机二信号连接；

导轨控制器和所述线性导轨，导轨控制器来控制线性导轨水平方向运动，其与上位机二信号连接；

压力示数器，与上位机二信号连接；

其中，将要测量的软体驱动器末端的刚度定义为软体驱动器末端压力与末端动的距离之比的值。

具体的，导轨控制器具体型号为CM36L，最高精度为0.01cm，压力示数器型号为BF754H，最高精度可以达到0.01N，最大可测得的力为20N。

步骤3、对每种混合变刚度软体驱动器均进行弯曲性能测试和刚度测试。包括：

弯曲性能测试：分别对没有嵌入堵塞材料的软体驱动器和嵌入材料后的三种可变刚度软体驱动器进行了充气弯曲实验。

首先，在气动控制器中分别设置输入气压为0KPa-60KPa，每次间隔10KPa；

每种输入气压下，重复做5次实验，取弯曲角度θ的平均值，将实验得到的数据拟合成输入气压-弯曲角度曲线图。

刚度测试包括：

选择半径为3mm的刚玉颗粒，长、宽、高分别为130mm、22mm和0.5mm的复印纸，嵌入变刚度机构的层数为10层，对制作完的三种可变刚度软体驱动器进行刚度测试。

首先使用真空压力计设置真空度，在0KPa-80KPa之间每次增加20KPa；

然后通过导轨控制器控制滑块移动，在0mm-20mm之间每次移动2mm，并记录此时移动位置对应的压力。其中，将软体驱动器调整好高度后固定好，通过导轨控制器控制滑块移动，压力恰好为0的位置就是滑块起点。如，第一次移动2mm时形成一个移动位置，记录此时的压力值；继续移动下一个2mm时形成第二个移动位置(其对应的滑动距离为4mm)，记录此时的压力值。

每种真空度情况下，由0mm移动到20mm为一次实验，重复做5次实验，取每个移动位置对应的压力的平均值；

最后根据刚度的定义

步骤4、进行对比分析混合变刚度软体驱动器的弯曲性能和变刚度能力，选择综合性能最佳的混合变刚度软体驱动器。包括：

根据输入气压-弯曲角度曲线图、不同真空度下的滑移距离-刚度图，对每种软体驱动器的弯曲性能、变刚度性能，分别与其他两种软体驱动器进行对比，选取弯曲性能和变刚度性能都相对最佳的软体驱动器。

具体的，如图5，分别对4种情况下的软体驱动器充入0KPa-60KPa的气压，四者的弯曲角度都随气压的增大而逐渐增大，多气囊软体驱动器的增长速度一直都保持比较快的趋势。而其他三个可变刚度软体驱动器的角度从30KPa开始变化得比较明显，这是因为变刚度软体驱动器中嵌入了颗粒和薄片，自身的硬度相比于单纯的多气囊气动驱动结构更大一点，限制层的厚度也较大，因此在30KPa之前增长的速度不是很快，随着气压的增大，弯曲的力也变大，从而导致弯曲角度会增长地更快一些。图中的变刚度软体驱动器一、变刚度软体驱动器二和变刚度软体驱动器三分别指的是嵌入材料上下叠放的驱动器、嵌入材料前后放置的驱动器和嵌入材料分段放置的驱动器。可以明显看出，变刚度驱动器1的弯曲角度远不如其他两个驱动器大，最大角度为85.98°，分别比其他两种驱动器低了5.35°和8.14°。这是因为其嵌入材料的形式使得自身刚度远大于其他两种，限制了驱动器的弯曲性能。

如图6～8，随着真空度的增加，三种可变刚度软体驱动器的末端刚度也越来越大，这表明真空度对刚度的影响非常显著，并且随着导轨的移动，驱动器末端承受的力也越来越大，因此表现出的刚度也越来越大，在滑动距离为0mm时，由于驱动器末端未受到压力，因此刚度显示为0，与刚度的定义吻合。图中可变刚度驱动器一、可变刚度驱动器二和可变刚度驱动器三分别代表嵌入材料上下叠放式、嵌入材料前后放置式和嵌入材料分段放置式驱动器。

如图9，可以看出颗粒和薄片上下叠放时，在80KPa的真空度下，末端刚度最大，能达到0.0697N/mm，比其他两种驱动器的末端刚度分别大了0.0089/mm和0.014N/mm。

通过对制作完成后的三种可变刚度软体驱动器进行了弯曲性能测试和变刚度能力测试后发现，嵌入材料上下叠放式的软体驱动器变刚度性能最佳，但是由于刚度的限制弯曲性能最差；嵌入材料分段放置式的软体驱动器弯曲性能最佳，但是变刚度能力相比其他两个最差；嵌入材料前后放置式的软体驱动器综合而言，弯曲性能和变刚度性能最佳，最大弯曲角度可达到91.33°，在80KPa的真空度下刚度最大可以达到0.0467N/mm。

如图13所示，软体机械手尺寸如表1所示。

表1软体机械手尺寸

此外，驱动器二的弯曲性能在60KPa的压强下最大可以达到91.33°，仅比驱动器3少了2.79°，但是其刚度在80KPa的真空度下最大可以达到0.0467N/mm，仅比驱动器1低了0.0064N/mm。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。