基于折纸原理的全包围柔性机械爪的设计与试验研究

【摘要】：作为工业生产中机器人与作业对象交互的执行部件,机械爪广泛应用于生产生活的方方面面。关于目前的机械爪,柔性机械爪更是具有适用性广、安全性高等传统刚性机械爪所不具备的特点。折纸结构可结合柔软、轻便的材料,根据预定折痕依次序规律地折叠,可以很好地解决目前的柔性机械爪存在着装配繁琐,相对夹持力小的问题。基于此,本文根据三浦折纸的特性,设计了基于三浦折纸结构的全包围柔性机械爪,并对此开展空间几何分析、有限元仿真和多项性能试验。主要研究工作如下:(1)提出了一种基于三浦折纸的柔性机械爪设计方法。首先,根据三浦折纸的基本参数对柔性机械爪的折纸结构进行了空间几何分析,推导出了柔性机械爪夹持过程中,夹持半径及收缩比与三浦单元各个参数之间的关系,发现三浦单元的边长l_2并不影响夹持半径的大小,只会影响整个筒状柔性机械爪的厚度及折纸结构外径;边长越大或材料越薄,折纸的收缩比越大。此外,对线驱动的力传导进行了分析,推导了输入力与输出力的关系,并为柔性机械爪三浦单元列数的确定提供依据。(2)对折纸原理的全包围柔性机械爪的夹持力进行数值分析。利用有限元软件,分析了杨氏模量、厚度以及折纸夹角大小对夹持力的影响。发现在不发生屈曲变形的情况下,夹持力曲线受杨氏模量的影响不大,均为线性递增;折纸材料的厚度对夹持力曲线影响不明显,在夹持过程中,折纸原理的全包围柔性机械爪与被夹持物的接触并不会发生明显的屈曲变形,能量不会被形变消耗,因此对夹持力的影响不大;三浦单元的折纸夹角大小与折纸结构的半径相关,对不同折纸夹角时的夹持力进行仿真,发现折纸夹角对夹持力曲线的影响不大,不同的曲线均是线性递增。(3)制备了基于三浦折纸的折纸原理的全包围柔性机械爪样机,并对其进行各项性能试验。展开了夹持力试验,验证了有限元分析结果的正确性,得到的夹持力与线索拉力关系总体趋势相同;折纸原理的全包围柔性机械爪的最大载重量为16.2N,与其本身重量之比达1:106。其次,通过对不同形状、大小刚度的物体进行抓取,研究了折纸原理的全包围柔性机械爪的适应性,夹持过程稳定可靠,安全无损,尤其是对倒圆锥状或球状的物体,因此与传统机械爪相比,折纸原理的全包围柔性机械爪具有更广泛的适用范围。此外,展开了同时夹持多物体的试验,利用折纸原理的全包围折柔性机械爪可对多个物体进行同时夹取,发现其具有一定的收拢规律性。