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使用柔性IPMC微夾持器的軸孔裝配SCARA
文章信息
文章歷史：于2012年8月6日收到初稿 于2012年11月21日收到修改稿 于接受2012年12月10日采納 于2012年12月22日在網(wǎng)站發(fā)布
關(guān)鍵詞：軸孔裝配 SCARA IPMC微夾持器 柔性裝配
摘要：因?yàn)榭偸怯袃蓚€(gè)配合零件之間存在位置誤差，所以采用機(jī)器人裝配是困難的。順應(yīng)性被以兩只基于微夾持器的離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料（IPMC) 手指的形式加入選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂（SCARA）。該微夾持器被整合在一個(gè)SCARA機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置。軸孔相互作用解析建模和基于它需要通過(guò)IPMC校正橫向和角誤差的力是計(jì)算出的。比例微分（PD）控制器旨在促使IPMC在裝配之前獲得校正軸位置的期望的力。通過(guò)開(kāi)發(fā)一個(gè)IPMC微夾持器來(lái)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)它來(lái)分析軸在孔中的各種裝配情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)IPMC添加的順應(yīng)性有助于軸孔裝配。
1. 簡(jiǎn)介
在電子工業(yè)中裝配是一個(gè)重要的過(guò)程,涉及到很多相關(guān)行業(yè)，其中一小部分如一個(gè)引腳,芯片,接頭等都必須插入一個(gè)孔或套筒接合器中[1,2]。人類擅長(zhǎng)組裝但機(jī)器人今天仍然很難組裝組件。當(dāng)有兩部分時(shí),總會(huì)在特定位部分出現(xiàn)錯(cuò)誤。這些錯(cuò)誤來(lái)自機(jī)器人或其控制系統(tǒng)/集成傳感器、制造誤差等。因此,一些合規(guī)設(shè)備是需要適應(yīng)這些機(jī)器人裝配中的錯(cuò)誤。為了克服這個(gè)問(wèn)題, Dechev 等人、Huang 、 Fukuda 等人 和 Havlik分別研究了不同類型的手腕或爪。這些設(shè)備大多是被動(dòng)的組裝,合規(guī)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了微型機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 在機(jī)器人線束裝配的電連接和柔順裝配遠(yuǎn)程中心等。為確保精確,這些設(shè)備因?yàn)椴煌愋偷腻e(cuò)誤而不能主動(dòng)控制。因此,在單個(gè)軸孔誤差校正問(wèn)題對(duì)于成功的裝配仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。主動(dòng)柔性機(jī)構(gòu)可以幫助控制系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償失調(diào)，也可以在軸孔裝配中提供的自我調(diào)整和錯(cuò)誤修正。在這方面,一些研究人員已經(jīng)研究了可以適用于機(jī)器人裝配的主動(dòng)裝配和基于智能材料的柔性設(shè)備。Rabenorosoa 等人[7]研究了鐵路指導(dǎo)任務(wù),安排微裝配使用基于兩個(gè)柔性手指微夾鉗處理，而Lumia和Shahinpoor (8 - 10)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種離子聚合物金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)(IPMC)微夾持器。IPMC材料用作柔順的執(zhí)行機(jī)構(gòu)掌握和操作靈活的微粒/剛性對(duì)象。該微夾持器非常適合于工業(yè)操作，例如，建筑微系統(tǒng)的微機(jī)電元件及生物微操作任務(wù)，例如，細(xì)菌和細(xì)胞處理。Jain等人[11-13] 為顯微操作在不同的平臺(tái)開(kāi)發(fā)了基于柔順微夾持器的IPMC, 如起重機(jī)械手，搬運(yùn)零件微型工廠測(cè)試床，及進(jìn)行過(guò)IPMC分析和裝配誤差估計(jì)的性4桿裝配機(jī)構(gòu)。這些夾具的主要優(yōu)勢(shì)是,他們是驅(qū)動(dòng)電壓只有 (0 - 3 V DC)。其控制過(guò)程是很容易的，他們更適合用來(lái)控制裝配過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。
在本文中，我們提出一種新的基于使用選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂（SCARA）柔性裝配IPMC。本文的主要內(nèi)容是：
（a）為基于軸孔裝配的SCARA設(shè)計(jì)一個(gè)柔順I(yè)PMC微夾持器。
（b）在裝配過(guò)程中使用通過(guò)一個(gè)比例微分（PD）控制系統(tǒng)糾正軸錯(cuò)誤的柔順微夾持器來(lái)控制軸的位置和方向。
