在軌氣動全柔性觸手用材料的成型工藝研究

楊 麗，朱云飛，葉會見，姜利祥，邵文柱

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術重點實驗室，北京 100094；2. 哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150001；3. 浙江工業(yè)大學 材料科學與工程學院，杭州 310014）

0 引言

隨著空間技術的發(fā)展和應用，在軌服務與維護的需求越來越迫切?？臻g機械臂技術是在軌服務中的一項關鍵技術，可用于在軌捕獲、在軌模塊更換等任務中，是實現(xiàn)在軌服務與維護的基石[1-4]。

受運載火箭載荷、航天器尺寸以及空間環(huán)境等因素的限制，空間機械臂需要具備質(zhì)量小、結構緊湊、自由度高、耐極端環(huán)境和能操作比自身重多倍的物件的能力。柔性機械手由于采用靈活的超彈性材料，具有輕質(zhì)、斷裂強度高、快速響應以及容許大變形的特點[5-9]，可以彌補硬質(zhì)機械手的不足，滿足航天器空間機械手的應用要求。然而，目前可供選擇的柔性材料種類的缺乏已成為柔性機械手發(fā)展的瓶頸之一[10-12]。有學者通過研究人類皮膚結構，根據(jù)人類皮膚的表皮、真皮和皮下組織的力學性質(zhì)以及其在皮膚組織中的厚度、排序等要素設計出一種仿真復合材料。該復合材料由多層不同拉伸強度的材料組裝而成，這些材料在外力的作用下產(chǎn)生非線性形變，而非線性形變正是人類皮膚能比傳統(tǒng)硬質(zhì)機械手更靈活、產(chǎn)生更復雜運動的原因[13]。目前已發(fā)展出的2種主要的軟體機械手用柔性材料分別為彈性體復合材料與金屬?聚合物復合材料。

彈性體材料軟體機械手通常采用硅橡膠作為柔性材料，驅(qū)動方式為壓縮空氣驅(qū)動。由柔性高分子材料制備的軟體機械手具有無限自由度，理論上可產(chǎn)生無窮多狀態(tài)，同時材料密度低、所需驅(qū)動力極小[14-15]。根據(jù)在軌服務的需求，結合目前的研究現(xiàn)狀，本文針對2種硅橡膠材料開展柔性觸手材料制備、結構成型工藝及材料特性研究。其中，Ecoflex 00-30（E30）是一種鉑金固化硅橡膠，其固化后的橡膠制品極其柔軟、強韌、彈性佳；PDMS硅橡膠由液體組分組成，包括基本組分與固化劑2部分，混合液可固化為厚度可控且具有韌性的透明彈性體。最終成功制備出具有可設計結構的柔性機械觸手樣件，為柔性機械手臂在航天器在軌服務中的應用奠定基礎。

1 柔性抓捕材料的制備

1.1 E30/PDMS/E30三明治結構

本文中柔性觸手樣件采用E30和PDMS硅橡膠材料復合制備。樣件的芯層為楊氏模量較高的PDMS材料，外層采用斷裂伸長率較大的E30硅橡膠。為進一步研究這種復合結構的材料特性，本文設計了具有三明治結構的E30/PDMS/E30樣品，分別采用逐層固化和半固化兩種不同制備工藝，研究三明治結構復合材料的界面狀態(tài)。

E30/PDMS/E30三明治結構如圖1所示，復合結構中最上層和底層的材料為E30，厚度均為4 mm；中間夾層為PDMS，厚度為3 mm。

圖1 E30/PDMS/E30三明治結構Fig. 1 E30/PDMS/E30 sandwich structure sample

1.2 E30和PDMS硅橡膠的固化工藝

E30硅橡膠的典型制備過程為：將E30組分A和組分B按照一定質(zhì)量配比混合，攪拌5 min后，超聲振蕩2 min，將混合液置于真空容器中去除氣泡；靜置15 min后將混合液倒入模具（見圖2(a)）內(nèi)，并再次放入真空容器中排除氣泡；除氣后置于60 ℃的烘箱中固化3 h，自然爐冷至室溫。成型后的E30硅橡膠樣品如圖2(b)所示。

PDMS硅橡膠的典型固化過程為：首先將固化劑按一定的質(zhì)量配比加入到PDMS樹脂基體中，攪拌并超聲振蕩15 min后，將混合液放入真空容器中去除氣泡；當氣泡全部消失后，將混合液澆鑄于模具中，并再次放入真空器皿中去除氣泡；最后將樣品放入60 ℃的烘箱中加熱固化20 h，自然爐冷至室溫。成型后的PDMS硅橡膠樣品如圖2(c)所示。

