软机器人fingerpad接触力学分析
Gabriele玛丽亚Achilli
西尔维亚Logozzo
莫妮卡Malvezzi
玛丽亚克里斯蒂娜Valigi- 1工程部门,佩鲁贾,意大利佩鲁贾大学
- 2锡耶纳大学信息工程系和数学,锡耶纳,意大利
机械手的精确把握能力是一个关键的功能,越来越需要操纵的对象在一些非结构化字段,例如工业、医学、农业、食品工业。为了这个目的,实现软机器人手指复制人类手指的技巧是至关重要的。从这个角度来看fingerpad是部分主要是参与接触。必须特别注意知识的机械接触软人造fingerpads的行为。摘要人工硅胶fingerpads应用于机器人的最后一个方阵的手指肌腱驱动。机械fingerpad之间的交互和一个平面变形,分析了接触区和压痕。指尖的可靠模型变形特性提供重要的信息对于了解机械手的性能,这可能是有用的在设计阶段和定义控制策略。这种方法是基于理论,实验和数值方法。结果将被利用的设计更为有效的精确把握软机器人手指或脆弱的对象避免损失。
介绍
机械手是必不可少的元素构成的机器人的机械结构与终端元素称为末端执行器。末端执行器的有效责任与对象交互操作(Melchiorri金子,2008;卡伯恩,2012年;波齐et al ., 2022)。
贪婪是捡起并持有对象的函数。掌握和操纵人类的基本能力,在多个应用程序的机器人是人类手用来复制的操作。在这个领域的研究非常活跃,为机械手构思新设计和触手提高操作能力。的主要任务由一个爪抓住和操纵的对象;出于这个原因,他们是专业结构与一些传感器和简单的运动结构的特征。最现代的触手越来越类似于人类的手(班尼特et al ., 2015;Shintake et al ., 2018;柯et al ., 2021),他们的设计用两个平行的手指从触手,那些复制人类的神人同形同性论与铰接手指和手掌的手(Achilli et al ., 2020;Achilli et al ., 2021;Achilli et al ., 2022;Shorthose et al ., 2022)。
许多操作的非常有意义的工作和人生,人类的手的主题广泛的工程和技术研究主题:人类的手作为灵感对于构建成功的机器人的手和触手,以及发展上肢假肢的起点和触觉技术。人类手中强大的末端执行器,人类使用掌握和操纵物品和工具,以及感知手段(克莱门特1981;Balasubramanian桑托斯,2014;Controzzi et al ., 2014)。把握文献分类法是超过100 (Feix et al ., 2014)和动作的把握可以根据不同的特征定义为权力把握和精确把握。在精确把握对象通常是小,有时脆弱,这是指之间的理解。精确把握操作中需要的组件在工业、农业、医学领域(佩恩和杨,2014年;低et al ., 2016;龚et al ., 2022)。
图1显示了一个示例的人类和机器人手指在精确把握。可以理解,分析接触是一个重要的问题来管理与机器人手指精确把握。
图1。人类(一)和机器人(B)fingerpads在精确把握。
自硬爪和硬物体之间的接触会导致冲击和随之而来的损失操纵对象,把握的遵从性是一个主题具有重要意义(李et al ., 2020)。从这个角度看,使用先进材料和软组件使触手正成为一个有趣的实践(Salvietti et al ., 2019)。
3 d印刷材料,如聚乳酸、ABS、TPU和硅酮橡胶正在成为最受欢迎的选择触手由于易于制造、低毒性和健壮性(Elango Faudzi, 2015;Malvezzi et al ., 2019;Malvezzi et al ., 2019;Dragusanu et al ., 2022;Dragusanu et al ., 2022 b)。兼容的材料用于扣人心弦的组件和垫用手指在解放军的3 d打印技术和软组件模具硅胶(Żur et al ., 2019)。此外,在最近的报纸拟人化触手与部分软组件描述(Catalano et al ., 2014;Deimel布洛克,2016)繁殖人类指尖(Pinel, 1990;Dzidek et al ., 2017)。
本文的目的是研究的硅胶的指尖接触机器人手指与部分软组件。认为人工机械爪的手指研究(Dragusanu et al ., 2022)配备一个硅胶的指尖,目的是执行精确把握的对象利用垫的柔软。
