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基于磁流變效應的通用機械夾具的設計

添加時間:2021/07/22 來源:未知 作者:樂楓
目前,各種類型的機械夾具大多存在結構復雜、通用性差等問題,這在一定程度上限制了機器人技術在某些方面的應用。因此,研究開發通用、高效的機械夾具具有重要的工程意義和實用價值。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  近年來,機器人在各行業得到了大量的應用,機械夾具作為機器人具體抓取動作的執行部件受到人們的廣泛關注和研究。目前,各種類型的機械夾具大多存在結構復雜、通用性差等問題,這在一定程度上限制了機器人技術在某些方面的應用。因此,研究開發通用、高效的機械夾具具有重要的工程意義和實用價值。

  磁流變液(Magnetorheological Fluid,簡稱 MRF)平時為類液態,在外磁場的作用下,表現為固體的性質,當撤除外加磁場時,又恢復原來的流動性質,即在液態和固態之間進行快速可逆的轉換,并且這種轉換響應快(ms 量級)、可逆性好。本文基于 MRF 的上述性質設計了一種結構簡單、通用性好、能實現柔性抓取的通用性機械夾具,并對其抓 取性能進行了測試分析,主要工作如下:

 。1)運用基液置換法配制出 MRF,搭建實驗平臺,開展 MRF 在磁場作用下的擠壓和拉伸力學性能測試;發現在擠壓與拉伸過程中應力隨應變的變化分為三個階段,并分析各階段微觀結構演化過程;進一步研究 MRF 沉降穩定性和預結構化過程,為磁流變夾具的設計提供參考。

 。2)根據 MRF 擠壓與拉伸工作模式及力學性能特點,提出 MRF 指套式工作模式,設計出初始磁流變夾具;進行不同形狀物體的抓取試驗,發現其具有良好的通用性,基于抓取不穩定的缺點,提出磁場內聚式的優化設計方案。

 。3)基于優化方案對整體磁路進行重新規劃,運用 ANSYS 有限元軟件模擬 MRF 工作區域的磁場分布并確定磁流變指套的合適尺寸;優化后的磁流變夾具具有優異的通用性;利用 INSTRON 材料試驗機測試磁流變夾具的抓取力,分析得到其抓取性能與所加電流、抓取物的形狀尺寸等因素有關。

  整體來看,本文能夠為之后磁流變夾具及相關器件的設計提供技術儲備和參考,也可以為相關領域的研究應用提供一定的指導。

  關鍵詞:磁流變液,抓取裝置,磁路,仿真分析

ABSTRACT

  In recent years, robots have been widely used in various industries. Mechanical grippers  have been widely studied and studied as the executing parts of the robot's specific grasping  actions. At present, all types of mechanical grippers have many problems such as complicated  structure and poor versatility, which limits the application of robot technology in some  aspects. Therefore, research and development of universal and efficient mechanical grippers  have important engineering significance and practical values.

  Magnetorheological Fluid (MRF) is usually a liquid. Under the action of an external  magnetic field, it is in the nature of a solid. When the magnetic field is removed, the original flow property is restored, that is, the liquid and the solid state are fast. Reversible conversion,  and this conversion response is fast (ms level), good reversibility. Based on the above  properties of MRF, this paper designs a general-purpose mechanical grippers with simple

  structure, good universality, fast response, and flexible gripping. The gripper performance is  tested and analyzed. The main work is as follows:

 。1) The MRF was prepared using a liquid-substitution method, an experimental platform  was set up, and the mechanical properties of the MRF under the action of a magnetic field  were tested. It was found that the stress changes with strain during the extrusion and drawing  process and is pided into three stages. Analyze the evolution of microstructure in each stage;  further study the settlement stability and pre-structured process of MRF, and provide  reference for the design of magnetorheological gripper.

 。2) According to the working and mechanical properties of MRF extrusion and drawing,  the MRF finger-tip working mode was put forward, and the initial magnetorheological fixture  was designed. The gripping tests of different shaped objects were performed, and it was found  that it had good versatility and was based on grabbing. The disadvantages of instability,  proposed magnetic field cohesion optimization design.

 。3) The overall magnetic circuit was re-planned based on an optimized scheme. ANSYS  finite element software was used to optimize the magnetic field distribution in the MRF work  area and determine the appropriate size of the magneto-rheological finger sets. The optimized  magnetorheological fixture had excellent versatility; the use of INSTRON materials The  testing machine tests the gripping force of the magneto-rheological fixture and analyzes that  the gripping performance is related to the applied current, the shape and size of the gripper,  and other factors.

