文摘

软扣人心弦的设备的必要性增加每天的医疗机器人特别是安全、温和的运动和软接触是必要的。摘要小说不对称波形弹性气压传动装置(顶峰)设计和制造建立一个小型软爪,可以用来控制小对象。顶峰的模型设计使用固体作品及其弯曲运动相比,为优化和有限元分析软件模拟与实验的结果。致动器是利用压缩成型工艺,包括微加工制作模具。实验显示的弯曲特征致动器在不同的压力。致动器显示良好的弯曲性能和古怪的设计支持增加弯曲或卷曲运动在某种程度上比普通波纹管没有偏心。剖面形状和偏心率的影响致动器性能分析结果。

1。介绍

不同类型的软制动器开发可能产生的弯曲运动本身或弯曲的机制,由于其驱动(1,2]。但大多数这些致动器不是单室或驱动器作为一个不能弯曲,但他们以适当的组合机制必要的弯曲运动(3- - - - - -5]。灵活的气动执行机构(FPA)是由约瑟夫·l·麦克基本设计在1950年代被称为气压肌肉致动器。东芝公司(Toshiba corp .)(日本)潜浮性能开发出一种致动器被称为灵活microactuator (FMA) [6]。尽管菲利普-马萨与两个或两个以上的钱伯斯纤维增强提供多个自由度,他们需要多个供应压力,阀门、传感器以及复杂的制造。非对称弹性气动执行机构(顶峰)发达国家在1990年代首次使用不对称聚合物/橡皮管和橡胶波纹管驱动器通过适当的强化来克服的缺点FMA和成就,并提出了一个创新的方法,编造一个人类灵巧的手7,8]。它也被应用于制造四指机器人抓手(7- - - - - -9)和microwalking机器人(10]。应用程序的设计和分析机械手使用非对称丁腈橡胶驱动器研究[11- - - - - -13]。后来对称波纹管厚度致动器微型夹持捏造的造型技术和橡胶粘结法准分子光(14,15)和非对称波形约10毫米直径和120毫米长度的致动器,被快速原型制造方法显示出较大的弯曲能力(16)报道。上述集团(14,15)没有工作在非对称性的纵向方向执行机构。对称的厚度致动器的问题是它不能承受更高的压力范围。橡胶粘结法使用172纳米的紫外线可能是危险的和昂贵的。我们的技术是进一步探索和安排不同的纤维嵌入在致动器壁(17]。顶峰显示更好的偏转一定的偏心提供的不对称的致动器。对称波形致动器(3- - - - - -6)不提供较大的弯曲运动,不承受高压力比顶峰。提到,在对称的致动器的情况下,有一个不稳定的现象,出现在扣人心弦的当工作流体的压力达到极限(3- - - - - -6]。本文试图在设计和制造的小型软爪基于顶峰的原则。剖面形状的影响,确定最佳离心率的最大挠度分析使用有限元分析6.13软件。顶峰是由近半圆形状大约4毫米半径和30毫米的长度。设计理念包括波纹管结构的一侧致动器和平坦的另一边。设计形状也有助于在抱着小物体平面一侧的致动器。制造、致动器的设计是对称分成两个相等的两半。每个部分的制造是通过压缩成型工艺后所需的模具通过微加工过程。然后巨大打击部分保税使用单组分室温硫化(RTV)硅橡胶。实验进行开发执行机构,通过小型软爪的一小部分。 AFPAs are developed as an alternative to other actuation principles of today, such as electromotors, shape memory alloys, McKibben muscles, and flexible fluidic or pneumatic actuators. These actuators have various advantages considering several criteria, including stress improvements, packaging, good power to weight ratio, and high dynamics. The cross section of AFPA is asymmetric as compared to symmetric section of FMA or FPA as shown in Figure1。

2。理论

不对称波形致动器的工作原理是完全相反的弹簧管的工作原则。最初使用的弹簧管在弯曲与持平或椭圆截面形式下的应用内部压力将努力改正,因为持平或椭圆截面的行动成为循环压力。相反这直不对称(偏心)波形管与圆形或半圆形截面压力的应用将成为弯曲和椭圆截面。不对称波形致动器行为类似于非对称管致动器(8- - - - - -10),但会有更高灵活性和更大的膨胀率和弯曲的内部压力。波纹管可以不对称截面的环形波纹管或半圆形拉风箱。图2显示的不对称弯曲灵活半圆的波纹管驱动器受到内部压力。

