基于IPMC材料的柔性抓捕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

尹國(guó)校，岳英豪，于 敏，何青松，李宏凱，陳 萌

(1.南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所，南京200016；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京200016；3.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109)

1 引言

空間飛行器的在軌抓捕技術(shù)對(duì)解決失效衛(wèi)星的在軌回收等問題具有重要意義。傳統(tǒng)抓捕方式一般采用具有機(jī)械傳動(dòng)能力的空間抓捕執(zhí)行器、剛性機(jī)械臂等載荷設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的抓捕，例如，孫沖等針對(duì)自由翻滾的故障衛(wèi)星提出了一種外包絡(luò)抓捕方式，研究了機(jī)械臂的最優(yōu)路徑規(guī)劃以及抓捕過程中關(guān)節(jié)角的約束問題[1]；介黨陽等提出一種空間網(wǎng)狀捕獲方式，提高了末端執(zhí)行器的抓捕容差范圍[2]；Yoshida等提出一種利用柔性抓捕結(jié)構(gòu)包裹失效衛(wèi)星的方法，但此方法對(duì)小型衛(wèi)星適用性較差[3]。由于抓捕執(zhí)行器和機(jī)械臂多以金屬材料制造，采用電機(jī)、減速器和制動(dòng)器等機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式，整體質(zhì)量慣性大，機(jī)構(gòu)的構(gòu)型及功能設(shè)計(jì)復(fù)雜[4-6]。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，未來的服務(wù)航天器會(huì)逐步走向小型化、輕型化和智能化[7]。

離子聚合物金屬復(fù)合材料(Ionic Polymermetal Composite，IPMC)，是一種新型離子型電活性聚合物，構(gòu)造類似于“三明治”結(jié)構(gòu)，中間層是陽離子交換樹脂(通常采用杜邦公司的Nafion膜)，基膜兩側(cè)是利用化學(xué)鍍方法生成的貴重金屬電極(如 Pt，Au，Ag，Pd 等)。 與形狀記憶合金和壓電陶瓷材料相比，IPMC具有驅(qū)動(dòng)電壓低、形變量大、反應(yīng)迅速、質(zhì)量輕、無噪音以及能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，因此又被稱為“人工肌肉”，具有巨大的應(yīng)用潛力。Hubbard等利用IPMC作為魚鰭和魚尾研制出一款水下機(jī)器魚，其最大游速可達(dá)28 mm/s[8]；彭瀚旻等利用四片IPMC制作了小型抓取機(jī)構(gòu)，在3 V直流電壓下能夠抓取1.6 g的物體[9]；美國(guó)國(guó)家航空航天局利用IPMC在交流電壓下能夠往復(fù)擺動(dòng)的特點(diǎn)，將其作為除塵裝置應(yīng)用在太空探測(cè)器相機(jī)鏡頭上，同時(shí)指出IPMC能夠適應(yīng)高真空、低溫的空間環(huán)境[10]；Shahinpoor等利用四片IPMC制備了簡(jiǎn)易的抓捕機(jī)構(gòu)，在5 V的電壓下能夠抓起10.3 g的小石子[11]。

針對(duì)目前空間飛行器在軌捕獲機(jī)構(gòu)存在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗能較大、操作難度和維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，本文基于IPMC功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小以及安裝儲(chǔ)存方便的柔性抓捕機(jī)構(gòu)，面向空間非合作目標(biāo)衛(wèi)星的在軌柔性捕獲，旨在降低因采用傳統(tǒng)對(duì)接機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂等捕獲操作機(jī)構(gòu)帶來的控制技術(shù)難度和發(fā)射重量成本問題[12-13]，為柔性抓捕機(jī)構(gòu)的小型化和輕量化設(shè)計(jì)提供參考。

2 抓捕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 IPMC工作機(jī)理

如圖1所示，IPMC材料內(nèi)部主要包括固定陰離子、可遷移陽離子、水分子以及水合陽離子。當(dāng)在IPMC兩側(cè)施加較低的電壓時(shí)(通常為1～5 V)，由于其內(nèi)部的陰離子固定在高分子鏈上不會(huì)發(fā)生移動(dòng)[10]，而可移動(dòng)的陽離子在電場(chǎng)力的作用下會(huì)結(jié)合水分子形成水合陽離子并向陰極移動(dòng)聚集，從而使得膜內(nèi)兩側(cè)的水分子產(chǎn)生濃度差，導(dǎo)致陰極膨脹陽極收縮，宏觀上表現(xiàn)出彎曲現(xiàn)象。在交變電壓下IPMC可產(chǎn)生往復(fù)擺動(dòng)。