本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)使用IPMC的柔性軸孔裝配機(jī)制，使軸的定位可以通過(guò)IPMC微夾持器主動(dòng)控制。這個(gè)裝配通過(guò)SCARA機(jī)器人來(lái)完成。在理想的條件下，當(dāng)軸插入孔中，軸在裝配時(shí)繞其定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)。這個(gè)旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生橫向誤差和角誤差。為了克服這些誤差, 基于IPMC柔性微夾持器被設(shè)計(jì)成使用兩個(gè)IPMC的手指，一個(gè)伺服電機(jī)和一架。兩個(gè)IPMC手指負(fù)責(zé)控制軸并通過(guò)電壓校正橫向位移。在夾持器中集成一個(gè)伺服電機(jī)，它負(fù)責(zé)在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量軸的角誤差。該微夾持器是安裝在SCARA機(jī)器人端部執(zhí)行器的位置。通過(guò)SCARA機(jī)器人將被微夾持器固定的軸插入孔，在校正裝配之后與孔緊密配合。利用梁理論和伯努利–歐拉方程推導(dǎo)IPMC微夾持器的數(shù)學(xué)模型，其中軸是由兩個(gè)IPMC微夾持器固定。還要利用校正橫向和角偏差的IPMC微夾持器建立一個(gè)在軸孔裝配時(shí)估計(jì)誤差的數(shù)學(xué)模型。施加到IPMC手指的電壓被采用PD控制系統(tǒng)控制著。比例和微分是根據(jù)它們的需要調(diào)整。實(shí)驗(yàn)證明，柔性IPMC微夾持器能夠補(bǔ)償裝配過(guò)程中的誤差。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，與非柔性裝配相比柔性裝配有高的裝配成功率。這些貢獻(xiàn)都是新的，并被引用到新一代的裝配微機(jī)器人中，使我們能在執(zhí)行裝配任務(wù)中主動(dòng)控制機(jī)器人的IPMC手指。
在過(guò)去，一些研究人員用不同的方法分析了軸孔裝配的問(wèn)題。Arai[14] 分析了不同類型的軸孔裝配概念，例如方形軸與方孔、圓軸配圓孔等。通用的方法進(jìn)行三維靜態(tài)模型，研究了不同的問(wèn)題。Pai et al. [15]專注于機(jī)器人手在指定空間位置執(zhí)行任務(wù)的不確定性和柔性。為了執(zhí)行軸孔裝配，為機(jī)器人研究合適的柔性中心。Li [16]為軸孔問(wèn)題設(shè)計(jì)了混合控制器。一種使用混合通信順序進(jìn)程語(yǔ)言混合控制程序(HCSP)。Liao等人[17]已經(jīng)使用拉格朗日方法開(kāi)發(fā)出一種一般形式方程影響模型讓工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行軸孔裝配。獲取和利用的研究系統(tǒng)參數(shù)如何影響的軸裝配的沖擊力和偏離角和倒角孔的SCARA機(jī)器人的碰撞方程。Haskiya等人[ 18 ]都專注在一個(gè)不準(zhǔn)確解決方案，像機(jī)器人定位和軸插入孔。為了解決這個(gè)問(wèn)題，是用一小軸孔裝配倒角的無(wú)源組件的方法。Pauli等人 [19]著重于處理連續(xù)的視覺(jué)反饋感知?jiǎng)幼髦芷诘乃欧^(guò)程的影像式傳感器。本研究的主要目的是運(yùn)用伺服機(jī)制確定相機(jī)的功能，例如：攝像機(jī)的光軸，以及主動(dòng)地改變視圖，如為操作期間檢查對(duì)象的形狀。Cheng等人[20]對(duì)一種新的可有效地彌補(bǔ)多邊形裝入軸的方向和偏差的裝配任務(wù)被動(dòng)柔順中心裝置的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。Fei等人[21]提出了多軸裝配的三維幾何及力/力矩分析。接觸力被螺旋理論在三維空間中描繪出來(lái)。Zohoor等人[22]描述了自動(dòng)化軸孔裝配的動(dòng)態(tài)分析。獲得相對(duì)于孔的軸線方向的軸小廣義不等式方程沒(méi)有楔形的情況。還研究了在動(dòng)態(tài)情況下的無(wú)干擾的廣義不等式。Okumura等人[23]討論了用于估計(jì)預(yù)測(cè)方法機(jī)器人裝配系統(tǒng)裝配誤差的交配部分和三維空間中的基部的位置和方向，使用兩個(gè)高速CCDS測(cè)量。所提出的方法的基本思想是利用一個(gè)SCARA機(jī)器人進(jìn)行裝配操作。Wang等人[ 24 ]研究了PD控制器對(duì)微裝配系統(tǒng)獲得更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，模糊邏輯技術(shù)用于調(diào)諧的控制器增益。Gauthier等人 [ 25 ]分析了液體表面張力對(duì)微操作力測(cè)量的影響下。提出了一種方法來(lái)計(jì)算力測(cè)量擾動(dòng)，并作為操作過(guò)程中頂端垂直位移，尖端的半徑，液體表面張力和接觸角的變量。Tao等人[26]提出一種主動(dòng)縮放控制方法，可以根據(jù)位置動(dòng)態(tài)調(diào)整自由度，然后作用于微對(duì)象裝配。該方法是基于人工勢(shì)場(chǎng)法。對(duì)所提出的系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性進(jìn)行了研究。Sariola等人[27]討論了混合微裝配技術(shù)，它結(jié)合了微操作機(jī)器人和水液滴的自對(duì)準(zhǔn)。一個(gè)微型機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置的開(kāi)發(fā)，對(duì)微裝配要研究其中四個(gè)重要參數(shù)，如機(jī)器人的屈服，性能，精度和速度。
最近，Su等人[28]對(duì) 偏心軸孔高精度的裝配提出一個(gè)新的無(wú)傳感器控制策略。可見(jiàn)情況運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)分析是把偏心軸孔高維結(jié)構(gòu)空間分解成兩個(gè)低維結(jié)構(gòu)空間。Park等人[29]專注于在空間軸孔裝配中使用使用力/力矩傳感器（FT）進(jìn)行接觸狀態(tài)分析，并對(duì)高精度自動(dòng)裝配自動(dòng)化機(jī)器人的主要問(wèn)題進(jìn)行了論述。Yaqi等人[30]在MEMS軟件中用IPMC設(shè)計(jì)出一種兩指微夾持器。該裝置在裝配中主要用于抓取和操縱微小零件。與天所的模型，有限元模型的開(kāi)發(fā)和機(jī)電行為的微夾持器模擬。利用Tadokoro的模型，有限元模型被開(kāi)發(fā)并且微夾持器的機(jī)電運(yùn)動(dòng)被模擬。