论文的关注重点是机械fingerpad之间的交互和一个平面的接触变形、接触区和压痕(吴et al ., 2003)。执行的分析是利用2 d和3 d技术,结合考虑摩擦学的角度和力量,位移和变形的手指。一组有限元模型,实验结果与模拟和理论的比较,通过运用一些理论联系。系统接触分析可以确定软机器人的接触力与变形关系的指尖数值和实验。尤其是作用力之间的关系,压痕,和接触块面积调查。实验测量的结果与理论结果相比接触分析。
这种研究为设计和生成信息是有用的预测精度把握的接触机械手拥有那种fingerpad。论文的主要贡献是硅胶的指尖的识别接触属性应用到机器人驱动触手,印迹和接触压力分布。不同于完全驱动的手,关节可以精确、独立控制执行复杂的操作任务,在驱动和软关闭机械手手指运动和把握结构整体稳定性和鲁棒性性能相关合规,这都取决于关节僵硬,或手指结构变形和接触属性(Prattichizzo et al ., 2013)。尽管大量的研究造型、仿真和控制软机器人触手增加(Duriez Bieze, 2017;乔治Thuruthel et al ., 2018;侯赛因et al ., 2021),最好的作者的知识,更少的研究致力于接触属性。印迹扩展,接触刚度和压力分布有一个重要的角色在量化把握健壮性、稳定性和刚度(Malvezzi Prattichizzo, 2013;Roa和苏亚雷斯,2015)。
进行二维分析是通过油墨的指纹与应用的力量,而3 d分析是由3 d地图变形获得的三维光学扫描仪和一个新的实验方法受到(Valigi Logozzo, 2019;Logozzo et al ., 2022 b;蓝迪et al ., 2022)和使用的三维扫描技术(Logozzo et al ., 2018;Valigi et al ., 2018;Affatato et al ., 2020)。实验进行了使用一个测试板和一个逆向工程方法(Valigi et al ., 2016;Valigi et al ., 2019 a;Valigi et al ., 2019 b)。理论接触模型应用和讨论(施瓦兹,2003;亚当斯et al ., 2007;Heß波波夫,2019)。前面提到的作品的主要差异相关领域的应用方法。的确,在这个手稿的方法用于分析精度的机器人手指与硅胶的指尖(Logozzo et al ., 2022 b)。此外,应用方法已得到改进,所述(Logozzo et al ., 2022 a)。
本文结构如下:在第二节所描述的样品制备是仪器和应用方法;第三节报道的实验结果和数值计算和理论分析,讨论的比较结果;第四节致力于的结论。
材料和方法
样品制备
材料刚度和爪形态通常定义软机器人夹具的变形和运动能力的一个材料。软材料具有不同属性的组合在一个钳子是工程师的解决方案特定任务所需的变形行为爪的工作。
因此,软触手设计师瞄准系统利用多材料3 d打印技术用于创建柔软灵巧的机器人设备。研究手指属于一种新型的机器人触手WaveJoints触手和组成的3 d打印的手指,每个手指肌腱驱动的,单一的元素组成的坚硬部分(趾骨)通过柔性连接馆部分(图2)。
图2。WaveJoints爪。
爪的手指被3 d印刷复制,但添加了一个新的元素硅来模拟人类的指尖接触。的指尖是EcoFlex 00-30 (努尔,马哈茂德,2015年;Steck et al ., 2019;波齐et al ., 2021)和精心使用3 d印刷模具实现根据适当的设计。铸造后,硅胶fingerpad被安装在最后的方阵WaveJoint手指(图3)。
图3。设计样本的手指,配备软,硅树脂,fingerpad。
实验进行了接触分析的2 d和3 d技术。
实验仪器和三维接触分析
3 d研究是基于使用的方法(Logozzo et al ., 2022 b在()有一些变化,如报告Logozzo et al ., 2022 a)。应用方法意味着使用三维光学扫描仪和逆向工程和检查软件,但对(Logozzo et al ., 2022 b)在这工作的缩进指尖受到某种力量被数码-位移计测量。使用的材料和设备三维接触分析是:
•sensorized板配备一个力敏电阻器(FSR)和由Arduino控制
•面团材料变形fingerpad的指纹留下深刻印象
•一个数字-位移计
•一个桌面三维光学扫描仪
•软件反向工程和检验
•一个有限元分析软件