圖1 IPMC驅(qū)動(dòng)原理圖[14]Fig.1 Schematic diagram of IPMC driving[14]

2.2 IPMC制備

IPMC柔性抓捕機(jī)構(gòu)抓取物體時(shí)，首先通過IPMC的彎曲變形包裹被抓物體，然后依靠其端部輸出力抓取物體，因此IPMC若要成功抓取物體就需要有足夠的彎曲變形和輸出力。根據(jù)課題組前期工作研究[15]，增加Nafion基膜厚度可以有效提高IPMC的端部輸出力，而退火溫度能有效控制基膜剛度。本文利用化學(xué)鍍方法在Nafion基膜表面生成金屬電極，其制備過程大致如下：①基膜澆鑄：將Nafion溶液和DMF(N，N-二甲基甲酰胺)溶液混合均勻放入70℃真空干燥箱中固化成膜，隨后退火消除基膜內(nèi)應(yīng)力；②基膜粗化：提高基膜粗糙度，增加電極和基膜的接觸面積，有利于Pt顆粒沉積；③離子吸附：將基膜浸泡在鉑氨溶液中完成Pt+離子吸附；④主化學(xué)鍍：利用NaBH4還原劑將基膜內(nèi)的Pt+還原為鉑金屬顆粒沉積在基膜表面；⑤次化學(xué)鍍：為了降低表面電阻，提高鉑電極層厚度需要進(jìn)行次化學(xué)鍍，方法和主化學(xué)鍍類似；⑥離子交換：將化學(xué)鍍后的樣品浸泡于鋰溶液 2天，使 Li+取代 H+；⑦將制備的IPMC存放于去離子水中備用。

按照上述步驟，本文制備了長(zhǎng)為25 mm、寬為5 mm、厚為0.5 mm的IPMC試樣。

2.3 抓捕機(jī)構(gòu)模型設(shè)計(jì)及導(dǎo)線排布

為了提高抓捕機(jī)構(gòu)的適用范圍，考慮被抓物體形狀的多樣性，分別設(shè)計(jì)了三指、四指和五指抓捕機(jī)構(gòu)，并對(duì)這三種抓捕機(jī)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試分析(詳見第3.3節(jié))。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：圓周方向均勻分布的五指抓捕機(jī)構(gòu)能夠包裹更多形狀的物體，更容易完成物體的抓取，提高抓捕機(jī)構(gòu)的適用范圍。圖2所示為3D打印的五指抓捕機(jī)構(gòu)模型，此模型在圓周方向上均勻分布五個(gè)凹槽用于抓捕機(jī)構(gòu)IPMC驅(qū)動(dòng)部件的組裝和拆卸。

圖2 抓捕機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of gripper

合理的導(dǎo)線排布能有效降低IPMC柔性抓捕機(jī)構(gòu)的安裝、操作難度，提高抓捕機(jī)構(gòu)的可行性。因此，為方便安裝超柔細(xì)導(dǎo)線(導(dǎo)線直徑為0.3 mm)，在設(shè)計(jì)和打印抓捕機(jī)構(gòu)模型時(shí)，在其內(nèi)部留出直徑為0.6 mm的線孔，將超柔細(xì)導(dǎo)線排布其中，此方法有效避免了導(dǎo)線之間的纏連，也便于排查每根導(dǎo)線的連通情況。

2.4 IPMC端部修飾

抓捕機(jī)構(gòu)的單指由IPMC和指端結(jié)構(gòu)兩部分組成，兩者粘合后的長(zhǎng)度即單指的工作長(zhǎng)度。指端結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別安裝勾爪和粘附材料，如圖3所示。