本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第2.1節(jié)介紹了使用柔性IPMC微夾持器的軸孔裝配SCARA的設(shè)計(jì)。在2.2節(jié)中，對(duì)裝配過(guò)程中抓物體，論述了IPMC手指建模和誤差估計(jì)模型；并在2.3節(jié)建立模型了。在裝配過(guò)程中，PD控制系統(tǒng)是用來(lái)彌補(bǔ)失調(diào)。這些誤差是通過(guò)IPMC電壓獨(dú)立控制，并且也對(duì)IPMC電壓進(jìn)行論述。仿真結(jié)果在第3節(jié)。第4節(jié)論述了為論證基于使用柔性IPMC微夾持器軸孔裝配的SCARA的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置。在5節(jié)中，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論，得出的結(jié)論是在6節(jié)。
2. 基于柔性裝配的IPMC模型及設(shè)計(jì)
2.1基于軸孔裝配SCARA柔性IPMC微夾持器的設(shè)計(jì)
SCARA基本設(shè)計(jì)基于軸孔裝配使用IPMC微夾持器如圖1所示。SCARA機(jī)器人是一種4軸工業(yè)機(jī)器人具有四個(gè)自由度（自由度），四個(gè)環(huán)節(jié)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)連接。基于IPMC柔性微夾持器集成在SCARA機(jī)器人的末端執(zhí)行器的位置。
圖1.使用IPMC微夾持器的基于軸孔裝配的SCARA示意圖
圖2. SCARA軸孔裝配IPMC微夾持器示意圖
這些一致微夾持器被設(shè)計(jì)成使用IPMC的手指，如圖2所示的設(shè)計(jì)。這是由兩個(gè)IPMC條、一個(gè)伺服電機(jī)和一個(gè)支架組成。一個(gè)離子帶有一個(gè)自由度，能夠通過(guò)施加小電壓（0-3VDC)在一個(gè)方向上彎曲。通過(guò)給予相反的電壓使夾持操作可以達(dá)到在相反方向的第二離子帶彎曲。因此，當(dāng)軸被IPMC指抓住時(shí)，兩個(gè)IPMC指可以通過(guò)施加電壓獨(dú)立地控制橫向位移和角位移。這個(gè)分析結(jié)合了橫向誤差和角誤差。通過(guò)IPMC微夾持器校正橫向位移誤差和角位移誤差后，由SCARA機(jī)器人來(lái)完成裝配。
2.2 柔性微夾持器IPMC指的數(shù)學(xué)模型
為了增加SCARA機(jī)器人在裝配中的柔性，微夾持器被制成兩個(gè)IPMC條。這些特制的IPMC取自美國(guó)的環(huán)境機(jī)器人公司（ERI）。 它有一層兩面融合黃金電極（5-10μM）的全氟離子交換聚合物膜（Nafion-117）。作為制造過(guò)程的一部分，這是進(jìn)一步的化學(xué)基礎(chǔ)聚合物涂層與金屬離子構(gòu)成的金屬基復(fù)合材料[ 31 ]，如圖3所示。這些系統(tǒng)主要是基于離子遷移和再分配的大分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電場(chǎng)。這些聚合物可以在空氣中或在水中操作。他們吸收空氣中的水以保持濕潤(rùn)和增強(qiáng)的分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的陽(yáng)離子遷移率。建議工作條件，IPMC在正常室溫空氣中工作。在這種情況下，所施加的電壓影響的陽(yáng)離子在細(xì)胞膜中的分布，并迫使陽(yáng)離子向陰極遷移。陽(yáng)離子分布的這種變化產(chǎn)生兩薄層，一層在陽(yáng)極附近另一層在陰極邊界附近。電壓（電位差）使得離子在離子群帶中轉(zhuǎn)移，并驅(qū)動(dòng)離子帶。一個(gè)IPMC還具有靈活的行為，因它較小的彎曲剛度通過(guò)施加一個(gè)小的電壓（0-3 V）產(chǎn)生較大的撓度。在彎曲過(guò)程中，在IPMC頂端產(chǎn)生一個(gè)力。這個(gè)力在尖用于保持對(duì)象和裝配過(guò)程中糾正錯(cuò)誤。對(duì)每一個(gè)IPMC手指的建模，一條板保持懸臂結(jié)構(gòu)，如圖4所示。
IPMC條板具有末端曲率與曲率半徑和自由長(zhǎng)度。端曲率是從頂部的一端到另一端懸臂結(jié)構(gòu)底梁的最大位移。端曲率與懸臂梁的曲率半徑的關(guān)系可寫(xiě)為： (1)
圖3. IPMC的致動(dòng)機(jī)理示意圖[31]
為了用每一個(gè)IPMC手指施加的電壓找到瞬時(shí)彎矩，采用懸臂梁理論。
瞬時(shí)彎矩寫(xiě)為：Mi/Ii = Ei/Ri （2）
其中，Ei是Young的IPMC彈性模量，Ii是IPMC的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
使用（1）和（2）中曲率半徑的值我們得到：Mi = Ei × Ii × κi.
通過(guò)電壓試驗(yàn)每一個(gè)板條的人端曲率分別被找出。為了找出這個(gè)曲率，我們首先給IPMC（0-3V）的電壓。這得運(yùn)行五秒，IPMC偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)收集五次。五個(gè)實(shí)驗(yàn)的平均值繪制如圖5（a)所示。電壓關(guān)閉后，IPMC不會(huì)重復(fù)相同偏轉(zhuǎn)路徑。它表現(xiàn)為滯后1毫米。使用此偏轉(zhuǎn)特性，最終曲率使用方程（1）描述，如圖5（b)所示。它表現(xiàn)為線性關(guān)系，假定為：
κi= Ki × Vi （4）
Ki是IPMC指的路徑的常數(shù)，并取決于IPMC的材料表現(xiàn)。
把（4）中端曲率的值代入（3）中，我們得到：Mi = Ei × Ii × Ki × Vi. （5）
為產(chǎn)生所需反作用力(F),可以通過(guò)假設(shè)懸臂結(jié)構(gòu)均勻長(zhǎng)度（Li) 如下：
F = Mi/Li （6）
用（5）中IPMC的力矩值取代（6），得到：
F = Ei × Ii × Ki × Vi/Li. （7）
對(duì)兩個(gè)IPMC指的力方程可以加1和2后綴分別表示。
第一個(gè)IPMC指方程可表示為：F1 = Ei × Ii × Ki1 × Vi1/Li1 （8）