与硅胶fingerpad 6测试执行。为每个测试一层面团材料放在FSR sensorized板和硅胶fingerpad靠在了板的变形测量压缩力而fingerpad印象深刻的面团层(图4)。
图4。3 d压缩测试。
3 d指纹面团材料硬化到户外。考虑到身上的压力测量值,相应的垂直位移fingerpad (δ)是由一个力-位移计测量(ZTA 50牛,Imada,日本),作为代表图5。然后3 d指纹被数字化的桌面结构光三维扫描仪(EinScan-SE、闪亮的3 d、中国)扫描过程包括12个转盘旋转和对齐基于特征识别(图6)。三维扫描过程进行校准后仪器。从这个过程的三维数字模型指纹的印象对面团材料三角形网格的形式获得的。指纹是进口的3 d模型的网格编辑和检查软件(Geomagic, 3 d系统,我们)一起硅胶指尖的CAD模型。那么这两个模型叠加考虑缩进-位移计测量(图7)。
图5。位移测量。
图6。三维扫描程序。
图7。重建的指尖变形。
从这个对齐重建3 d缩进地图,代表变形之间的偏差和未变形的指尖。以作为参考未变形的指尖,缩进地图显示变形的三维分布。3 d对齐也可以帮助显示定义的总接触区域之间的相交曲线变形和未变形的手指。这种方法可以应用到压痕不成为高于等效硬度计压头半径。
更多关于三维接触分析的见解提出了工作中可以找到(Logozzo et al ., 2022 a),讨论了不同实验仪器与特别注意3 d扫描仪和逆向工程软件。例如,3 d测量的准确性取决于使用3 d数字化仪的性能参数。摘要乐器与0.1毫米的精度等级使用单帧。真实和精确的接触面积测量的准确性都取决于三维数字化仪之间的对齐和未变形的fingerpad模型和指纹模型。在这个工作定位引导了压痕力-位移计测量的数字,但准确性和重复性也可以改善使用第二个便携式三维扫描数字化fingerpad虽然印记在面团材料,报告(Logozzo et al ., 2022 a)。在这工作,第二个3 d扫描仪不习惯但实验接触面积也是衡量使用一个额外的方法基于2 d墨水指纹。
数值分析
数值分析联系也由有限元法(FEM)的软件。在这项研究中,一个超弹性的硅胶部分的材料选择,考虑几何非线性(那是et al ., 2003;Sergachev et al ., 2019)。Mooney-Rivlin使用超弹性的模型是出现一个模拟的行为Ecoflex 00-30硅胶(波齐et al ., 2021)。剪切模量的材料属性是描述μ和两个Mooney-Rivlin常数C1和C2报道,表1。研究应用规定的位移fingerpad等于最大位移测量的力-位移计,如2.2节中所述,在刚性板固定约束,来评估组件的变形图。
表1。材料属性。
实验仪器和2 d接触分析
实验2 d进行了接触分析使用以下材料和工具:
•sensorized板配备一个力敏电阻器(FSR)和由Arduino控制
•油墨来创建一个指纹白皮书
•数字卡尺
执行的测试是润湿的硅胶fingerpad墨水和紧迫的白皮书躺在FRS。相同的压缩力量考虑3 d测试测量,而二维指纹在纸上(印象深刻图8)。
图8。二维压缩测试。
获得的指纹有椭圆形状的最大和最小semiaxes卡尺测量。这些值被用来计算指纹的面积是相比之下产生的总接触面积3 d测量。
理论联系分析
总接触区域也计算根据最常见的理论力学模型,特别是赫兹接触理论和约翰逊,肯德尔和罗伯茨(JKR)模型,考虑曲率半径的硅树脂的手指等于5毫米。
测量压痕,部队被用作输入的计算理论半径圆接触区域与实验的比较(施瓦兹,2003;亚当斯et al ., 2007;Dzidek et al ., 2017;Heß波波夫,2019;Sergachev et al ., 2019)。赫兹接触面积的计算是基于实验压痕深度。缩进是用来计算的接触区域的半径依次计算圆面积。关于JKR模型分析的形成被认为是联系,根据(Chokshi et al ., 1993)。
结果与讨论
关于硅胶fingerpad三维变形的结果给出的缩进地图,作为代表图9。在图10,由此产生的总接触区域是强调橙色椭圆。图11显示了二维指纹。
图9。3 d缩进地图。
图10。3 d总接触区域。
图11。二维指纹。
所有的实验和理论结果进行了总结表2。
表2。结果。
