一种气动柔性手指的板弹簧骨架模型研究.pdf

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判也自
种气动柔性手指的板弹簧骨架模型研究
study on the model of plate spring in a pneumatic flexible finger
朱飞成,章军,陈春华,熊强
ZHU Fei-cheng, ZHANG Jun, CHEN Chun-hua, XIONG Qiang
(江南大学机械工程学院,无锡214122)
摘要:介绍了一种以板弹簧作为骨架的气动录性手指。该手指由气缸驱动板弹簧产生变形买现豸曲动
作。在平面上,将板弹簧受力状态等效于自曲端受变化的集中載荷和弯矩共同作用下产生大
变形的弹性悬臂梁。对柔性手指的变形状态建立了静态模型,通过构造板弹簧变形的做分方
程,结合柔性手指变形协调方程,采用网格法,利用 Matlab软件进行求解,得出了不同气缸
压カ下,板弹覧长度方向上不同截面的变形与应力分布情况,为柔性手指的设计提供了理论
模型写计算方法。
关键词:机械手;录性手指;弹性悬臂梁;大变形
中图分类号:TP241
文献标识码:A
文查编号:1009-0134(2014)03(下)-0086-04
Di:10.3969/J.Iln.1009-0134.2014.03(下).23
0引
针对轻工和食品行业的大规模生产状况,为
研究悬臂梁的大挠度问题,并与该问题的双参数
满足形状复杂、物性多样的原材料、半成品、成
摄动算法进行了比较。孙保苍?等对联合载荷作用
品的物流和包装的需要,解决简单劳动的用工成
下的悬臂梁利用打靶法进行大变形分析。葛如海
本高、劳动条件差问题,需要抓取机械手。抓取
等利用数值积分方法求解细长杆悬臂梁的大挠度
的复杂对象种类有:1)易变形的软性物体(面
弯曲问题,并分别对无限长和有限长细杆悬臂梁
包、软包装物品);2)易碎的脆性物体(禽蛋、
进行了讨论。对悬臂梁在受均布载荷或者自由端
玻璃陶瓷制品);3)形状不规则的、大小差別大受集中力作用的情况下,以上研究进行了大变形
的物体(瓜果、蔬菜);4)异形的、位置状态
分析,采用的计算方法也较为复杂。
混乱且难理顺的物体(酒瓶、化妆品瓶);复杂
文献[8]给出了“种板弹簧骨架柔性关节,并
对象的材料性质、形状尺寸及位置状态的差别较以气缸内压强与活塞杆伸长量的关系进行验证
大。工业机械手为夹错式或平行移动式结构,只最大相对误差仅为0.74%。其结构是对称结构,对
能抓取形状大小相同、位置状态一致、不会破损于一般结构下板弹簧的模型研究不具有代表性,
的刚性工件。仿人灵巧手需要感知复杂对象的空尤其是其所用结构对板弹資产生的应力较大。而本
间位置和形状,需要精确控制运动和抓取力,否
柔性指为抓取增力式非对称结构,因此在板弹資模
则会损坏复杂对象或不能可靠抓取,但目前尚处
型分析中需要利用柔性手指中建立新的变形协调方
在实验室研究阶段。江南大学章军博士提出了程,通过计算得到其变形及应力分布情况。
多种柔性手指机械手,对板弹簧的变形分析通常将1柔性指结构与工作原理
其简化为一端固定另一端自由的弹性悬臂梁。
柔性手指结构如图1所示,气缸1通过其法兰
弾性变形的研究最早从Euer提出 Eastica:理论固定在基座2上,气缸铰链接头3通过铰链与长度
开始,后人在该理论的基础上从多方面深入的研调节杆4连接,调节杆4的另一端与铰链座5连接,
究了柔性杆件的大挠度问题。伍小强等对弹性板弹簧8被铰链座胚板7和基座压板9通过螺栓分别
悬臂梁自由端受竖直集中力及倾斜载荷作用下的固定铰链座5和基座2上,橡胶指套6被装在板弹簧
弹性大挠度变形进行了分析,采用了差分迭代和8的头端,通过长度调节杆4的双向调节能够对铰
椭圆积分等方法。何晓婷等利用拟线性分析方法链座5的安装位置进行调节
收日期:2013-12-16
作者简介:朱飞成(1988-),男,江苏无锡人,硕土研究生,研究方向为气动柔性关节型机械手
86】第36卷第3期2014-03(下)
判当业自
TA=TA cos a=F TA =T sin a=Ftan a
故悬臂梁上任意一点X处的弯矩为:
国
M=M-TA (Y-Y
其中:XA,yA是板弹簧A点处变形后在Oxy坐
标系中沿x、y轴方向上的坐标,X、y为悬臂梁上
任意位置X的坐标。
X处的曲率P为
L.气缸:2.基座:3.气缸铰接头;4.长度调节杆;5链座
1 M de
6.橡胶指套:7.较链座压板;8.板弹簧;9.基座板
EI
图1柔性手指结构图
且有:
2柔性指静态槙型
cose
sine
柔性手指在弯曲动作的过程中,板弹簧所受
E为板弹簧的弹性模量;Ⅰ为板弹簧横截面对
的载荷和弯矩是时刻发生变化的,因此对其动态中性轴的惯性矩;s为弧长;日为倾斜角。将式(2)
变化过程中的变形与应力变化分析难度较大,故代入上述曲率公式可得:
对其弯曲稳定状态进行静态分析,并假设:1)板
弹簧为理想弹性体,其余零件视为刚体;2)板弹
簧等效为悬臂梁,具有矩形截面,且梁长比梁的
式(3)两端对s求导得:
截面尺寸大的多,因而可以忽略截面上剪力和轴
d6)1
向力对变形的影响;3)板弹簧发生变形后其长度
ds Ei
TA sin 6-thy cos 6
保持不变;4)各运动副的摩擦阻力以及所有零件
-sin(8
的重力与惯性的影响均忽略不计。板弹簧受到
Eicos d
个倾斜力和一个力平移产生的力偶矩使其发生零
式(4)可表示为:
曲变形。对其进行受力分析如图2所示
de/de d(de )de d 1/de
ds(ds Jde dsds de 2 ds
对(4)等式两边同乘以d0再积分得:
Fcos(0
Eicos a
梁的自由端A处:x=X,y=ーyx,=6A,代入
式(3)得:
M°
E
图2柔性指受力简图
再代人式(5)得:
由图3可知,长度调节杆为二力杆,所以
M
Fcos(
c=Fb,故可得Fe=FEb,而E=F/cosa,其中
Eicos a
F=mD2P/4,D为气缸内径,P为气缸内气压。将
故式(5)可以表示为:
F平移至板弹簧弯曲起始面中心A点,则有
1(de
Fcos(6-a
TA=T. MER-F
Eicos o
E
Eicos&
[a cos(a-b,)+bsin(a-0,)
Fe与F。、F与F分别为长度调节杆与铰链
即有
d
座、气缸链接接头的作用力与反作用力,T与M°
ょプ(0)
为分别板弹簧A点所受的力与力偶,α为调节杆与
其中
水平方向的夹角。
Fcos(0
M
2FCOS(0
T水平和垂直方向的分力分别为:
Eicos a
EI
Eicos以
第36卷第3期2014-03(下)【87