Ki1是第一個(gè)IPMC指的路徑常數(shù)，Vi1是加給第一個(gè)IPMC指的電壓，Li1是第一個(gè)IPMC指的長(zhǎng)度。
對(duì)第二個(gè)IPMC指方程表示為：F2 = Ei × Ii × Ki2 × Vi2/Li2 （9）
Ki2是第二個(gè)IPMC指的路徑常數(shù)；Vi2是加給其上的電壓；Li2是其長(zhǎng)度；Ei是彈性模數(shù)；Ii是每個(gè)IPMC指的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
為找出每個(gè)IPMC值得偏轉(zhuǎn)角(φ),我們考慮在每只指自由端施加一力矩的懸臂梁。（圖4（a））。彎矩和曲率小部分（ds）努利–歐拉方程可表示為：
dφ/ds = Mi/Ei × Ii. （10）
通過(guò)分離變量并結(jié)合IPMC的長(zhǎng)度，得到：
0φdφ=0LiMi/Ei×Ii×ds (11)
φ=Mi×Li/Ei×Ii (12)
其中φ表示弧度。
2.3裝配過(guò)程中的誤差估計(jì)模型
用兩只IPMC指夾住軸，柔度可通過(guò)橫向彈簧常數(shù)（Kxi)和恒定角彈簧（Kθi)建立理想化模型；如圖6所示。因?yàn)镮PMC只有一個(gè)彎曲自由度，角彈簧常數(shù)被假定為零。因此，橫向彈簧常數(shù)用于IPMC裝配的主動(dòng)控制。這有助于橫向誤差和角誤差有源校正，而被動(dòng)組件糾正這些錯(cuò)誤在[ 32 ]中。裝配誤差的分析是在二維進(jìn)行。一個(gè)圓形的點(diǎn)被表示為一個(gè)柔順中心。
圖4.IPMC指的懸臂結(jié)構(gòu)
（a)偏轉(zhuǎn)特性 (b) 端曲率特征
圖5.IPMC指性能試驗(yàn)
圖6.IPMC抓的等校模型示意圖
數(shù)學(xué)符號(hào)與單位如下：
l IPMCIPMC的橫向剛度系數(shù)(N/m) = Kxi
l IPMC的角剛度系數(shù)（N / m）= Kθi
l 從力作用位置到軸尖端的距離=Lgi
l 初始側(cè)向位移（m）=εi
l 初始角誤差（m）=θi
l 裝配誤差（m）= e
l 孔槽的位置倒角(°) = αi
l 軸直徑（m）= d1
l 軸半徑（m)=r1
l 孔直徑（m)=D1
l 孔半徑（m)=R1
l 兩IPMC指反作用力（N)=F1，F(xiàn)2
l 柔性支持力（N）=Fx
l 作用于軸端的力矩（Nm)=M
l 軸與支撐倒角之間的接觸摩擦力（N)= ?Ni
l 接觸摩擦力法向分量(N）=μi ?Ni
l 摩擦力的反作用力（N）= f1i, f2i
l 軸質(zhì)量（Kg)=W
l IPMC質(zhì)量（Kg)=mi
l 阻尼系數(shù)(N/ms-1)=bi
l 比例控制增益=Kp
l 微分控制增益=Kd
在裝配過(guò)程中，橫向位移（Ui）包括初始側(cè)向位置位移（εi）和角誤差（θi），如圖7（a）所示。在倒角位置接觸后，新的橫向位置位移（Uo）和角誤差位置（θo)如圖7（b）所示。在柔性裝配中支持力（Fx）大約在軸力的作用端點(diǎn)產(chǎn)生力矩(M)，圖8所示。這個(gè)支持力被柔性IPMC的兩個(gè)反作用力（F1和F2）和接觸摩擦力平衡。接觸摩擦力在軸和孔的接觸位置產(chǎn)生一個(gè)合成摩擦力(μi?Ni)，產(chǎn)生兩個(gè)分力水平，接觸摩擦力分量(f1i)和垂直接觸摩擦力分量(f2i)如圖9所示。這就在柔性裝配中通過(guò)平衡IPMC在軸接觸點(diǎn)的反作用力產(chǎn)生靜態(tài)平衡。
在軸裝配（無(wú)接觸）的初始條件中，就在相對(duì)于孔軸線的支撐點(diǎn)的初始橫向位移(εi)和初始角誤差(θi)而言具有橫向位移（Ui），如下：
Ui = εi + Lgiθi （13）
（a）初始條件（無(wú)接觸） （b）倒角交叉條件（接觸后）
圖7.軸孔裝配中的誤差
圖8.使用柔性IPMC裝配中力矩圖
圖9.接觸IPMC時(shí)作用于軸的力自由體受力圖
在倒角的交叉點(diǎn)（圖6（b)），橫向位移：Uo = Lgiθo ? (zi/ tan αi) + εi (14)
zi是初始接觸，θo是角位移。
用（13）和（14），我們可以把橫向誤差(Ui ? U0)表示為：
e = Ui ? U0 = (zi/ tan αi) ? Lgi(θ0 ? θi) （15）
靜平衡，柔性支持力（Fx）被IPMC的側(cè)向剛度系數(shù)（Kx)平衡，
Fx = Kxi(Ui ? U0) = Kxie （16）
力作用位置的力矩（M)可寫(xiě)為：M = KxiLgi(Ui ? U0) （17）
為糾正這些錯(cuò)誤，我們必須找到投訴支撐力（Fx）的平衡力和力矩的合規(guī)中心。兩個(gè)IPMC的力的位置（F1和F2）和接觸摩擦力（?1i和?2i）如圖9所示。當(dāng)軸接觸槽位置，接觸摩擦力分量為：
?1i= ?Ni (Sinαi ? μi Cosαi) (18)
?2i = ?Ni (Cosαi + μi Sinαi) （19) ?Ni正常的表面摩擦力。
為找摩擦力，軸被IPMC指在IPMC傾斜角度(φ1 和φ2)（圖9）出支撐著。
從力的平衡方程，我們有：F1sinφ1 + F2sinφ2 + W = ?2i (20)
W是軸軸的重量。
通過(guò)平衡（19）和（20），我們得到的：
F1 sinφ1 + F2 sinφ2 + W =?Ni (cosαi + μi sinαi)
?Ni= F1 sinφ1 + F2 sinφ2 + W/(cosαi + μi sinαi) （21）
將此值代入（18），我們得到：
?1i = (F1 sinφ1 + F2 sinφ2 + W)(sinαi?μi cosαi)/(cos αi + μi sin αi) （22）
在靜力平衡條件下，水平接觸摩擦力分量（?1i）平衡經(jīng)軸產(chǎn)生的柔性支撐力（Fx）。根據(jù)軸反力可表示為：Fx =?1i = Kxie （23）
替代（22）中的?1，得到：
Fx = (F1sinφ1 + F2sinφ2+W)(sinαi?μicosαi)/(cosαi+μisinαi). （24）
再次，從（23）和（24）中的到一個(gè)誤差項(xiàng)
e = Fx/Kxi
e =(F1sinφ1+F2sinφ2+W)(sinαi?μicosαi)/Kxi×(cosαi+μisinαi) （25）
圖10.表示IPMC作為一個(gè)彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)