圖2 硅橡膠材料的固化模具及樣品外觀Fig. 2 The mould and digital images of PDMS and E-30 samples

2 柔性抓捕材料的力學特性

2.1 固化工藝對PDMS樣品硬度的影響

本文通過改變固化溫度、固化時間與預聚體/固化劑質(zhì)量配比3個工藝參數(shù)來考察不同固化工藝對PDMS樣品硬度的影響。以邵氏A硬度測試值來表征樣品的硬度，PDMS硅橡膠的楊氏模量與邵氏A硬度正相關，硬度越大其楊氏模量也越大[16]。固化工藝對PDMS楊氏模量的影響如圖3所示。

圖3 固化工藝對PDMS樣品硬度的影響Fig. 3 The effect of curing process on the Young’s modulus of PDMS

預聚體與固化劑的質(zhì)量配比為10 : 1，固化時間為20 h時，樣品楊氏模量與固化溫度的關系見圖3(a)，從圖中可以看出，PDMS樣條的楊氏模量隨著固化溫度的升高而增大，并且在80～100 ℃時趨于穩(wěn)定。這表明PDMS的固化交聯(lián)度與溫度有著緊密的關系：溫度升高，交聯(lián)反應速率加快，達到一定溫度后，在20 h能基本完成交聯(lián)反應，固化后所能達到的最大楊氏模量為3.8 N/mm2。PDMS的固化過程即為PDMS預聚體的交聯(lián)過程，樣條的邵氏A硬度與PDMS的交聯(lián)反應的程度密切相關，PDMS交聯(lián)程度越高，所對應樣條的邵氏A硬度越大，其楊氏模量也越大。

預聚體與固化劑的質(zhì)量配比為10 : 1，固化溫度為60 ℃時，樣品楊氏模量與固化時間的關系見圖3(b)。從圖中可以看出，PDMS樣條的楊氏模量隨著固化時間的增長而增大。表明PDMS的固化交聯(lián)反應程度與時間有著緊密的聯(lián)系，交聯(lián)反應速率在60 ℃下相對較慢，隨著時間的增長，交聯(lián)反應程度不斷提高。

為進一步考察固化劑質(zhì)量占比對樣品硬度的影響，改變體系中預聚體與固化劑的比例，樣品楊氏模量的變化見圖3(c)，其中固化時間為20 h，固化溫度為60 ℃。從圖中可以看出，隨著體系中預聚體含量的增加，PDMS樣條的楊氏模量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，配比在8 : 1至10 : 1之間時楊氏模量達到最大值（4.0 N/mm2）。表明PDMS的固化交聯(lián)反應程度與其預聚混合物的配比有密切的關系，合適的反應基團比例和預聚體與固化劑的配比可以加快交聯(lián)反應速率。

從以上PDMS硅橡膠固化工藝參數(shù)對材料力學性能影響的分析可知，預聚混合物質(zhì)量配比為10 : 1，固化溫度為60 ℃，固化時間為20 h的固化工藝所制備出的PDMS的力學性能較為適中。

2.2 固化工藝對E30樣品硬度的影響

選取一組E30的固化工藝作為標準組（組分A與組分B質(zhì)量配比為1 : 1，固化溫度60 ℃，固化時間3 h），并通過改變固化溫度、固化時間，以及組分A與組分B的質(zhì)量配比這3個工藝變量來考察不同固化工藝對E30樣品硬度的影響。

E30材料的硬度極小，超出了邵氏A硬度的測量范圍，需使用邵氏00硬度計測量其硬度，且這2種硬度計量可以相互轉(zhuǎn)換。固化工藝對E30樣品楊氏模量的影響如圖4所示。

與PDMS類似，樣條的邵氏00硬度與E30的縮聚交聯(lián)反應的程度密切相關，邵氏00硬度越大，所對應的樣品縮聚交聯(lián)程度越高。圖4(a)為固化溫度對E30楊氏模量的影響，可見樣品的楊氏模量隨著固化溫度的升高而增大，達到一定溫度后，E30能在短時間內(nèi)迅速交聯(lián)固化。

圖4 固化工藝對E30樣品硬度的影響Fig. 4 The effect of curing procedures on the Young’smodulus of E30