当流体压力应用自由端封闭,由于综合效应,弯曲的结束时刻发展自由端由于偏心和由于顶部和底部局部膨胀纤维。由于压力产生的力是由,在那里是内部空腔区域。自截口不是axis-symmetrical,重心略从中心转移的压力由一个小的距离(COP)”在任何压力。”曲率半径和弯曲曲率的定义是。

是在自由端作用的那一刻,杨氏模量,惯性矩是区域。

由于偏心的致动器,在那里是偏心。

致动器的偏转是由于局部膨胀和时刻创建由于偏心的几何7- - - - - -9]。从梁理论,垂直偏转在波纹管的顶端和角偏转给出的吗作为 在哪里是该地区的截面惯性矩不对称波形和波纹管的长度。

的不均匀膨胀波纹管,它被认为是单独的刚度常数”“波纹管的顶部和侧面板。力应用于阿坝近似轴向力和分成和分别对双方的风箱。

总力是由 在哪里和是顶部的变位风箱和底部平坦的部分,分别。的和的轴向刚度是波纹管顶部和底部平坦的部分,分别。

轴向刚度、,制定使用有限元和线性回归分析18)与修改半圆的非对称波形。简化的几何描述一个风箱卷积图所示3。

是常数取决于几何和材料的波纹管的吗 在哪里起皱的半径,侧面的距离,波纹管厚度,和是波纹管的内外半径,波纹管的平均半径,弹性模量,是犹如ABA的数量。

因此偏转在波纹管(上)阿坝

底板的偏转将一部分 因此,角偏转是由 的总角度偏移不对称波形致动器由于弯曲是通过添加(2)和(8),是由 目前由于不均匀膨胀波纹管的波纹管和板部分被认为是表演的半圆的轴不对称波纹管部分和最大挠度;在波纹管的顶部。

确定时间弯曲的波纹管由于不均匀膨胀,周长周围的挠度变化的力将乘以相应的杠杆和综合测量周长。

从(6),。

假设一个元素力量,在任何位置的平均半径波纹管 最大挠度和替换5)(10), 的元素是 目前由于膨胀波纹管的驱动器是由 在哪里是波纹管的顶部的最大力量受到最大挠度。

由于内部压力总时刻获得的是

3所示。设计与分析

顶峰的设计几乎是半圆的形状,这样在一半波形资料,另一方面它是平的。这个驱动器是一个有房间的管状结构,其厚度的一边比另一边的厚度。致动器弯曲向厚侧由于不均匀膨胀的顶部和底部部分由于偏心产生的非对称波形和时刻的波形。不对称波纹管设计提供最大挠度相比正常对称设计特定值的偏心率和承受高的压力。波纹管轮廓的形状也会影响致动器的偏转。图4显示各种波形的形状。扩张,当内部压力增加的百分比来是26岁,47、48和70三角形、梯形、U形,分别和广场的形状。广场形状的波纹管轮廓更合适,因为它给了最大挠度。决定一个有效驱动优化设计,有限元分析在有限元分析6.13使用模型不同的维度。材料用于致动器是一种双组分硅橡胶室温硫化(室温硫化)类型(ke - 1606,信越硅树脂corp .)。表1显示了材料性能的硅橡胶用于分析和制造。

图5显示了模型的维度在CAD软件中创建的顶峰。找到最优设计,不同的模型有不同的参数和为分析负责创建偏心驱动。和代表平板的厚度和波纹管的厚度,分别。如表所示2模型1到5,不同的参数值进行分析。所有模型的执行机构是30毫米的长度和半径约为3毫米。

图6显示了分析结果的顶峰向下偏转。挠度分析使用商业有限元代码6.13有限元分析。五种型号表所示2用于测量挠度对应用的压力。不对称模型3显示了更好的挠度比其他模型。在模型1中,两个平板的厚度和波纹管是相同的。模型5,平板的厚度是波纹管的厚度的两倍,让更少的挠度比所有其他模型。因此可以看出非对称波形致动器的偏转是偏心的影响提供了一定程度上。这表明随着偏心率的增加增加平板的厚度,硬度也增加,大大降低了致动器的偏转。在这篇文章中,模型3是为制造业选择执行机构。