圖3 IPMC端部修飾圖Fig.3 Schematic diagram of end-modified IMPC

抓捕機(jī)構(gòu)抓取物體時(shí)其單指要有足夠的長(zhǎng)度來包裹物體，若僅增加IPMC的長(zhǎng)度則會(huì)導(dǎo)致其端部剛度下降；其次，若IPMC直接抓取物體，被抓物體可能會(huì)出現(xiàn)滑落現(xiàn)象。因此，在保證IPMC總長(zhǎng)度不變的情況下，通過端部修飾添加指端結(jié)構(gòu)來增加單指工作長(zhǎng)度和摩擦力并保證其端部剛度。

IPMC的端部修飾主要通過以下途徑實(shí)現(xiàn)：①在IPMC端部連接3D打印的指端結(jié)構(gòu)來增加單指長(zhǎng)度和端部接觸面積，圖3(a)、(b)中IPMC端部的白色部分即是3D打印的指端結(jié)構(gòu)；②在指端結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別安裝勾爪和粘附材料，勾爪能使IPMC向外彎曲時(shí)勾取物體，粘附材料能有效提升IPMC與被抓物體之間的摩擦力，避免被抓物體滑落。組裝后的抓捕機(jī)構(gòu)可以安裝在移動(dòng)平臺(tái)(機(jī)械臂)上，如圖3(b)所示。

3 試驗(yàn)分析

利用測(cè)試平臺(tái)對(duì)單指IPMC的端部輸出力、位移以及電流特性進(jìn)行相關(guān)分析，之后對(duì)端部修飾的兩指和三指抓捕機(jī)構(gòu)進(jìn)行抓取試驗(yàn)分析以檢驗(yàn)端部修飾效果，最后組裝五指抓捕機(jī)構(gòu)并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)分析。

3.1 測(cè)試平臺(tái)

IPMC測(cè)試平臺(tái)如圖4所示，主要包括工作臺(tái)、信號(hào)發(fā)生器、位移傳感器模塊、力測(cè)試模塊、電性能測(cè)試模塊和計(jì)算機(jī)等。測(cè)試條件為大氣環(huán)境，測(cè)試時(shí)將IPMC一端夾持在工作臺(tái)上的電極中，另一端自由放置。自由端一側(cè)接觸力傳感器，另一側(cè)放置激光位移傳感器，激光位移傳感器激光點(diǎn)與IPMC自由端相距10 mm。

圖4 IPMC測(cè)試平臺(tái)示意圖Fig.4 Schematic diagram of IPMC test platform

當(dāng)在IPMC兩端施加電壓信號(hào)時(shí)，其位移、端部輸出力、電流、電阻和功率等信號(hào)可通過計(jì)算機(jī)采集處理獲得。

3.2 單指性能測(cè)試與分析

利用上述測(cè)試平臺(tái)可以測(cè)得單指IPMC工作時(shí)的電流I、電阻R、功率P、輸出力F以及位移d的變化情況。圖5表示單指IPMC在直流電壓U為3 V時(shí)，其位移、輸出力、電流、電阻和功率隨工作時(shí)間的變化規(guī)律。

圖5 IPMC在3 V直流電壓下的輸出特性Fig.5 Output characteristics of IPMC at 3 V DC voltage

從圖5(a)可以看出IPMC在直流3 V電壓下，其位移先迅速增大后緩慢減小，最大形變位移為6.85 mm，工作18 min后位移衰減至3.37 mm。這是因?yàn)镮PMC工作時(shí)其內(nèi)部水分會(huì)發(fā)生電解揮發(fā)和擴(kuò)散散失，使基膜內(nèi)的水分減少，IPMC開始出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，導(dǎo)致位移下降。IPMC的工作相當(dāng)于放電過程，因此IPMC的工作電流隨著工作時(shí)間的增加會(huì)逐漸減小。由公式P＝IU可知，由于IPMC的工作電壓不變，工作電流逐漸減小，其功率會(huì)出現(xiàn)和電流相同趨勢(shì)的下降；由公式P＝I2R和圖5(b)可以看出，IPMC在驅(qū)動(dòng)過程中，其電阻會(huì)逐漸增大。當(dāng)在IPMC兩側(cè)施加電壓信號(hào)時(shí)，隨著其內(nèi)部離子的遷移，IPMC端部的輸出力會(huì)逐漸增加，由于離子的遷移需要遷移時(shí)間，因此其輸出力會(huì)在一個(gè)時(shí)間段(0～14 s)內(nèi)逐漸增大，如圖5(c)所示。