圖4 (b)為固化時間對E30楊氏模量的影響，可見E30的固化交聯(lián)反應程度與時間也有著緊密的聯(lián)系，固化前期E30的楊氏模量隨著固化時間的增長迅速提高；隨著交聯(lián)反應的進行，體系內(nèi)反應基團不斷被消耗，固化3 h后，體系內(nèi)反應基團的濃度已大幅度降低，交聯(lián)固化反應接近終點，楊氏模量的變化也因而趨緩，可以認為3 h后E30已充分固化。

圖4(c)為2種預聚體組分配比對E30楊氏模量的影響。E30樣條的楊氏模量隨著組分A的質(zhì)量占比的提高，呈現(xiàn)先平穩(wěn)變化后下降的趨勢。可見，E30的縮聚交聯(lián)反應程度與其預聚體的配比同樣有密切的關系：當某一組分含量過多時，縮聚交聯(lián)所對應的反應基團必有一方相對濃度過低而降低交聯(lián)反應速率，只有按照合適的反應基團比例來控制預聚體與固化劑的配比才能加快交聯(lián)反應速率。本文研究中組分A與組分B的質(zhì)量比為1 : 1時是一種比較理想的質(zhì)量配比。

2.3 兩種工藝下三明治結構樣條的拉伸性能

按硬度最大的原則選擇一種硅橡膠固化工藝制備樣品并測試其拉伸性能。固化工藝為：PDMS中預聚體與固化劑質(zhì)量配比10 : 1，固化溫度為60 ℃，固化時間為20 h；E30中組分A與組分B的質(zhì)量配比為1 : 1，固化溫度為60 ℃，固化時間為3 h。同時分別采用全固化與半固化工藝制備了復合三明治結構樣品，圖5(a)中，樣條I為全固化工藝制備的，樣條II為半固化工藝制備的。

圖5 三明治樣品拉伸性能Fig. 5 The stress-strain characteristics of sandwich structure samples

如圖5(b)所示，兩種不同固化工藝制備的樣條的斷裂伸長率比較相近，但半固化工藝制備的樣條的斷裂強度明顯高于全固化工藝制備的樣條。半固化樣品的拉伸強度最高達1.2 MPa，其斷裂伸長率達470%；并且半固化工藝樣品的斷裂是相對整齊的，三層同時斷裂，而全固化工藝樣品是逐層斷裂的。這是因為半固化工藝的樣條中PDMS與E30界面層的結合作用要優(yōu)于全固化工藝的樣條，拉伸過程中半固化工藝的樣條內(nèi)部各組分之間有效分擔了應力作用，其中作為骨架的PDMS部分提供了有效的支撐，因而半固化工藝所得樣品的拉伸強度要高于全固化工藝樣品的。

2.4 兩種工藝下復合結構的界面特性

圖6為E30/PDMS/E30全固化工藝及半固化工藝下三明治結構樣品斷面的掃描電鏡照片。由全固化工藝制備的三明治結構樣品斷面形貌可以發(fā)現(xiàn)，PDMS與E30有著不同的微觀形貌，層界面處存在一條清晰的界線，表明該工藝制備的樣品中PDMS與E30在微觀相界面處的相互作用以范德華力為主。由半固化工藝制備的三明治結構樣品斷面形貌可以發(fā)現(xiàn)，PDMS與E30層界面處存在過渡層，這是因為在半固化工藝中，下層硅橡膠未完全固化時，上層另一種硅橡膠預聚體混合物就已澆鑄至其表面，混合物分子鏈在不同層之間擴散，使得固化時兩種硅橡膠的分子鏈之間發(fā)生化學連接。過渡層能夠增強PDMS與E30之間的相互作用，增大材料的斷裂強度，因此半固化工藝制備的三明治樣品相對于全固化工藝制備的樣品具有較高的拉伸強度和斷裂伸長率。

圖6 三明治樣品斷面掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 6 The SEM cross-sectional images of sandwich structure samples after different curing procedures

3 柔性抓捕樣件的氣動特性

3.1 柔性機械觸手樣件的制備

參照1.2節(jié)中描述的固化工藝過程，選用最佳工藝參數(shù)制備E30/PDMS/E30復合材料柔性機械觸手樣件。首先將E30混合液倒入圖7(a)、(b)所示的模具內(nèi)，得到觸手樣件外層；外層固化完成后將芯層模具取出，再將制備好的PDMS混合液澆鑄于模具芯層；樣品完全固化后，取下模具，即可獲得硅橡膠柔性機械觸手樣件（見圖7(e)）。此外，可根據(jù)測試需要在觸手樣件的圓柱底端采用E30封端。