图7显示了弯曲角的变化对平板厚度()。弯曲角随平板厚度增加1毫米。平板厚度1毫米后的波纹管部分,弯曲角开始减少。这意味着有一个最佳弯曲角一定的致动器的偏心。随着波纹管致动器的平板厚度的增加,硬度也会增加导致减少弯曲角。

4所示。制造业的顶峰

顶峰是使用压缩成型技术制造。生产目的,致动器分为两个沿轴线对称相等的两半。然后每一半分开制造,连着做完整的顶峰。每个半部分涉及的制造加工过程的模具和制备成型的硅橡胶粘贴。最初以适当尺寸的模拟模具制造利用加工过程,其中包括凸、凹模的一部分。图8显示了使用微加工的模具制造过程。可以使用此模具生产一半的一部分执行机构和类似的其他两个模具的另一半顶峰的一部分。

现在,制备的硅橡胶粘贴的属性如表所示1ke - 1606 RTV硅橡胶混合了10%的固化剂(CAT-RG)。那么这个糊倒凸与凹模之间的两半部分固化的致动器,然后锁定。固化后,部分保税使用单组份室温硫化硅橡胶。优势在使用单组分硅橡胶粘合剂固化后,其财产的灵活性仍比其他胶粘剂材料,这使得顶峰灵活的作为一个连续的块。图9显示了生产的一半部分顶峰后成型过程和完整的致动器结合后两个半部分以及一个入口的压力。

单组份信越科45室温硫化(RTV)硅橡胶复合用于化学成键的两个硅波纹管部分。信越KE45 RTV胶paste-like,单组份材料,治疗当暴露在空气中的水分在室温下。由于其nonsag, nonflowable特性,它可以应用的开销或侧壁关节或表面。焊接过程包括第一清洗橡胶波纹管零件和脱脂如果必要的话。应用硅橡胶一养分胶粘剂(KE 45 RTV)至少0.5毫米的厚度。媒体一起波纹管部分保税和修复它们的位置,直到胶粘剂治愈。固化时间大约10分钟。根据空气湿度,达到最佳室温键的强度在12到15个小时。这是更快的温度在50到100°C和高湿度。

5。实验装置

图10显示了所需的实验装置框图顶峰的控制。图11显示实际的实验设置显示三个顶峰向下连接到空气压力供应通过阀门,压力传感器,流量控制器。致动器内部的压力是由使用单片机的控制阀门。顶峰向下的运动被相机捕获。

一个3端子电磁阀压力输入、输出和排气端口用于实验的设置。阀连接到压缩机的输入输出和阀门连接到气动执行机构的输出输入。原则3端子内部阀是直接从压缩机的顶峰向下的压力,然后顶峰向下对应的排气阀门的开关状态。阀门的控制是通过Arm微控制器通过继电器电路作为阀门工作电压24 V直流。

图12显示了输入和输出的图形关系的电磁阀。当阀门处于状态,线性增加的顶峰向下的压力。致动器内部的压力维持在一个恒定值(例如,0.3 MPa)所需的位置,阀门应控制使用50%的关税的PWM脉冲周期如图所示。Stellaris LM3S808手臂使用16位单片机用于生成PWM脉宽调制模式。

致动器的设计是这样的,在一个特定的压力,致动器达到它的最大挠度,之后增加的压力导致膨胀的致动器。致动器所花费的时间达到最大压力称为响应时间。控制器设计维护的最大安全压力传动装置和执行机构的位置保持在所需的点。为了达到这个目标,电磁阀的开/关控制应该相应地完成。的配置阀门时,阀门开关,压力开始增加,当它的开关,压力开始下降。如图12上半部分显示,致动器的压力取决于阀门的开关状态的下部图所示。我们的压力如图12所需的压力所需的偏转或致动器的位置。保持压力,阀应打开,直到致动器内部的压力之后,开关应遵循与50%的关税PWM周期和10赫兹的频率(电磁阀的最大工作频率)。生成PWM和读压力传感器的压力值,Arm微控制器被选中。控制器是一个32位CPU工作频率的50 MHz,可以生成五16位PWM。图13显示了闭环反馈控制系统。

