多腔体柔性机械手指设计与弯曲变形研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2023.05.011

辽宁石油化工大学学报 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (5): 68-74.DOI: 10.12422/j.issn.1672-6952.2023.05.011

多腔体柔性机械手指设计与弯曲变形研究

高磊(), 迟德霞(), 孙润富, 潘学睿

辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001

收稿日期:2022-11-11 修回日期:2022-12-31 出版日期:2023-10-25 发布日期:2023-11-06
通讯作者: 迟德霞
作者简介:高磊（1996⁃），男，硕士研究生，从事应用新型柔性材料的仿生机器人方面的研究；E⁃mail：2386268166@qq.com。
基金资助:
辽宁省教育厅高校基本科研项目(202210148037)

Multi⁃Cavity Flexible Mechanical Finger Design and Bending Deformation Study

Lei GAO(), Dexia CHI(), Runfu SUN, Xuerui PAN

College of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China

Received:2022-11-11 Revised:2022-12-31 Published:2023-10-25 Online:2023-11-06
Contact: Dexia CHI

摘要/Abstract

摘要：

设计一种柔性机械手指，通过3D打印机打印了柔性机械手指模具，并以硅胶为原料制备了柔性机械手指；通过拉伸试验得到了硅胶材料的应变能密度函数的模型参数C₁₀和C₂₀，并用Solidworks软件建立柔性机械手指三维模型，用ABAQUS软件分析了该柔性机械手指在压力为－0.02～0.05 MPa时的应力与应变。结果表明，当压力为－0.02 MPa时，最大应力与最大应变分别为－8.866 MPa和－0.564；当压力为0.05 MPa时，最大应力与最大应变分别为2.981 MPa和0.711。建立柔性机械手指试验装置，获取了柔性机械手指在不同压力下的弯曲变形情况和手指末端的位移。结果表明，其横向最大位移为7.60 mm。

关键词: 柔性机械手, 气动机械手指, 多腔体, 硅胶

Abstract:

In this study, a flexible mechanical finger was designed, and the mold of flexible mechanical finger was printed with a 3D printer, and a flexible mechanical finger was made from silica gel. The model parameters C₁₀ and C₂₀ of the strain energy density function of the silicone material were obtained by tensile test, and the three?dimensional model of the flexible mechanical finger was established by Solidworks, and the stress and strain of the flexible mechanical finger were analyzed by ABAQUS software at the pressure of -0.02 MPa to 0.05 MPa.The results showed that the maximum stress and strain values were -8.866 MPa and -0.564 at -0.02 MPa, and 2.981 MPa and 0.711 at 0.05 MPa, respectively. The maximum transverse displacement was 7.60 mm.

Key words: Flexible manipulator, Pneumatic mechanical finger, Multi?cavity, Silicone

中图分类号:

TH122

高磊, 迟德霞, 孙润富, 潘学睿. 多腔体柔性机械手指设计与弯曲变形研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(5): 68-74.

Lei GAO, Dexia CHI, Runfu SUN, Xuerui PAN. Multi⁃Cavity Flexible Mechanical Finger Design and Bending Deformation Study[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2023, 43(5): 68-74.

图/表 12

图1 柔性机械手指的工作原理示意图（a）气体流动方向（b）通气前的常压状态（c）通气后的高压状态

图2 柔性机械手指结构示意图1.腔室结构；2.应变限制层结构；3.可弯曲结构；4.凸台；5.空气传输通道。

图3 柔性机械手指的制备过程示意图

图4 拉伸试验前、后的硅胶试样图（a）拉伸前（b）拉伸后

图5 单向拉伸试验数据拟合结果

图6 柔性机械手指在不同压力下的应力分布云图

图7 柔性机械手指的末端位移轨迹（a）负压（b）正压

图8 柔性机械手指在不同压力下的应变云图

图9 压力与腔室发生最大应变处应变的关系曲线

图10 柔性机械手指的驱动气路图

图11 柔性机械手指的弯曲变形记录过程

图12 柔性机械手指末端位移轨迹

参考文献 17

1	LASCHI C，MAZZOLAI B，MATTOLI V，et al.Design and development of a soft actuator for a robot inspired by the octopus arm［C］//International Symposium on Experimental Robotics.Berlin：Springer，2009：25⁃33.
2	KIM W B，YUN J，KIM J K，et al.Bioinspired dual⁃morphing stretchable origami［J］.Science Robotics，2019，4（36）： eaay3493.
3	SHE Y，LI C，CLEARY J，et al.Design and fabrication of a soft robotic hand with embedded actuators and sensors［J］. Journal of Mechanisms and Robotics，2015，7（2）：021007.
4	KIM H I，HAN M W，SONG S H，et al.Soft morphing hand driven by SMA tendon wire［J］.Composites Part B： Engineering，2016，105：138⁃148.
5	SHIM J E，QUAN Y J，WANG W，et al.A smart soft actuator using a single shape memory alloy for twisting actuation［J］. Smart Materials and Structures，2015，24（12）：125033.
6	RODRIGUE H，WEI W，BHANDARI B，et al.Fabrication of wrist⁃like SMA⁃based actuator by double smart soft composite casting［J］.Smart Materials and Structures，2015，24（12）：125003.
7	HAO Y F，GONG Z Y，XIE Z X，et al.A soft bionic gripper with variable effective length［J］.Journal of Bionic Engineering，2018，15（2）：220⁃235.
8	ZHANG J H，WANG H，TANG J Q，et al.Modeling and design of a soft pneumatic finger for hand rehabilitation［C］//2015 IEEE International Conference on Information and Automation.Lijiang：IEEE，2015：2460⁃2465.
9	WANG Z，POLYGERINOS P，OVERVELDE J T B，et al.Interaction forces of soft fiber reinforced bending actuators［J］. IEEE⁃ASME Transactions on Mechatronics，2017，22（2）：717⁃727.
10	CONNOLLY F，WALSH C J，BERTOLDI K.Automatic design of fiber⁃reinforced soft actuators for trajectory matching［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，2017，114（1）：51⁃56.
11	张忠强，邹娇，丁建宁，等.软体机器人驱动研究现状［J］.机器人，2018，40（5）：648⁃659.
12	郭钟华，李小宁，林浩鹏.基于主动包络和负压塑形的软体适形夹持器［J］.机械工程学报，2019，55（12）：215⁃221.
13	LASCHI C，CIANCHETTI M，MAZZOLAI B，et al.Soft robot arm inspired by the octopus［J］.Advanced Robotics，2012， 26（7）：709⁃727.
14	郭爱.绳驱动抓手与双柔性杆躯干协同的类尺蠖攀爬机器人［D］.重庆：重庆邮电大学，2022
15	管声启，张潇，杨栋峰，等.绳驱动机械手抓取力自整定模糊PID控制［J］.西安工程大学学报，2021，35（06）：96⁃103.
16	PEDRO P，ANANDA C，RAFAEL P B，et al.Closed structure soft robotic gripper［C］//2018 IEEE International Conference on Soft Robotics （RoboSoft）.Livorno：IEEE，2018：66⁃70.
17	燕山，王伟.橡胶类超弹性本构模型中材料参数的确定［J］.橡胶工业，2014，61（8）：453⁃457.

多腔体柔性机械手指设计与弯曲变形研究

Multi⁃Cavity Flexible Mechanical Finger Design and Bending Deformation Study

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