  On the whole, this paper can provides technical reserves and references for the design of  magneto-rheological grippers and related devices, and can also provide guidance for research and application in related fields.

  Key words: magnetorheological fluid, gripper device, magnetic circuit, simulated  analysis

目 錄

  第 1 章 緒 論

  1.1 課題研究背景與意義

  近年來,隨著科學技術水平的提升,機器人技術得到了快速發展,其應用已經不僅僅局限于傳統的工業制造領域,在醫療衛生服務、精密儀器、教育娛樂、食品加工、勘探勘測以及生物工程等領域機器人都得到了大量的應用[1].機器人更是有望成為繼汽車、飛機、計算機之后出現的又一戰略新興產業,具有巨大的發展潛力[2];其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志[3].

  目前,世界各國都已將研究機器人技術、發展機器人產業作為本國科技發展的戰略重點并制定相關發展規劃。美國自 2011 年以來相繼提出"先進制造業伙伴計劃"、"國家機器人計劃"、"美國機器人發展路線圖"專注于機器人核心技術及其產業化發展,2012年,為支持本國機器人產業發展,韓國發布了"機器人未來展望 2022",2013 年德國提出了基于機器人技術的智能制造系統"工業 4.0"計劃,2014 年日本提出"新經濟增長戰略"并將機器人產業作為其重點扶持產業之一[4, 5],為搶占科技制高點我國緊跟時代步伐,無論是國家高技術研究發展計劃(863 計劃)、國家自然科學基金、國家科技重大專項等科技發展規劃[6],還是"中國制造 2025"的提出都對機器人技術給予了高度重視和巨大投入,并且機器人已被列為中國"十三五"重大工程項目之一[7, 8].

  隨著機器人技術的快速發展以及其應用領域的不斷擴展,對于機器人性能的要求也不斷提高,特別是服務機器人對于不同的工作環境、不同形狀、大小的目標物體要求機器人同樣能夠穩定、高效的工作。市場的需求使得機器人朝著智能化、通用性、高度適應性方向發展[9],通常來說,機械夾具作為各種類型機器人與外部作業環境相互作用最后環節和具體抓取動作的執行部件,其整體性能的優劣對機器人完成指定任務的能力和作業水平有著非常重要的影響。而衡量一個機械夾具性能的優劣主要是從其使用過程中抓取和操作的靈活性、精確性、以及對于目標物體的適應性和承載能力等方面的綜合性 能考量[10].隨著萬物互聯和"機器換人"大時代的到來,各種類型的機器人在各行各業都得到大范圍的應用,這種市場的需求也在客觀上推動著對于機械夾具的研究。目前,機械夾具結構復雜、維護困難、響應緩慢、通用性差、成本高等問題已成為阻礙機器人技術普及與應用的主要因素,而如何解決機械夾具面臨的這些問題,也成為整個機器人行業發展過程中所研究的重要方向[11].

  生活水平的提高以及社會老齡化的加劇,使得服務型機器人有著龐大的市場潛力和需求。服務型機器人的工作環境決定了其夾具的使用特點:通用性好能夠抓取不同形狀的物體、柔性抓取不宜對物體造成損壞、可重復使用易于維護等。就目前來說,雖然基于服務型機器人的通用夾具研究成果不斷,但尚沒有一款能夠在服務型機器人行業得到大量運用的通用性機械夾具。因此設計一款通用性好、結構簡單、能夠實現柔性抓取的機械夾具具有很高的現實意義和工程價值。

  1.2 幾種典型的機械夾具

  得益于機器人技術的發展,對于機器人末端執行裝置-機械夾具的研究一直是一個比較熱門的研究領域,各種通用機械夾具的研制層出不窮,在服務型機器人方面,除了傳統的關節型機械夾具,基于柔性材料的軟體機械夾具[12]以及基于非晶材料相變模型的抓取裝置[13]也都已被開發出來并投入使用。

  1.2.1 剛性關節型機械夾具

  傳統關節型通用機械夾具大多都是由兩個或兩個以上的,能夠獨立活動的指關節通過運動副連接構成的典型擬人多指結構,主要有執行機構、驅動機構、控制系統三大部分組成,是一個高度集成的、具有多種運動功能和智能化的機電一體化系統,大多由多個驅動器相互配合驅動實現抓取與釋放動作,其擬人化的手指結構具有多個自由度,使用靈活;在全球范圍內多指擬人機械裝取裝置是應用廣泛、技術成熟、研究活躍的一種類型,并且很多類似的這種機械夾具已經被開發出來并在各行業得到廣泛的應用[14].

