CN110532661A - 一种多材料机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多材料机械手，多材料机械手包括通过一体成型注塑方式获得的软材料部分及通过3D方式获得的硬材料部分，硬材料部分是空心的，软材料匹配设于硬材料部分的空心内，通过3D方式获得的硬材料部分的步骤如下：拓扑优化问题的初始化：给定硬材料部分的中空长方体的设计域、设计变量以及约束条件；对拓扑优化问题进行敏感度分析；采用最快速下降法求解拓扑优化问题并获得优化结果；将优化结果输出为stl文件；将stl文件导入3D打印机以完成硬材料部分的加工。本发明的多材料机械手通过一体成型注塑方式获得的软材料部分及通过3D方式获得的硬材料部分，相较于现有技术而言，不仅具备足够的柔性和刚度，满足强度要求，还具有低成本的优点。
Description
技术领域
本发明涉及机械手技术领域，尤其涉及一种多材料机械手。
背景技术
目前，模仿或者复制人类手指运动的人工机械手主要用于康复治疗，义肢或者工业机器人。在过去的十多年，科研人员设计并开发了由硬材料组成的机械手。这些机械手由硬材料组成的机构和运动副组成，并由单自由度的电机驱动。为了模仿人手指的弯曲运动，在硬件上我们需要至少三个转动副，相应的驱动器和传感器；软件上我们需要附在的控制算法以完成运动副之间的配合。但是，由于高昂的加工和控制成本，硬材料组成的机器人的应用很受限。另外，安全性也是一个很重要的限制刚性机械手应用的因素。
正在快速发展的软体机器人提供了一个解决上述问题的切实可行的解决方案。在软体机器人中，离散的机构和运动副被连续的结构取代，单自由度的电机被无限自由度的气动/液压元件或者智能材料取代。由于拥有无限多自由度，软体机器人可以在不确定的环境中工作，也可以吸收碰撞产生的能量以提供安全的人机交互。软体机器人目前主要是通过仿生的方法设计，研究人员通过该方法成功设计了可以模仿蠕虫，章鱼和人手的机器人。但是由于组成材料的刚度太低，以上列举的机器人都不能承受大的负载或者自重。从人手的解剖学结构可以看出，刚性的骨头和肉软的肌肉是有机结合在一起的。这个生物学的现象也提供了一个类似的设计软体机器人的思路，也就是多材料机器人。该机器人可以有效提高其在承受负载和自重的性能。
因此，研究一种多材料机器人，是的该设计下的机器人同时具备足够的柔性和刚度，并满足强度要求，亟待进一步研究。
发明内容
本发明针对现有方式的缺点，提出一种多材料机械手，用以解决现有技术存在的上述问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种多材料机械手，所述多材料机械手包括通过一体成型注塑方式获得的软材料部分及通过3D方式获得的硬材料部分，所述硬材料部分是空心的，所述软材料匹配设于所述硬材料部分的空心内，所述通过3D方式获得的硬材料部分的步骤如下：
拓扑优化问题的初始化：给定所述硬材料部分的中空长方体的设计域、设计变量以及约束条件；
对所述拓扑优化问题进行敏感度分析；
采用最快速下降法求解所述拓扑优化问题并获得优化结果；
将所述优化结果输出为stl文件；
将所述stl文件导入3D打印机以完成硬材料部分的加工。
进一步地，所述拓扑优化问题的初始化，简化为如下模型：
0≤ρmin≤ρ≤1；
其中，K是离散单元的数目，K(ρ)是整体刚度阵，U是位移场，P0是驱动气压，np是指气压正方向，Ae是单元面积，和是指示输出点沿x 和y方向的自由度，ve和ρe代表单元的体积和密度，单元是指域离散个单元中的一个；V*表示体积约束以提供该硬材料部分有足够的刚度且保证优化问题收敛。
进一步地，所述对拓扑优化问题进行敏感度分析，是指：
通过伴随矩阵法对拓扑优化问题进行敏感度分析以获敏感度，所述敏感度是指目标函数和约束对设计变量的导数：
其中，所述λ是伴随位移场，通过以下方程进行求解：
进一步地，所述软材料部分是指材质为硅胶的空心长方管。