綜上可知：此抓捕機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小，在3 V直流電壓下工作18 min，其位移仍保持3.37 mm左右，而功率僅0.17 W左右。

3.3 五指抓捕結(jié)果與分析

將端部修飾后的兩指、三指和五指分別安裝于抓捕機(jī)構(gòu)的凹槽中，并將此抓捕機(jī)構(gòu)固定在機(jī)械臂上進(jìn)行抓捕試驗(yàn)分析，測(cè)試端部處理效果。

圖6表示端部修飾后的兩指和三指能有效抓起設(shè)定的物體，其中：(a)、(b)表示端部修飾后的兩指成功抓起泡沫圓柱體；(c)、(d)表示端部修飾后的三指成功抓起乒乓球和紙杯。從圖6(a)、(c)可以看出，端部連接的粘附材料有效增加了抓捕機(jī)構(gòu)端部與被抓物體之間的摩擦力，降低了被抓物體滑落的可能。從圖6(b)、(d)可以看出，端部連接的勾爪使抓捕機(jī)構(gòu)具有勾取物體的能力，拓展了抓捕機(jī)構(gòu)的抓取方式。與兩指抓取相比，三指抓取更加平穩(wěn)、抓捕物體適用范圍更廣，能夠抓取體積(或質(zhì)量)相對(duì)較大的物體。

圖6 端部修飾后的抓取效果Fig.6 Grabbing by two fingers after end modification

綜上可知：IPMC經(jīng)端部修飾后，增加了抓捕機(jī)構(gòu)的可靠性，保證了其端部剛度，有效避免了被抓物體滑落的可能，使得抓捕機(jī)構(gòu)的適用范圍大幅提高。

圖7表示五指抓捕機(jī)構(gòu)利用內(nèi)收方式成功抓取球形、不規(guī)則柔軟體和紙杯形物體。其中：(a)表示抓捕機(jī)構(gòu)五指張開靠近被抓物體(+3 V)；(b)表示抓捕機(jī)構(gòu)五指內(nèi)收緊緊抓牢物體(-3 V)；(c)表示物體被成功抓起。同理不規(guī)則柔軟體和紙杯形物體也是類似抓取原理。

圖7 抓捕機(jī)構(gòu)內(nèi)收抓取過程Fig.7 The inward grasping process of the gripper

圖8 抓捕機(jī)構(gòu)外翻抓取過程Fig.8 The outward grasping process of the gripper

圖8 表示抓捕機(jī)構(gòu)利用外翻勾取方式勾起框形物體。具體抓取過程如下：(a)表示抓捕機(jī)構(gòu)五指內(nèi)收靠近被抓物體，此時(shí)施加-3 V的電壓使五指向內(nèi)彎曲，避免刮擦被抓物體；(b)表示抓捕機(jī)構(gòu)五指全部張開勾取物體，此時(shí)施加+3 V電壓；(c)表示框形物體被成功抓起。

上述可知：此柔性抓捕機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，通過控制電壓信號(hào)(±3 V)能有效控制抓捕機(jī)構(gòu)的張開和閉合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)收和外翻兩種不同方式的抓取。

4 結(jié)論

針對(duì)空間飛行器在軌抓捕機(jī)構(gòu)存在整體質(zhì)量慣性大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，利用電活性聚合物IPMC研制出一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、功耗小、驅(qū)動(dòng)電壓低的五指柔性抓捕機(jī)構(gòu)。

單指測(cè)試表明，抓捕機(jī)構(gòu)在直流3 V電壓下的最大彎曲位移為 6.85 mm，工作時(shí)間可達(dá)18 min，功率僅0.17 W左右。

五指抓捕結(jié)果表明，IPMC經(jīng)端部修飾后，有效提升了抓捕機(jī)構(gòu)的可靠性，保證了其端部剛度，有效避免了被抓物體滑落的可能，使得抓捕機(jī)構(gòu)的適用范圍大幅提高，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)收和外翻兩種不同方式的抓取功能。

未來隨著IPMC材料輸出性能的不斷優(yōu)化和改善，基于IPMC驅(qū)動(dòng)的柔性抓捕有望應(yīng)用于空間飛行器的在軌捕獲，以解決目前傳統(tǒng)機(jī)械抓捕存在的問題。