软体机器人接触压力分析

背景介绍

  机器人技术广泛用于工业生产、勘探勘测、医疗服务、军事侦察等领域，对于国民经济和国防建设具有重要意义。传统刚体机器人主要由硬质基体（金属、塑料等）和刚性运动副构成，能够快速、精确地完成工作任务，但这种传统的机器人运动灵活性有限，环境适应能力很低，只能在结构化环境下工作，限制了刚性机器人在动态、未知、非结构化的复杂环境领域的应用，如军事侦察、灾难救援以及科学探测等。

  软体机器人较少甚至完全不使用传统刚性材料，而是采用流体、凝胶、形状记忆聚合物等可成型材料，表现出与软体生物一般的弹性，可以承受大应变，允许机器人在各种不同环境下进行大幅度地拉伸收缩，改变其原有的形态结构和尺寸，以适应多变的环境进行特定操作。

  本推文参考自然界中（手掌）的结构，综合刚性体传动精度高，柔性体协调性好的优势，从力学的角度分析与求解机械臂（由刚性体与柔性体共同组成）在外力作用下的变形以及接触表面的受力分布，具体内容如下：

刚性结构接触区域受力分析

  手掌具有极其重要的作用，辅助人类觅食的同时还能帮组人们使用工具，使得人们不再只是顺从环境和自然，拥了改造自然的能力和条件，在进化的进程中具有重要的意义。仔细观察手掌的结构，时常觉得自然界是如此的奇妙，骨骼作为刚性体，肌肉作为柔性体，使得手掌能够顺利提起物体的同时不对物体造成损伤。然而为了简便起见，市面上具有的仿生机械手臂，更多仅仅仿照人类手掌的骨骼结构，如下图所示：

  本节以现有机械臂为研究对象，采用的简化模型如下图所示，当圆柱体和平面之间的接触表面是绝对光滑，并且作用在圆柱压头上的切应力Q和作用在试件上的远端载荷 Ffat 都等于零时，接触区域应力分布满足赫兹接触压力分布。

  在平面应变情况下，当接触区域应力分布满足标准的赫兹接触压力分布时，接触压力的分布为：

刚柔耦合结构接触区域受力分析

  采用机械臂进行货物搬运时，首先需要完成的步骤是提起货物，即作用在货物上的总摩擦力应不小于该物体的重力（稳态）。由摩擦力的计算公式可知，摩擦力与作用在物体上的正压力FN呈现正相关，与此同时由上节内容可知，接触区域压力分布与接触形状以及作用在物体上的正压力相关，因此随着作用在物体上的正压力逐渐增大，接触区域压力峰值不断增加，进而可能造成接触表面产生永久性损伤。

  本推文主要是仿照人类手掌的基本结构，采用柔性体包裹刚性体的多层结构，从力学的角度定量研究正压力以及材料属性对接触区域受力分布的影响，其中，采用的模型如下图所示：

  采用理论以及数值模拟相结合的方法，探究不同参量对接触区域接触压力分布的影响，主要的内容包含：1、柔性体的尺寸；2、柔性体的材料属性（弹性模量、屈服强度等）；3、作用在刚性体上的正应力FN；4、被抓取物体的材料属性；5、刚性体与柔性体的相对位置。

  ps：仔细观察手掌的结构发现，手心和手背肌肉的厚度不一致，因此，后续可以采用多目标优化对刚柔耦合复合结构进行优化设计，其中，优化的目标为：在不破坏被抓取物体的前提下，能够举起尽可能大的物体；设计变量为偏心距、刚性体半径、柔性体半径。