  最近,加拿大 ROBOTIQ 公司推出一款三手指自適應機械夾具,其大小與人手相當,主要由 4 個驅動器和自適應關節機構組成,具有良好的靈活性和多功能性,能夠安全穩定的夾取任意形狀的目標物體,而只需要將其安裝在通用機器人手臂上通過簡單的編程實現機械臂與機械夾具的通信[15, 16].

  隨著現代控制技術和微電子技術的快速發展,傳統類型的機械夾具技術也得到了長足的進步,機械夾具由簡單抓取發展到復雜軌跡運動、由笨拙緩慢發展到靈巧快速,正在朝著高度智能化感知型發展;就目前來說,傳統關節型機械夾具具有抓取穩定可靠、能適應不同形狀的目標物體、承載能力強等優點,但也普遍地存在著一些不足[17]:
 。1) 機械結構復雜,每個"手指"都由多個活動關節精密配合,整體結構復雜。

 。2) 抓取動作的完成都要經過大量的算法計算,響應相對"緩慢".
 。3) 剛性抓取,剛性結構在抓取過程中容易造成目標物體損壞。

 。4) 整體控制系統復雜、成本高。

  1.2.2 軟體型機械夾具

  軟體型機械夾具是一種全新的類型,其以材料科學、機構學和控制科學為基礎,應 用柔韌性材料設計制造的一種通用性抓取裝置,可在相當大的范圍內任意改變自身形狀、尺寸等,在某些領域具有廣闊的應用前景。其工作原理主要是通過相應的驅動方式(氣動-液壓驅動、拉線驅動、SMA 驅動及 EAP 驅動)使柔性材料沿某一設定的方向產生變形,以此實現對目標物體的"抓取"與"釋放"[18, 19].

  作為新一代的抓取裝置,國內外眾多科研院所與研究機構都對軟體機械夾具做出了深入研究并取得了顯著成果。其中,比較有代表性的是美國 Soft Robotics 公司與哈佛大學 WHITESIDES 課題組合作將其軟體機械手產品推向市場實現商業化,在食品飲料、服務行業得到了應用,并取得很好的應用效果[20, 21].


  軟體機械夾具的應用主要在于發揮軟材料的性能優勢如連續變形、無限自由度等,而制作材料的不同決定了其不同的使用特點。構成軟體機械手本體的柔性材料主要是橡 膠、聚合物、智能材料等,這就決定了其與傳統關節型機械夾具相比,軟體機械夾具具有結構簡單、使用靈活、對于表面復雜物體適應性好、能實現柔性抓取避免對物體的損壞等優點。但同樣地軟體機器人很大程度上依靠柔性材料,受制作材料的限制導致其承載能力有限,響應緩慢、壽命短、應用范圍小以及設計方法、建模與制造技術還不完善等。

  1.2.3 材料相變型機械夾具

  隨著對于材料科學的研究,尤其是相關材料相變模型及機理的研究,發現某些非晶材料通過改變某一外界條件可以實現相性的轉變(液-固或固-液等)[23],這一轉變過程在機械抓取裝置中具有很高的應用價值,目前已經有相關研究人員利用物質的這種相性轉變取得了很多實際成果。

  物質的相性轉變應用中比較有代表性的是基于顆粒性物質的干擾阻塞(Jamming)效 應[24, 25](圖 1-3)的新型夾具;芝加哥大學的 Eric Brown, John Amend[26]設計了一種基于顆粒物質干擾阻塞效應的新型通用型夾具(圖 1-4),它是由大量的小顆粒物質包裹在一個球狀彈性模中,利用空氣正-負壓的組合迅速地抓取和釋放普通機械夾具以抓取的物體,例如扁平的、柔軟的、幾何形狀復雜的物體等。即通過改變物質密度實現其相性的快速轉變,表現為類固態的剛性實現抓取效果;與傳統機械夾具相比,其具有形狀適應性強、控制簡單、效率高和成本相對較低等優點[27, 28].