控制器的编程是使用“C”语言。图14显示控制程序的流程图。工作周期意味着100%的阀门,导致压力的增加,50%的关税周期意味着阀门的开关状态,导致压力的恒定值,和0%的关税周期意味着阀门的关闭状态,导致减少的压力。

6。结果与讨论

图15显示了制造顶峰的偏转不同的压力。每30 KPa压力增加相应的挠度的顶峰。发达致动器显示了一个非常好的位置控制PWM控制技术。和致动器的结构简单,单室相比更容易小型化的传统执行器两个或两个以上的钱伯斯(3- - - - - -6]。

图166.13显示了顶峰的挠度分析使用有限元分析软件。用于橡胶超弹性的四面体元素结构墙的致动器。给出应用气动压力增量的压力载荷的软件,它总是徒名义方向橡胶驱动器的墙壁。在有限元分析中,Mooney-Rivlin模型用于近似硅橡胶的特点。的系数是通过实验结果确定平面应变张力测试的硅橡胶。

偏转角度27°,30°,43°,和48°35°,37°48°,56°制造获得的致动器90 kPa的内部压力,120 kPa, 150 kPa,和180 kPa,分别。有轻微的变化分析结果与实验结果相比。这可能是由于在建模和分析的软件错误。也由于橡胶材料弹性性质和具有高度非线性的性质,很难分析大变形使用软件。由于压力,发生弯曲的速度非常高这也是理论上很难预测精度高。

图17显示了驱动器的静态弯曲特征。分析和实验结果接近对方。简单的特征方程是通过假设杨氏模量()是常数和特征计算与实验数据相比,从6毫米直径。

图18显示了路径的致动器在不同的压力。压力变化从0 kPa 180 kPa 30 kPa的脚背。位移在这两方面都可以看到和的方向。两个方向的位移增加150 kPa之后,致动器的尖端开始卷曲。

执行机构产生的最大力量是衡量一个负载细胞。检测力量,致动器的一端是固定和偏转端接触负载细胞。负载细胞建立测量力的致动器。图19显示了执行机构的实验和理论力曲线受到各种内部空气压力。范围从0到180 kPa的压力。力特征几乎是线性的,最大测量力是0.17 N 180 kPa。

7所示。小型软爪

小型软爪组成的三个顶峰构造挑选和地方小部件。这三个顶峰是硅橡胶板固定在一个角度120度,如图20.。图20.显示了不同手势的小型软爪抓住IC芯片。不稳定的影响而扣人心弦当工作流体的压力达到一些限制的对称的成就是可以避免的。

在three-chamber气动执行机构的设计3- - - - - -5),据报道,当工作流体的压力达到极限,一个不稳定的现象发生。对象和菲利普-马萨的极轴扭转不稳定的执行机构。这是因为净扭矩作用的极轴由于各种微分压力室与可能导致扭曲的极轴扭转屈曲。这个问题并不在我们的设计只有一个室,室中的压力不创建一个净扭矩对致动器的极轴。

8。结论

在这篇文章中,一个室小型非对称气动柔性波纹管致动器被设计和制造使弯曲性能比两个或两个以上的钱伯斯的对称的致动器。使用这样的三个执行机构,一个微型软爪也被开发出来。在有限元分析软件分析了致动器的优化设计。发现顶峰的形状和偏心率的影响中起着重要作用的致动器和挠度弯曲的非对称波形致动器由偏心的影响在一定程度上。不稳定的影响而扣人心弦当工作流体的压力达到一些限制的对称的成就是可以避免的。与会的致动器夹的形式显示结果在挑选好,把一小部分。它也可以表明,通过提供真空或负压装置,传动装置可以产生正压的反方向弯曲运动。这些类型的顶峰向下将在微型机器人是有用的空间限制的机制或温和的处理是必需的。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

作者要感谢KIST(韩国科学技术研究所),韩国,为仙露提供实习的大学生。