最大位移的3 d地图缩进(4.29毫米)相比,变形有限元分析获得的地图。结果显示在图12。因为它可以观察到,有一个实验和模拟的缩进地图之间的细微差别。这种差异是由于面团材料实验装置的存在,这是必要的,塑料的弹性变形的手指的印象。的确,在有限元模拟、厚度、和面团材料的塑性变形,放置硅胶指尖和刚性表面之间,也不考虑。
图12。缩进地图对比实验和数值结果。
从表2一个可以观察到两个2 d和3 d实验结果与理论结果没有可比性运用赫兹理论。这证据可以解释考虑赫兹模型没有考虑粘连,这是不容忽视的软材料为硅胶(Morales-Hurtado et al ., 2017;Ciavarella et al ., 2019)。
相反,JKR模型认为粘附给结果,可以通过获得的实验数据验证通过2 d和3 d分析。结果表明,JKR理论近似三维接触区域比2 d的,这可能是由于3 d粘附实验分析给出更好的结果。
当缩进的价值δ接近硬度计压头半径R, JKR模型不可靠的结果,该模型是有效的,直到吗δ< < r .在这种情况下,JKR高估了总值接触领域证明了样本B5、B2, B3。
B7为样本,B6, B1和B5 2 d比3 d总接触面积较小,这一现象可以解释考虑到3 d结果还包括粘附区,由于面团材料的存在。
样品B2和B3,特点是最深的缩进,面团材料可能的存在的横向膨胀硅胶fingerpad有限,给3 d总比2 d的接触区域较小。
三维接触分析方法能够计算的分布fingerpad 3 d变形和结果还允许显示fingerpad之间的横向联系和软对象被抓住。
硅胶具有超弹性的行为以及面团材料影响接触,但考虑到比较计算结果和三维接触分析的结果报告图12可以得出结论,关于3 d变形分布的信息获得的三维接触分析是可靠的,基本观点设计部分软触手抓住软对象避免损失。此外,总接触面积的知识可以允许更好地控制精度把握操作。
结论
把握和操作对象是人类日常生活中最普遍的活动之一,是人类手和手指的原因一直被视为灵感设计几个人造触手。本文关注软fingerpads的接触分析,目的是评估的三维分布在接触变形,压痕,总接触区域。数值实验和理论分析,和结果进行了比较和讨论。
总接触区域进行评估通过3 d和2 d实验接触分析和通过理论接触模型。的3 d变形fingerpad检测通过3 d缩进地图获得3 d扫描技术和有限元分析。
结果表明,三维接触分析提供可靠的信息接触变形和地区,也考虑到胶现象通常影响软接触的材料。本研究把基础研究部分软触手的接触设计兼容的精确把握。这个工作代表的第一步软机器人手指接触的特征元素。作为论文的导论部分强调,这项研究的结果是有用的在设计和控制软机器人手指,自接触属性重要元素在把握和操作任务。另一个重要领域,这项研究的结果可以利用新触觉传感器的开发(山口和阿特基森,2019年;戈麦斯et al ., 2020;太阳et al ., 2022)。
未来发展的工作将包括一个更深的调查材料包括非线性和各向异性模型,实验测试集的扩展与不同大小、形状和材料fingerpads。
数据可用性声明
原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。
作者的贡献
所有作者列出了一大笔,直接和知识贡献的工作,批准发布。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
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关键词:把握,机器人手指,操纵,3 d扫描仪,机器人抓手,接触力学
引用:Achilli通用,Logozzo年代,Malvezzi M和Valigi MC(2022)软机器人fingerpad接触力学分析。前面。动力机械。英格8:966335。doi: 10.3389 / fmech.2022.966335
收到:2022年6月10日;接受:2022年7月25日;
发表:2022年8月24日。
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马库斯Heß德国,柏林技术大学版权©2022 Achilli、Logozzo Malvezzi Valigi。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
*通信:玛丽亚·克里斯蒂娜Valigimariacristina.valigi@unipg.it