进一步地，所述硬材料部分是指材质为TPE的空心铰链。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的多材料机械手通过一体成型注塑方式获得的软材料部分及通过3D方式获得的硬材料部分，相较于现有技术而言，不仅具备足够的柔性和刚度，满足强度要求，还具有低成本的优点。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中的多材料机械手的结构示意图；
图2为本发明实施例中的通过3D方式获得的硬材料部分的流程图；
图3为本发明实施例中的通过3D方式获得的硬材料部分的拓扑优化示意图；
图4为本发明实施例中的抓取形状复杂的太阳眼镜的过程示意图；
图5为本发明实施例中的多材料机械手抓取各种各样的物体的结果图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102 等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分例，实施而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
目前多材料机器人的发展使得我们可以以前所未有的保真度直接加工多材料的零件。但是由于其材料的强度很低(断裂应<85％)，其应用场景很受限。而传统的高强度材料多是通过铸模或者单材料熔融沉积成型的方法加工。为了节约开发新的加工技术的成本，我们通过将传统的铸模和熔融沉积成型(3D打印)的相结合的方法加工该多材料机械手。考虑到铸模工艺只能加工形状简单规则的零件，由软材料组成的结构在优化过程中保持不变，只优化刚性材料组成的机构。因此，该多材料机械手是通过铸模加工(现有技术)硅胶组成的软材料部分，和3D打印其柔性TPE (热塑性塑料)组成的硬材料部分。该组合加工办法使得我们低成本加工多材料零件，因此我们推荐该方法应用到加工其他类型的多材料机器人当中。
实施例
如图1所示，提供了本发明一个实施例的一种多材料机械手，多材料机械手A1包括通过一体成型注塑方式(现有技术)获得的软材料部分A11 及通过3D方式获得的硬材料部分A12，硬材料部分A12是空心的，软材料匹配A11设于硬材料部分A12的空心内。
在另一种实施方式中，软材料部分A11是指材质为硅胶的空心长方管；硬材料部分A12是指材质为TPE的空心铰链。
如图2和图3所示，通过3D方式获得的硬材料部分A12的步骤如下：
S1：拓扑优化问题的初始化：给定硬材料部分A12的中空长方体的设计域、设计变量以及约束条件；
拓扑优化问题的初始化，简化为如下模型：
0≤ρmin≤ρ≤1；
其中，K是离散单元的数目，K(ρ)是整体刚度阵，U是位移场，P0是驱动气压，np是指气压正方向，Ae是单元面积，和是指示输出点沿x 和y方向的自由度，ve和ρe代表单元的体积和密度，单元是指域离散个单元中的一个；V*表示体积约束并提供该硬材料部分A12有足够的刚度且保证优化问题收敛，这一过程依据于有限单元法。
在这一步骤中，被广泛使用的密度法被应用到设计硬材料部分A12 的工作中，基于此模型设计变量是离散单元的密度，约束即是机械手工作时的力和边界条件。另外，体积约是也被引入到模型中以保证优化问题的收敛性和机械手有足够的刚度。继而，该优化问题在敏度的指导下迭代到最优解。
S2：对拓扑优化问题进行敏感度分析；
对拓扑优化问题进行敏感度分析，是指：通过伴随矩阵法对拓扑优化问题进行敏感度分析以获敏感度。
上述问题定义的拓扑优化问题是通过移动渐近线(method of movingasymptote)算法在敏度信息的指导下解决的。敏度信息(也称敏感度)是指目标函数和约束对设计变量的导数：
其中，λ是伴随位移场，通过以下方程进行求解：