圖7 柔性機械觸手的模具設計及實物外觀形貌Fig. 7 The mould for the pneumatic soft actuator

3.2 柔性機械觸手氣動特性測試

柔性機械觸手的氣動特性測試過程見圖8。測試前（見圖8(a)），機械觸手自然垂掛于氣動平臺的支架上，觸手與水平面垂直。觸手的每個氣動管道均通入一根外徑2 mm、內(nèi)徑1.2 mm的PE軟氣管。在平行于觸手方向固定2臺攝像頭，這2臺攝像頭的拍攝方向相互垂直，以獲取柔性觸手運動時不同向度中的位置信息。

圖8 氣動柔性觸手氣動特性測試過程（樣品長度21.7 cm）Fig. 8 Pneumatic test of the soft actuator of 21.7 cm in length

為了對柔性機械觸手的運動進行分析，本文對其進行模型化。以觸手樣件的固定點為坐標原點，分別建立圖8(b)所示的x軸和z軸，并選取觸手氣動管道末端端點作為表征觸手運動的運動對象點。2臺攝像頭分別捕獲了運動對象點在2個投影平面上的運動狀態(tài)，通過視頻圖像的截取，可以確定觸手在某一時刻在兩平面上所反映的運動狀態(tài)，再對截取的圖像進行比例轉(zhuǎn)換、距離測量及歸一化處理，可得出運動對象點的空間位移和運動速度等參數(shù)。

為簡化分析，提出以下假設：1）單氣道充氣時柔性觸手只在二維平面內(nèi)運動，不發(fā)生扭曲、旋轉(zhuǎn)等其他運動形式；2）柔性觸手充氣時只發(fā)生彎曲形變，伸縮形變忽略不計。理論計算與實驗結果均表明，在較小輸入氣壓以及較小形變程度下，本文所制備的氣動柔性機械觸手可近似看作理想軟體機械手。

氣動柔性機械觸手的運動受到其制備工藝以及實際操作中充入氣壓的調(diào)控。本文選擇2種不同制備工藝的觸手并通過改變氣動平臺氣壓的大小與循環(huán)來調(diào)控觸手的運動。圖9所示為該樣件在單氣道控制下的連續(xù)變形圖，狀態(tài)監(jiān)控的時間間隔為1 s，氣動測試平臺向柔性機械觸手管道中施加的氣壓（絕對壓力）為58 500 Pa。由圖9觀察到，觸手氣動管道末端最先發(fā)生運動，并帶動觸手下端向上發(fā)生卷曲變形，卷曲形變的程度隨著時間的延長而增大，最終達到彎曲角度為180°的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 柔性氣動樣品終端對象點的連續(xù)變化（時間間隔1 s）Fig. 9 The response of pneumatic soft actuator under inflating(sampling interval is 1 s)

充氣響應過程中氣動柔性機械觸手所受到的應力極小，產(chǎn)生的形變量較小，可以認為此時的觸手符合理想軟體機械手模型，對運動對象點進行運動學軌跡分析。從柔性觸手靜止狀態(tài)開始，施加一定氣壓后，運動對象點卷曲地向上纏繞，在小角度形變運動時運動軌跡近似為半徑為2 cm的半圓。由于采樣時間間隔相同，所以可根據(jù)相鄰兩點之間的距離來確定運動對象點的運動速度。在絕對壓力為58 500 Pa時，如圖10所示，運動對象點運動時的角速度基本呈現(xiàn)先加速后減速的運動特點，其平均角速度為 0.4 rad/s，最大角速度為0.8 rad/s。

圖10 柔性氣動觸手運動對象點的角速度Fig. 10 The angular velocity of the motion object for semicuring process actuator

4 結束語

采用PDMS和E30兩種硅橡膠材料制備出柔性觸手樣件，通過對兩類材料固化工藝的研究，得到了不同工藝參數(shù)對材料硬度及力學性能的影響。結果表明在一定范圍內(nèi)，隨著固化溫度的升高和固化時間的延長，兩種材料的楊氏模量均逐步提高；隨著組分中固化劑占比的提高，楊氏模量呈先上升后下降的趨勢。半固化工藝所得樣品具有明顯的界面過渡層和較高的拉伸強度（最高達1.2 MPa），斷裂伸長率達460%，因此，半固化工藝更適合作為氣動柔性機械手的制備工藝。采用最佳工藝制備的柔性觸手在絕對壓力為58 500 Pa時的最大卷曲角速度為0.8 rad/s，可以完成180°的彎曲變形，從而實現(xiàn)對目標物體的抓取。