软体驱动器的设计制作和仿真分析＊

吴越

（安徽工业大学机械工程学院，安徽 马鞍山 243002）

随着工业技术的不断发展，工业机械有了长足的进步，越来越多的机械装备不断投入生产使用，制造工艺、材料性能、控制技术也越来越成熟，越来越先进，我们的生产生活也离不开各式各样的机器人。但是传统的机器人通常是由常规的钢铁等材料制作，其间通过刚性关节连接，柔性不够，在安全性和适应性上越来越不能满足人们的要求。而使用能够变形的材料而非钢铁等制作的一系列新型机器人，其结构更加柔和，动作也更加顺畅。

随着研究的进一步深入，软体机器人的概念应运而生，依托于变形材料的发展、仿生学的设计、仿真分析技术的验证等，软体机器人有了很大的发展。软体机器人的最大特点就是制作材料的软性或者弹性，其可以实现任意的变形，结构连接更加柔顺，通过一根管道输入气流等其他方式，配合结构特征，就可以实现相应的运动。软体机器人由于其本身的物理特性，能够适应各种非结构化环境，人机交互更加安全，具有连续变形结构，软体机器人的柔顺型和安全性等让其有着广阔的发展应用前景。软体机器人是一个新的领域，但是它的发展确实非常迅速。软体机器人涉及材料学、生物工程学、机电控制等诸多学科，是多重学科的综合体[1-4]。

软体机器人的常规驱动方式有气动驱动、绳拉驱动、化学驱动等，其中气动驱动原理简单、污染小、效率高、可靠性高，备受研究人员的欢迎。软体机器人通常为多结构设计，即采用多驱动单元组合阵列，通过控制小单元驱动器的运动，进而控制软体机器人。故本文由气动软体机器人出发，研究单个软体驱动单元的结构、制作、变形仿真分析等，讨论软体机器人的发展。

1 结构设计

气动驱动器利用其独特的形态结构和特殊的材料特性，在受到气体压强作用时，结构发生特定的形变，材料主要以各种类型的硅胶为主。为了实现轴向变长的功能，本文气动驱动器结构如下，由于充气过程中，径向和轴向的作用面积的差异，导致驱动器不同部位的形变程度不同，产生外在的变长现象[5]。当保持气压时，驱动器保持状态，当泄压时，驱动器由于材质特性而恢复原状。软体驱动器如图1 所示，由两个单侧单元软体结构粘合而成，最大长度为77 mm，最大直径为36 mm，驱动器采用两部分分别倒模再粘合的方式制作，单侧单元软体结构如图2 所示，根据模具制作中空形式的半圆柱形软体驱动器，利用粘合剂粘合。底部开一进气孔，接入气管后封堵住气管防止漏气，在运转过程中，改变气压大小气压完成相应动作。

图1 软体驱动器

图2 单侧单元软体结构

2 软体驱动器的制作

气动软体驱动器最重要的一环就是材料的选择，硅胶的材质对结构能否实现预期的工作特性至关重要。目前广泛使用的材料之一是ECOFLEX 硅胶，其固化快、延展性高，有着极大的变形能力，力学特性优良，但是价格较高。常规的室温硫化硅橡胶价格较低，固化时不放热不膨胀，力学特性较好。软体驱动器往往结构复杂多变，制作方式异于常规零部件，通常使用3D 打印或者倒模，而3D 打印由于通常使用材料是金属、树脂等，无法制作复杂硅胶模型，所以本文驱动器采用硅胶倒模的方式制作。硅胶浇筑倒模技术成熟，即通过驱动器模型尺寸设计相应的模具形状和尺寸，将浇筑倒模原料（硅胶及固化剂等）倒入模具，一定时间后固化脱模，即可得到所需实体[6]。

2.1 混合

根据驱动器实体模型预估所需硅胶的质量，防止因为过多而导致浪费或者过少而导致二次添加产生不良影响。估算质量后，留取一定的合理余量，按照硅胶A 和硅胶B 质量比为1∶1 倒入搅拌容器，用搅拌棒搅拌至混合均匀。在此过程中，硅胶中会混合少量的气泡，为了使驱动器质地均匀，要尽量减少气泡的介入，搅拌时搅拌棒应该按照固定的方向搅拌，防止过多气泡产生进而造成不利影响。

2.2 注模

硅胶混合搅拌完成后，选择合适的模具作为主模具，如图3 所示，缓慢匀速地倒入适量的硅胶，不可注满，此时将腔室形成模具与其配合，如图4 所示，静置数小时等待固化，为了实体完全稳定，时间可适当延长。

图3 主模具

图4 腔室形成模具

2.3 脱模

拆卸模具过程应缓慢，防止黏连撕裂，先拆腔室形成模具，再取出软体驱动器。

3 有限元分析

3.1 仿真参数设置

ABAQUS 具有较全面且人性化的三维建模功能，同时具有外部导入三位模型的功能[7-10]。建立硅胶的超弹性材料和布料的属性，其中硅胶的材料常量依据文献分别选取C10=0.11，C20=0.02，其他参数均为0。定义材料属性的截面特征，赋予界面材料属性。仿真分析设置有纵向弯曲和无纵向弯曲两组。将底面的位置定义六个自由度下的全约束，内部所有空腔内表面定义压强载荷，确定压强范围。本文采用四面体网格划分，定义四面体网格类型。定义网格大小，根据尺寸大小，采用2 mm 的网格大小对网格进行划分，最终形成40 597 个四面体网格。

3.2 计算结果

图5、图6 分别表示有纵向弯曲和无纵向弯曲时，软体驱动器内部充气不同气压值下的变形情况。从结果来看，内部压强不断增大后，气囊膨胀持续增大，向底部弯曲变化愈发厉害，弯曲角度随之变大。

图5 有纵向弯曲时的软体驱动器充气变形

图6 无纵向弯曲时的软体驱动器充气变形

4 结语

通过对硅胶结构的设计以及有限元分析，得到了软体驱动器在不同气压下的变形。和刚性机器人相比，软体材料的由于其独特的材料特性，使得软体驱动器的安全性得到了很大的提升，并且软体驱动器结构简单，通过简单的气压差就可以实现复杂灵活运动，未来软体驱动器有着广阔的发展前景。