在另一实施方式中，在敏度信息的指导下从规则的空心长方体迭代地进化到最优结构。其中在每个迭代步中，当前软体机械手的性能由有限元分析衡量。考虑到该机械手是沿z-平面对称的，为了节约计算开销其一半参与优化过程。该一半的机械手离散为150*20*10个单元，其内壁承受 Po＝1MPa的气压。为了保证该软体机械手有足够的刚度并能输出较大的变形，其体积比设为V*＝0.6。通过标准式样拉伸试验得到该组成硬材料 (柔性热塑性塑料)的杨氏模量为7.2MPa，软材料的杨氏模量为0.72MPa。因此该软材料组成的不可设计域的设计变量为ρpassive＝0.465。因为软硬两种组成材料都是近似不可压缩的，其泊松比为0.49。如图3所示，最优多材料机械手由五个类似人手指的关节组成，该关节结构在机械手受到气压驱动的情况下产生弯曲变形。
S3：采用最快速下降法求解拓扑优化问题并获得优化结果；
具体的，该步骤采用最快速下降算法进行迭代更新设计变量，以得到满足设计条件的最优结果。
S4：将优化结果输出为stl文件；
S5：将stl文件导入3D打印机以完成硬材料部分A12的加工；该加工过程具有很高的保真度，并且3D加工所有的材料具有很高的机械强度。
为了验证本工作提出的多材料机械手的有效性，我们通过自由弯曲变形和抓取力测试的实验标定了该多材料机械手的性能，并通过抓取实验验证了其功能。实验表明该机械手可以产生740的弯曲变形并输出0.54N 的抓取力。并且，图4是指三手指多材料机械手在(a)未变形，(b)自由变形状态和(c)抓取状态。图4(c)是指该机械手可以成功抓取形状复杂的太阳眼镜；图5是指拓扑优化设计的多材料机械手可以抓取各种各样的物体，从左至右从上至下依次是抓取(a-b)螺钉，(c-d)玩具，(e-f)鸡蛋，(g)橘子， (h)西红柿，(i)柿子，(j)苹果，(k)转换插头和(l)纸巾。如图4和图5所示，抓取实验证明该机械手可以成功抓取小至螺钉大致复杂的太阳眼镜的物体，并且最重可抓取167.9g的物体。而且，疲劳测试表明该机械手可以承受超过1000次的工作循环，因此，该实验结果证明该软体机械手可以应用于工业生产。
因此，本发明的多材料机械手通过一体成型注塑方式获得的软材料部分及通过3D方式获得的硬材料部分，相较于现有技术而言，不仅具备足够的柔性和刚度，满足强度要求，还具有低成本的优点。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种多材料机械手，所述多材料机械手包括通过一体成型注塑方式获得的软材料部分及通过3D方式获得的硬材料部分，所述硬材料部分是空心的，所述软材料匹配设于所述硬材料部分的空心内，其特征在于，所述通过3D方式获得的硬材料部分的步骤如下：
拓扑优化问题的初始化：给定所述硬材料部分的中空长方体的设计域、设计变量以及约束条件；
对所述拓扑优化问题进行敏感度分析；
采用最快速下降法求解所述拓扑优化问题并获得优化结果；
将所述优化结果输出为stl文件；
将所述stl文件导入3D打印机以完成硬材料部分的加工。
2.根据权利要求1所述的多材料机械手，其特征在于，所述拓扑优化问题的初始化，简化为如下模型：
0≤ρmin≤ρ≤1；
其中，K是离散单元的数目，K(ρ)是整体刚度阵，U是位移场，P0是驱动气压，np是指气压正方向，Ae是单元面积，和是指示输出点沿x和y方向的自由度，ve和ρe代表单元的体积和密度，单元是指域离散个单元中的一个；V*表示体积约束以提供该硬材料部分有足够的刚度且保证优化问题收敛。
3.根据权利要求1所述的多材料机械手，其特征在于，所述对拓扑优化问题进行敏感度分析，是指：
通过伴随矩阵法对拓扑优化问题进行敏感度分析以获敏感度，所述敏感度是指目标函数和约束对设计变量的导数：
其中，所述λ是伴随位移场，通过以下方程进行求解：
4.据权利要求1所述的多材料机械手，其特征在于，所述软材料部分是指材质为硅胶的空心长方管。
5.据权利要求1所述的多材料机械手，其特征在于，所述硬材料部分是指材质为TPE的空心铰链。
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