為了確定致動(dòng)IPMC的電壓，系統(tǒng)建模為一個(gè)彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)質(zhì)量的IPMC（mi），側(cè)向剛度系數(shù)（Kxi）和阻尼系數(shù)（b）如圖10所示。
柔性支撐力（Fx）負(fù)責(zé)校正裝配過(guò)程中由于在倒角位置IPMC的反作用力（F1和F2）產(chǎn)生的橫向位移和角誤差。這種柔性支撐力可以通過(guò)施加適當(dāng)?shù)腎PMC電壓來(lái)控制；控制電壓通過(guò)PD控制器提供。運(yùn)動(dòng)方程可以寫(xiě)為：
mie+bie+KXie=FX (26)
e表示包含IPMC反作用力的誤差項(xiàng)。
我們現(xiàn)在使用的PD控制律，根據(jù)比例控制增益（kp）和微分控制增益kd計(jì)算所需的力，如下：
Fx= -kp-kde (27)
根據(jù)（26）等于（27）得到：
mie+bie+Kxie=-kpe-kde
mie+（bi+kd)e+(Kxi+kp)e=0
mie+b'e+k'e=0 (28)
其中，b'=bi+kd,k'=Kxi+kp.從（28）式很明顯，通過(guò)分別選擇控制增益Kp和Kd，我們可以開(kāi)發(fā)一個(gè)穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)滿足的臨界阻尼狀態(tài)[ 33 ]。這個(gè)IPMC的控制電壓在短時(shí)間內(nèi)糾正軸的偏差。因此，與其他系統(tǒng)相比較，在軸孔裝配過(guò)程中PD控制系統(tǒng)更適合控制IPMC指。
3. 模擬結(jié)果
在本節(jié)中，我們討論了軸孔裝配的IPMC微夾持器的模擬結(jié)果。
3.1. PD控制器的增益的計(jì)算
為找尋找控制增益（kp和kd） IPMC的橫向剛度系數(shù)（Kxi)通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算出來(lái)。給一個(gè)IPMC加最大電壓（3V）。相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)力數(shù)據(jù)通過(guò)引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)收集得到。在試驗(yàn)過(guò)程中，IPMC指放于懸臂模式，用于測(cè)量力的負(fù)載電池被放在IPMC頂端下面；如圖11所示。研究發(fā)現(xiàn)，力與變形幾乎成線性關(guān)系。因此，IPMC的橫向剛度系數(shù)等于0.068N/m。
找到IPMC剛度系數(shù)后，使用MATLAB軟件計(jì)算控制器增益參數(shù)kp和kd。質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)的基本傳遞函數(shù)通過(guò)IPMC質(zhì)量（mi=0.00042 Kg）、阻尼系數(shù)（bi=0.1N/ms-1）及剛度系數(shù)（Kxi=0.068N/m)。為獲得臨界阻尼系統(tǒng)，PD控制器調(diào)至kp=28,kd=0.1。系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖12所示。它表明，臨界阻尼狀態(tài)下的響應(yīng)時(shí)間（0.01秒）和穩(wěn)定時(shí)間（0.04秒）。該控制器符合我們的目的。
3.2. 評(píng)估微夾持器誤差校正和力特性
為評(píng)估IPMC微夾持器的性能，每個(gè)IPMC指被假定為固定的具有均勻長(zhǎng)度的懸臂結(jié)構(gòu)。通過(guò)使用兩個(gè)手指組成一個(gè)微夾持器夾住軸。在軸被IPMC指抓持時(shí)，電壓從0V逐步地加到3V。認(rèn)為摩擦系數(shù)是（0.2）。考慮到這些情況，下面的輸入?yún)?shù)在軸孔裝配時(shí)寫(xiě)在MatLab-2008軟件程序里。
l 軸直徑（d1)=5.0mm
l 孔直徑（D1)=6.5mm
l 倒角（αi）=45°
l 塑料銷釘和孔之間的接觸摩擦系數(shù)（μi）=0.2
l 裝配時(shí)間（t)=3s
l 第一個(gè)IPMC指傾角（φ1）=1 rad
l 第二IPMC指傾角(φ1)=1 rad
l IPMC側(cè)向彈簧剛度(Kxi)=0.068N/m
l 每一個(gè)IPMC指長(zhǎng)度（Li1和Li2）=40mm
l 每一個(gè)IPMC的楊氏模量(Ei)=140MPal
（a）尖端力響應(yīng)測(cè)試設(shè)置 （b）響應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖11.IPMC力學(xué)性能分析實(shí)驗(yàn)
圖12.PD控制系統(tǒng)下的IPMC系統(tǒng)響應(yīng)
圖13.IPMC微夾持器夾持特性
l 每個(gè)IPMC的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=6.6×10-15m4(Ii=112×b（寬)×h3(厚)）
l 每個(gè)IPMC的寬b=10mm
l 每個(gè)IPMC的厚h=0.2mm
l 初始觸電（zi)=1mm
l 每個(gè)IPMC的電壓（Vi1和Vi2）=0-3V
l 每個(gè)IPMC的路徑常數(shù)（Ki1和Ki2）=5.6
l 軸重量（W）=0.00012Kg
l 力的作用點(diǎn)到軸端位置的距離（Lgi）=60mm
l 比例控制增益（kp）=28
l 微分控制增益（kd）=0.1
使用這些參數(shù)，我們分析了以下軸孔裝配特性：
（i） 抓持特性：在模擬過(guò)程中，IPMC微夾持器執(zhí)行以下步驟：
l 首先，通過(guò)在每個(gè)手指所需位置施加不同的電壓使IPMC抓住軸。
l 其次，根據(jù)需要給每個(gè)IPMC施加不同的電壓（0-3V）來(lái)糾正誤差。它取決于位置 的軸孔的位置。IPMC手指抓持特征如圖13所示?？梢钥吹?，物體從右邊（RHS)移動(dòng)到左邊（LHS），孔朝左。所以，IPMC轉(zhuǎn)向?qū)⑤S向左移動(dòng)。這糾正橫向誤差。最初，軸心在0.0075m處，糾正之后在x軸0.0050m處。