  相比于其他兩種類型的機械夾具,基于材料相變模型的新型夾取裝置具有其獨特的特點,但是通過實驗測試發現該裝置同樣存在諸多不足之處,例如:密封性要求高、穩定性差、精度不夠、重復利用率低等。

  有鑒于目前各種通用性機械夾具存在著或多或少的不足,以及其龐大的市場需求,特別是家庭服務型機器人的夾具要求其能夠柔性抓取,避免損傷抓取物、還應具備良好的形狀適應性等特點;谝陨弦笪覀兲岢鲆环N設想:在充分借鑒上述基于材料相變模型設計的機械夾具的基礎上,嘗試使用一種新型的、控制簡單的能夠實現相性轉變的智能材料,并在此基礎上對裝置總體結構做出相關優化來改善裝置的工作性能和可操作性,探索設計出一種結構簡單、通用性好、穩定性高、能夠實現柔性抓取的新型機械夾具。

  總體來說,這種相變物質的相關性能應滿足以下條件:

 。1) 物質相變過程時間短,即響應快速。

 。2) 相變所需外界條件易于實現,即控制簡單、可靠。

 。3) 相變過程中產生的固緊力大,能夠使其具有一定的承載能力。

 。4) 相變物質自身成本低、轉變所用裝置簡單,成本低。

 。5) 相變物質最好能夠反復回收利用,不污染環境。

 。6) 具有較高的工程應用價值和實際工程應用經驗。

  科技的進步使得磁流變液這種智能材料得以出現,磁流變液(MagnetorheologicalFluid,簡稱 MRF)是一種新型智能材料,在外加磁場作用下其能夠快速(ms 量級)的實現從液態的牛頓流體到"類固態"Bingham 彈塑性體的可逆性轉變[29],即通過外加磁場增 加物質顆粒間相互作用力,實現相性轉變;利用 MRF 的這一特性擬設計一種能夠適應不同形狀的、高效的機械夾具來實現對物體的柔性抓取,同時也能夠兼具 MRF 響應好、可逆性好、力學性能可調、易于控制等優點。

  加磁場撤除之后,MRF 又恢復原,即在液態和固態之間進行快速、可逆的轉換[38].

  1.3 磁流變液及其基本性能研究

  1.3.1 磁流變液的組成及分類

  1.3.2 磁流變效應及其流變機理

  1.3.3 磁流變液的研究進展

  1.4 磁流變夾具的研究現狀

  1.5 本論文的研究目標和主要內容

  第 2 章 磁流變液的配制及其性能表征

  2.1 引言

  2.2 磁流變液的制備

  2.2.1 相關原料及設備的選擇

  2.2.2 磁流變液的制備

  2.3 磁流變液擠壓與拉伸力學性能研究

  2.3.1 實驗平臺設計

  2.3.2 等體積擠壓實驗

  2.3.3 等體積拉伸實驗

  2.4 磁流變液的穩定性與預結構化研究

  2.4.1 磁流變液的穩定性研究

  2.4.2 磁流變液的預結構化研究

  2.5 本章小結

  第 3 章 基于磁流變效應的機械夾具的設計

  3.1 引言

  3.2 磁流變夾具的功能和特點

  3.3 磁流變夾具的設計

  3.3.1 磁流變夾具的整體設計

  3.3.2 磁流變夾具的工作原理

  3.4 電磁線圈的設計及仿真分析

  3.4.1 電磁線圈的設計

  3.4.2 磁場的有限元分析

  3.5 磁流變夾具的試驗研究及改進方案

  3.5.1 磁流變夾具的抓取試驗研究

  3.5.2 工作機理及優化方案

  3.6 本章小結

  第 4 章 磁流變機械夾具的改進型設計

  4.1 引言

  4.2 磁流變夾具的改進設計

  4.2.1 磁流變夾具的整體設計

  4.2.2 磁流變夾具的工作原理

  4.3 磁路計算及電磁線圈的設計

  4.3.1 磁路設計基本原理

  4.3.2 磁路材料的選擇

  4.3.3 磁路的設計及計算

  4.3.4 電磁線圈的設計及計算

  4.4 磁場的有限元分析

  4.5 本章小結

  第 5 章 磁流變夾具的抓取實驗研究

  5.1 引言

  5.2 磁流變夾具及其主要性能分析

  5.2.1 磁流變夾具的裝配與檢測

  5.2.2 磁流變夾具的主要性能分析

  5.3 磁流變夾具的通用性實驗研究

  5.3.1 通用性實驗平臺設計

  5.3.2 通用性實驗及其結果分析

  5.4 磁流變夾具的抓取能力實驗研究

  5.4.1 抓取能力實驗平臺設計

  5.4.2 抓取能力實驗結果及分析

  5.5 本章小結

第 6 章 結論與展望

  6.1 結論

  針對傳統機械夾具通用性差、結構復雜、剛性抓取易損壞物體等問題。本文將智能材料與機械結構設計相結合,選定響應快速、力學性能可調、可逆性好的智能材料 MRF,設計一款基于磁流變效應的通用機械夾具,并對其進行優化改進與實驗研究,主要研究工作如下:

 。1)配制出 MRF 樣品,基于其在機械夾具中的工作模式,進行拉壓力學性能實驗,得到 MRF 拉壓作用下的應力應變關系。通過研究其沉降穩定性和預結構化過程得出MRF 的沉降率為 3.2%,預結構化所需時間為 2.5s,符合磁流變夾具的應用要求。

 。2)設計完成初始型磁流變夾具的整體結構,搭建抓取試驗平臺并進行抓取試驗,結果發現其抓取方式和抓取效果不夠理想,為后續改進型設計提供參考依據。

 。3)針對初始型磁流變夾具中存在的問題,提出夾具的改進型優化設計方案,對磁路進行設計計算。通過有限元分析發現,改進型設計中 MRF 主要工作區域內磁場分布更加均勻、合理,磁感應強度明顯提高,達到 450mT.

 。4)搭建磁流變夾具通用性和抓取力實驗測試平臺,通過實驗發現改進型磁流變夾具具有良好的通用性和穩定性,其抓取力的大小與所加電流、抓取物形狀及尺寸有關。

  6.2 創新點

  本文致力于結構簡單、通用高效地磁流變機械夾具的開發。主要從 MRF 材料的制備與性能表征、工作原理及作用方式、磁路的設計及規劃、整體設計的改進和抓取試驗研究等方面逐步推進,設計了一款通用型好、能實現柔性抓取的磁流變夾具并進行了性能表征。其中,主要創新及特色如下:

 。1)提出 MRF 以磁流變指套為單位的作用方式,增強磁流變夾具的靈活性和通用性。

 。2)建立一種評估磁流變夾具通用性和抓取能力的實驗方法,對磁流變夾具的通用性和抓取能力進行實驗研究。

  6.3 展望本論文在完成磁流變夾具整體設計與實驗研究的過程中,還發現如下具有研究意義的問題,需要在以后的工作中繼續深入研究與探索。

 。1)根據 MRF 配制方法,只配制了一種組分的 MRF.如有條件,可以配制不同組分的 MRF 樣品,分別進行試驗并比較其性能差別,選出最優樣品。

 。2)設計的基于赫姆霍茲線圈的 MRF 拉伸、壓縮實驗平臺,由于電源、線圈匝數等原因,產生的勻強磁場最大磁感應強度只有 3000mT 左右,如有條件可在產生較大磁感應強度下進行 MRF 的拉壓特性。

 。3)實驗發現,磁流變夾具雖然具有良好的通用性,但是抓取能力不夠突出,可在此基礎上對磁流變指套的分布、磁流變指套結構形狀等進行分析,以使其抓取能力得到提高。

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  致 謝

  時間總會留下些什么,三年的研究生生涯,讓我成長頗多。實驗成功時的喜悅與感動、遇到困難時的失落與無奈、不如意時的惆悵與孤獨,都在不斷地造就一個堅強、優秀的自己。在內心深處始終感激那些引導我、激勵我、幫助我的人。

  首先我要真誠地感謝我的導師張泰華教授,張泰華老師以他嚴謹的治學態度,淵博的專業知識,實事求是的科研精神,高度的責任心深刻的鞭策著我,指引著我,鼓勵著我,讓我能夠有條件、有機會沉下心去專心科研工作。

  其次,我要衷心地感謝蔣偉峰老師。感謝蔣老師在科研方向上對我的指導和建議,在學位論文總體結構上的把控與指導,以及在實驗階段對我的幫助與建議,讓我的科研工作能夠順利的進行。在論文寫作方面蔣老師更教會了我一套查找問題、分析問題、解決問題的方法,使我受益匪淺。

  我也要感謝課題組其他老師在我研究生期間對我的指點和幫助。感謝實驗室同門師兄弟們對我生活和學習方面的關心與幫助,讓我能夠在三年研究生學習期間獲得更多的快樂與感動。

  最后感謝我的父母與家人,感謝你們的照顧、關心、理解與支持,感謝你們對我的付出和溫暖,我才能夠堅持下來并一步一步地走到現在,能夠不斷地進步與提高,謝謝你們!

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