（ii）受力特點(diǎn)：特征力隨時(shí)間的曲線如圖14所示?？梢钥吹?，IPMC在0.5s內(nèi)產(chǎn)生尖端力。在3V時(shí)獲得最大抓持力1.2mN。
圖14.每個(gè)IPMC指力特性
3.3 裝配誤差評(píng)估
通過(guò)IPMC指糾正橫向位移后，軸到達(dá)孔倒角的位置。SCARA機(jī)器人把軸插入孔。在插入過(guò)程中，軸相對(duì)于x軸偏6.7°（最大），軸傾向特點(diǎn)如圖15所示。在校正之后在2.9s內(nèi)軸的方向從最大位置6.7°到達(dá)垂直位置。在此期間，軸相對(duì)于Y軸旋轉(zhuǎn)，這也由IPMC電壓控制。
裝配誤差的估計(jì)，如圖16所示。這個(gè)誤差由橫向誤差和角誤差組成，從圖看出，當(dāng)軸裝入孔時(shí)，通過(guò)IPMC指把誤差從4.467mm減小到最低2.831mm。實(shí)現(xiàn)裝配誤差減少36.62%。IPMC微夾持器允許在減小這種誤差后由SCARA機(jī)器人來(lái)軸孔裝配。
圖15. 在裝配過(guò)程中，與槽接觸后軸的傾角特性
圖16.裝配誤差
4.實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備
一種使用柔性IPMC微夾持器軸孔裝配的SCARA測(cè)試設(shè)備如圖17所示。包括以下設(shè)備：
（a）柔性IPMC微夾持器
（b）SCARA機(jī)器人
（c）誤差測(cè)量視覺(jué)系統(tǒng)
每個(gè)設(shè)備的描述如下：
（a）柔性IPMC微夾持器：基于微夾持器的柔性IPMC安裝在SCARA機(jī)器人（型號(hào)：MTAB Quest）末端執(zhí)行器的位置，如圖17（b）。每個(gè)IPMC指定制尺寸（40mm×10mm×0.2mm, 定制：ERI,USA）。這些都是單獨(dú)由數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）卡（制造：PCI 1720U）通過(guò)接口與電腦和功率放大器提供1-3V電壓激活。（圖17（a））。由Visual C++編譯一個(gè)程序，根據(jù)需要獨(dú)立地給每個(gè)IPMC指施加1-3V電壓，控制彎曲。在實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)伺服電機(jī)(型號(hào): HS 85 MG)被安置在微夾持裝置中來(lái)產(chǎn)生角誤差；這個(gè)角誤差也由IPMC手指校正。伺服電機(jī)由伺服控制器控制（型號(hào)：ATmega1280／V）。伺服控制器工作電壓的要求直流5 V，接線示意圖如圖18所示。
（b）SCARA機(jī)器人：通過(guò)柔性微夾持器校正橫向和角誤差后，由SCARA機(jī)器人完成裝配（圖17（b））。SCARA機(jī)器人每個(gè)動(dòng)作重復(fù)精讀和分辨率分別是±0.3mm和0.1°，它們也會(huì)在裝配中引起誤差。一個(gè)塑料軸和孔物件用來(lái)裝配，孔的直徑為6.5毫米，并有1.5毫米倒角。因此，橫向位移可以在軸接觸角位置時(shí)測(cè)量。為找到成功裝配概率，在實(shí)驗(yàn)中采用不同尺寸軸（例如5.0mm，5.5mm及6.0mm）。
（c）測(cè)量誤差的顯示系統(tǒng)：視覺(jué)系統(tǒng)是用照相機(jī)1（制造：Logitech，型號(hào)：HDc910）。這臺(tái)相機(jī)可以采取10像素的圖像并與計(jì)算機(jī)連接用于測(cè)量裝配的誤差，如圖17（c）。用于從圖像編碼中獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖像處理算法是用Visual C++編譯的。軸的橫向位移由裝在軸孔裝配前面的相機(jī)2（制造：Logitech，型號(hào)：HD c910）完成。它也安裝在微夾持器前面，并與計(jì)算機(jī)相連接。這種基于視覺(jué)的（反饋）的閉環(huán)控制有效地測(cè)量IPMC的誤差。方格紙放在裝配后面，所以軸的橫向位移可以在操作過(guò)程中被顯示出來(lái)，如圖19。為攝像機(jī)標(biāo)定的目標(biāo)，每一幀都被捕獲，并且直徑的兩端（6.5mm）分布209個(gè)像素。因此，一個(gè)像素等于約0.0311毫米；這個(gè)數(shù)據(jù)是用來(lái)找出不同的裝配參數(shù)。這種視覺(jué)系統(tǒng)在這樣的軸孔裝配中提供反饋，可能是最可行的解決方案。使用視覺(jué)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是，它可以提供一個(gè)有效的IPMC的位置/方向反饋。它可以跟蹤的高分辨率圖像的精度，圖像處理的速度是非常快的，它是非接觸、無(wú)沖擊和振動(dòng)影響的系統(tǒng)。在過(guò)去，一些創(chuàng)造者已經(jīng)使用一種視覺(jué)系統(tǒng)有效地控制IPMC機(jī)器人設(shè)[35–37]。
（a）IPMC測(cè)試設(shè)備 （b）SCARA機(jī)器人設(shè)備 （c）顯示設(shè)備
圖17. SCARA軸孔裝配實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備
圖18. SCARA型軸孔裝配測(cè)試裝置示意圖
圖19.設(shè)備安裝細(xì)節(jié)
在試驗(yàn)過(guò)程中，下列步驟已經(jīng)執(zhí)行。
第一步 柔性IPMC微夾持器安裝在SCARA機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置。
第二步 借助SCARA機(jī)器人軟件，SCARA機(jī)器人設(shè)置在初始位置（600,0,230）；操作程序在SCARA機(jī)器人手冊(cè)中[ 38 ]。
第三步 IPMC抓住軸，并由DAC和使用的計(jì)算機(jī)代碼的IPMC控制電路操控。根據(jù)情況，通過(guò)DAC給每個(gè)通道IPMC微夾持器施加1-3V范圍電壓，使之從左（LHS）向右（RHS）橫向移動(dòng)，反之亦然。
第四步 視覺(jué)系統(tǒng)是用來(lái)估計(jì)誤差。在視覺(jué)系統(tǒng)中，兩個(gè)相機(jī)（1和2）被安裝在不同位置，并與計(jì)算機(jī)連接。橫向位移和裝配誤差可以根據(jù)這些相機(jī)得到。通過(guò)相機(jī)2根據(jù)裝配之后軸心到孔心的距離得到橫向位移。同樣，裝配誤差也使用相機(jī)1根據(jù)軸中心與孔中心之間插入前后的距離找到。
第五步 在裝配實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同軸角對(duì)準(zhǔn)誤差是由伺服電機(jī)產(chǎn)生。這個(gè)誤差是由IPMC微夾持器校正。
第六步 倒角位置糾正橫向和角方向后，由SCARA機(jī)器人完成插入；裝配就實(shí)現(xiàn)了。
5.結(jié)果與討論
5.1 柔性微裝配性能實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)不同的電壓控制IPMC微夾持器橫向和角對(duì)齊校正橫向和角對(duì)齊。分別地給一手指2V電壓另一指3V。連續(xù)的步驟如圖20所示，這是通過(guò)攝像機(jī)1和2捕獲的。為找橫向誤差，軸在相機(jī)2前從左（LHS）向右（RHS）移動(dòng)，連續(xù)的步驟如圖20（i）所示。
作為測(cè)量目的，軸的軸線和方格紙上畫(huà)的軸（在背面）初始條件時(shí)保持相同，所以紙上軸線的軸位置和孔軸線清晰可見(jiàn)。在第一步驟中，軸由IPMC抓著。在接下來(lái)的步驟中，當(dāng)我們給IPMC施加電壓時(shí)軸從先前的位置向孔中心輕微移動(dòng)。之后，軸在第三步和第四步到達(dá)倒角位置。在第五個(gè)位置，軸轉(zhuǎn)向孔位置中心，在第六步軸被SCARA機(jī)器人插入孔。
為找到裝配錯(cuò)誤，軸在孔中的位置通過(guò)相機(jī)可以看到，如圖20（ii）所示。這里，把藍(lán)色標(biāo)記放在軸中心紅色標(biāo)記放在孔中心。在第一步，我們這么放置相機(jī)1，所以軸心和孔心清晰可見(jiàn)。在第二步，當(dāng)我們給每個(gè)IPMC施加電壓時(shí)，軸從左到右移動(dòng)。之后，在第三四步軸接觸倒角位置。在第五步，軸到達(dá)孔中心附近。軸心和孔心再一次幾乎重合；在第六步，SCARA機(jī)器人完成插入動(dòng)作。
橫向位移定義為相對(duì)于孔的中心位置的初始軸中心位置和校正后相對(duì)于孔中心位置的軸中心位置之間的距離。裝配誤差減少定義為軸中心位置相對(duì)于孔中心位置在裝配前后的距離。
裝配誤差減少百分比計(jì)算公式為：
（軸插入前相對(duì)于孔中心的位置 -軸插入后相對(duì)于孔中心的位置）/軸插入前相對(duì)于孔中心的位置× 100
當(dāng)軸由SCARA機(jī)器人IPMC微夾持器插入孔時(shí)，機(jī)器人的插入速度在裝配中非常重要，因?yàn)檩S接觸孔倒角時(shí)IPMC指的力平衡倒角的反作用力并進(jìn)行裝配。方程式（20）必須滿足正確裝配。因此，裝配在不同速度下完成如圖21。從圖中看到，8-12m/min是最佳裝配速度。在實(shí)驗(yàn)中也能看到最合適度速度是8m/min，它滿足方程（20）。在8m/min時(shí)最大裝配誤差從2.265mm減少到0.3477mm。
為了測(cè)試IPMC微夾持器對(duì)軸角對(duì)準(zhǔn)的校正，預(yù)先由伺服電機(jī)制造一個(gè)角度對(duì)準(zhǔn)誤差。然后再轉(zhuǎn)動(dòng)軸之后由SCARA機(jī)器人和IPMC微夾持器執(zhí)行裝配操作。在實(shí)驗(yàn)中，伺服電機(jī)分別旋在（順時(shí)針和逆時(shí)針）0.25、0.5、0.75、和1.0°來(lái)制造初始失準(zhǔn)角。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和繪制如圖21所示。圖22（a）和（c），當(dāng)我們旋轉(zhuǎn)微夾持器在0.25°任一方向時(shí)橫向位移校正，垂直裝配執(zhí)行。微夾持器逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)0.25°時(shí)，裝配誤差最大減少達(dá)到46.04%。
在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)軸被插入孔時(shí)，軸的行為受柔順中心的位置影響，如圖23所示。柔性中心的位置與橫向和角誤差相關(guān)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，柔性中心大約在軸頂端。這表明在純橫向位移情況時(shí)第二種情況下，軸在接觸到倒角位置后在一個(gè)方向變化并轉(zhuǎn)動(dòng)。這是裝配誤差中的組合效果；這是因?yàn)榻佑|力對(duì)軸施加側(cè)向力和力矩。兩者都是由IPMC電壓校正。
為分析裝配中不同尺寸軸情況，幾個(gè)實(shí)驗(yàn)使用了不同軸尺寸（如5.0mm，5.5mm和6.0mm）與恒定孔直徑（6.5）。為找出每一種情況下的結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，進(jìn)行了五個(gè)實(shí)驗(yàn)，五個(gè)值的平均值在表1中給出了?？梢钥吹酱怪毖b配在軸徑5mm或5.0mm時(shí)是可能的。裝配標(biāo)準(zhǔn)偏差至少需要軸徑5.0mm，因?yàn)檩S和孔之間的間隙足夠裝配。在軸徑為6mm時(shí)，由于IPMC的低剛度不能進(jìn)行完美的垂直裝配。
（a）IPMC抓持軸時(shí)軸的初始位置（b）軸朝著孔中心的輕微位置（c）軸朝著孔中心的第三位置（d）軸朝著孔中心的第四位置（e）軸朝著孔中心的第五位置（f）最后軸的插入位置
（i）使用相機(jī)2得到的IPMC微夾持器從初始位置到最終位置的橫向位置
（a）軸初始位置（b）軸向孔中心輕微移動(dòng)（c）三、軸在接觸角的插入位置（d）四、軸在接觸角的插入位置（e）五、軸在孔中心附近的插入位置（f）軸插入孔的最終位置
（ii）使用相機(jī)1獲得的從初始軸位置到裝入位置的裝配估計(jì)誤差
（a）橫向位移 （b）裝配誤差
圖21.SCARA機(jī)器人不同的插入速度的裝配
（a）橫向位移糾正 （b）微夾持器順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)的裝配誤差
（a）橫向位移糾正 （b）微夾持器逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)的裝配誤差
圖22.微夾持器在不同角度旋轉(zhuǎn)時(shí)的裝配誤差
表1
IPMC微夾持器柔性裝配
序號(hào)
例
減少誤差（mm）
標(biāo)準(zhǔn)偏差
備注
1
直徑為5mm，孔直徑6.5mm
0.4226
0.0086
裝配完成
2
直徑為5.5mm，孔直徑6.5mm
0.4392
0.0186
裝配完成
3
直徑為6.0mm，孔直徑6.5mm
0.5634
0.228
裝配未完成
5.2非柔性裝配的性能實(shí)驗(yàn)
為比較柔性與非柔性裝配，我們有一個(gè)剛性剛性?shī)A子（非柔性）裝配實(shí)驗(yàn)。在非柔性裝配中，鋼軸由SCARA機(jī)器人末端夾著，如圖24。
裝配操作，根據(jù)以下步驟進(jìn)行：
一、SCARA機(jī)器人被初始化到啟動(dòng)位置。
二、SCARA機(jī)器人手抓通電后，軸由其末端抓持 。鋼軸和布置孔放在適當(dāng)?shù)难b配位置，這樣軸就可以很容易的插入到倒角位置。在裝配過(guò)程中，使用不同尺寸軸（如5.0mm、5.5mm和6.0mm）及恒定直徑（6.5mm）倒角深度1.5mm的孔，如圖25所示。
三、在視覺(jué)系統(tǒng)中，只用相機(jī)1捕捉裝配誤差。裝配誤差由軸心位置相對(duì)于孔心位置在插入前后的不同計(jì)算。每個(gè)軸徑記錄五組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
四、由SCARA機(jī)器人插入軸，進(jìn)行不同的裝配。
誤差平均減少和標(biāo)準(zhǔn)偏差隨柔性裝配相似情況比較并計(jì)算。這張表中，非柔性裝配與柔性裝配比較變化更多，標(biāo)準(zhǔn)偏差在每組中也很高。這是因?yàn)槟┒藞?zhí)行器不具有靈活性也沒(méi)有誤差的補(bǔ)償能力。
這兩種情況下的成功裝配操作的概率（柔性裝配和非柔性裝配）總結(jié)在表3中。從這表中，可以看到在軸徑為5.0mm孔徑6.5mm時(shí)更適合裝配。柔性裝配成功率（99.99%）比非柔性裝配成功率（99.79%）高。這表明柔性裝配能夠補(bǔ)償誤差（橫向和角）。它的實(shí)現(xiàn)是因?yàn)槟┒藞?zhí)行器是由具有主動(dòng)柔性的IPMC帶組成。
因此，結(jié)果表明，IPMC條有助于柔性裝配，通過(guò)控制各IPMC電壓校正誤差。IPMC微夾持器在裝配中通過(guò)增量式PD控制器施加0-3V小范圍電壓控制裝配誤差方面起著重要作用。IPMC反作用力也能在裝配過(guò)程中的小型零件操作中平衡失調(diào)。這些能力表現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)軸孔裝配的新型柔性機(jī)構(gòu)在工業(yè)應(yīng)用中的潛力。
圖24.SCARA端部執(zhí)行器非柔性裝配
圖25.不同尺寸鋼軸
表2
SCARA端部執(zhí)行器非柔性裝配
序號(hào)
例
減少誤差（mm）
標(biāo)準(zhǔn)偏差
備注
1
軸徑5mm孔徑6.5mm
0.9654
0.0020
完成裝配
2
軸徑5.5孔徑6.5mm
0.8354
0.0078
完成裝配
3
軸徑6.0徑6.5mm
0.85042
0.0266
未成裝配
表3
柔性和非柔性裝配概率總結(jié)
序號(hào)
軸徑
正確裝配概率（%）
剛性（%）
柔性（%）
1
5.0mm
99.99
99.79
2
5.5mm
99.98
99.21
3
6.0mm
99.97
97.33
6. 結(jié)論
在本文中，討論了一種在使用柔性IPMC微夾持器的機(jī)器人裝配中校正裝配誤差的方法。主要貢獻(xiàn)是在裝配中引入基于IPMC微夾持器的視覺(jué)控制。在軸孔SCARA裝配中，零件的橫向位移和轉(zhuǎn)角需要被夾持器校正。此校正由IPMC微夾持器完成，因?yàn)镮PMC具有靈活性和柔性性。IPMC的剛度在尖端反力控制中起著重要作用。當(dāng)零件配合到倒角位置時(shí)，IPMC的反力平衡接觸摩擦力。IPMCS的剛度隨著改變輸入電壓而變化。使用PD控制器建立了數(shù)學(xué)模型，通過(guò)增益調(diào)節(jié)控制IPMC手指以構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)垂直裝配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，IPMC的表現(xiàn)是線性的，因此用一個(gè)線性模型來(lái)近似它。因?yàn)檠b配時(shí)間很短，它并不受IPMC固有問(wèn)題的影響，如干燥、滯后和松弛。視覺(jué)系統(tǒng)迅速檢測(cè)IPMC的位置/方向，然后進(jìn)行校正（通過(guò)PD控制器）；與復(fù)雜的自適應(yīng)控制器和學(xué)習(xí)控制器相比這是一個(gè)更簡(jiǎn)單的方法。從SCARA機(jī)器人的軸裝配實(shí)結(jié)果看，視覺(jué)系統(tǒng)顯示柔性MC微夾持器有助于誤差校正和裝配。通過(guò)比較柔性和非柔性裝配結(jié)果發(fā)現(xiàn)柔性裝配的概率更高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，IPMC微夾持器的誤差補(bǔ)償能力可以提高工業(yè)機(jī)器人軸孔裝配的性能（如SCARA）。
致謝
第一作者感謝編輯、IR中央機(jī)械工程研究所（中央機(jī)械工程研究所）、Durgapur、WB、印度給予許可發(fā)表該章。對(duì)該工作財(cái)政支持的CSIR、New Delhi、印度在第十一屆五年計(jì)劃“模塊化可新配置的微型制造系統(tǒng)(MRMMS) (批準(zhǔn)號(hào)： NWP-30)”為原型開(kāi)發(fā)。作者還要感謝Anupan Sana、 Biswanath Panda 和 Arun先生對(duì)在IIT Kanpur各種實(shí)驗(yàn)工作的幫助。
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