輕韌型軟體夾持器的仿生設計與研究

郭鐘華 吉成浩 竇夢宇 王 雪

南京理工大學機械工程學院，南京，210094

0 引言

軟體夾持器柔軟靈活、適應性強，是理想的柔順夾持末端和人機交互裝置。在軟體夾持器不同的驅(qū)動方案中，由壓縮空氣驅(qū)動的軟體夾持器具有經(jīng)濟、安全、柔順、交互性好等優(yōu)點[1]。氣動軟體夾持器由單個或多個氣動軟體執(zhí)行器構(gòu)成。從軸向伸縮式橡膠材質(zhì)人工肌肉開始，氣動軟體執(zhí)行器逐漸脫離于氣動柔性肌肉，成為一個相對獨立的研究領域。每個氣動軟體執(zhí)行器可以完成伸長、收縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等動作，并有更低的彈性模量和較多的運動自由度?，F(xiàn)有的軟體夾持器結(jié)構(gòu)型式有包裹式、纏繞式等。包裹式夾持器由若干個軟體指彎曲變形完成對中夾持，多采用多個軟體指對中裝配的結(jié)構(gòu)方案[2]，這種方案對軟體指結(jié)構(gòu)和變形要求不高，方便實現(xiàn)，但是產(chǎn)生的摩擦力有限，常需通過顆粒物塑形[3-4]、材料增強[5]等方法來增強夾爪剛度、增大夾爪與夾持物之間的摩擦力，以實現(xiàn)有效夾持。

然而，受到包絡構(gòu)型的限制，采用垂直方向?qū)χ邪惭b的軟體夾爪，其包絡面為對稱球面，對于非球形或非對稱物體，夾持器末端與夾持物的實際接觸面積并不大[6]。同時，對中夾緊時夾持效果依賴于正壓力，由于軟體材料彈性模量小，夾持末端剛度不足，使軟體夾持器的實用性受限，特別是在動態(tài)操作時，機械臂高速旋轉(zhuǎn)會帶來附加轉(zhuǎn)矩，極易造成夾持失敗。

為了得到更輕韌、夾持效果更好的夾持器，許多學者進行了深入的研究。魏樹軍等[7]通過在軟體上纏繞纖維，設計了一款纖維增強型軟體夾持器；TAWK等[8]運用3D打印技術(shù)研發(fā)了一款具有高度適形的模塊化氣動軟體夾持器；尹海斌等[9]研究了一種結(jié)構(gòu)解耦型變剛度軟體手。除了彎曲型夾爪外，研究者還研究了更多的軟體動作形式。JIAO等[10]提出負壓扭轉(zhuǎn)式驅(qū)動器，通過抽真空使氣室發(fā)生扭轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了靈活的操作。DANG等[11]提出了徑向收縮環(huán)形夾持器，可產(chǎn)生軸對稱方向的收縮變形。XIE等[12]研發(fā)了一種仿章魚圓錐形手臂，通過彎曲纏繞與吸力的共同作用，夾持器在較小的曲率變化范圍內(nèi)可以承受較大負載。BISHOP-MOSER等[13]制作的軟體夾持器能實現(xiàn)螺旋運動，可以夾持質(zhì)量較小的物體，夾持時徑向分力也較小。MARTINEZ等[14]利用3個沿中心軸線對稱分布的彈性氣室組成驅(qū)動單元，制作出了具有三維變形能力的軟體觸手，還可以加入波紋管外殼以增大抓取力，具備柔順性和適應性，能實現(xiàn)多種較復雜纏繞運動形態(tài)，但控制難度增加。WANG等[15]提出帶有傾斜腔室的可編程軟體執(zhí)行器，通過調(diào)整斜狀獨立陣列腔室角度能變化纏繞運動形式，具有重要的工程應用參考價值。在此基礎上，如果能進一步增強剛度以及提出適宜的夾持構(gòu)型，軟體夾持裝置將具有更為穩(wěn)定、可控的夾持效果。

綜上所述，現(xiàn)有的軟體材料彈性模量低、極致柔軟而承載力不足，提高材料的彈性模量能增強剛度但損失部分柔順性。為了使夾持裝置柔軟度和承載力兼?zhèn)?，本文從草本植物莖中得到啟發(fā)，采用逐個腔室嵌入筋板的方法來增強軟體夾爪的彎曲剛度，并采用花冠開合形式布置多個夾爪，完成輕韌型軟體夾持器設計方案。為了實現(xiàn)這樣的目標，本文先研究了花冠式開合夾持器構(gòu)型和所需的夾爪型式，進一步研究了在對夾爪變形角度影響較小的條件下增強夾爪剛度的方案，即在每個夾爪結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌入多個筋板來增大末端輸出力，最后將5個夾爪按照設計好的夾持器構(gòu)型進行組裝，并進行試驗測試。

1 總體設計方案

軟體夾持器因為極致的柔順性而具有較強的被動適形功能，同時也是因為柔順性，往往剛度、穩(wěn)定性不足。一方面，需要通過增加彈性模量較高的材料來增強夾持剛度，另一方面，需要通過施加不同的夾持構(gòu)型來提高穩(wěn)定性。本文對珍珠梅的花冠形態(tài)進行了分析，為了將其轉(zhuǎn)化為可行的夾持模型，對珍珠梅開花過程進行逆演化。珍珠梅開花過程如圖1所示，首先，5片花瓣呈輪輻狀完全展開狀態(tài)，雌蕊和雄蕊以直立姿態(tài)露出；接著花冠以螺旋狀向中心軸線收攏，雌蕊與雄蕊同時向中心彎曲，為花冠的繼續(xù)收攏形成有效空間；最后花冠完全收攏，將雌蕊與雄蕊完全包覆起來，總體外形呈現(xiàn)團狀。分析圖1所示的形態(tài)演化過程，將花瓣完全展開時的狀態(tài)視為夾持器的初始狀態(tài)，花瓣向內(nèi)收攏時的螺旋動作即為夾爪需要實現(xiàn)的變形運動，在收攏的過程中，花瓣將雌蕊與雄蕊逐漸包裹即為夾持器對物體實現(xiàn)抓取的過程；最后的完全收攏狀態(tài)即為夾持器完成對物體穩(wěn)定夾持的狀態(tài)。

圖1 設計構(gòu)想圖Fig.1 Design idea map

夾持器由5個夾爪組成，夾爪均安裝在五邊形基座上，夾爪向基座底面方向(即水平面方向)投影，如圖2所示，其中，α為每個夾爪在投影面上所對應弧線的圓心角。每個夾爪呈螺旋狀彎曲，5個夾爪均呈花瓣狀對中聚攏，使得軟體“花冠”可以螺旋狀聚攏。當軟體“花冠”聚攏時，將物體包裹在“花冠”內(nèi)，同時，對5個軟體夾爪充氣，每個夾爪均貼合物體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)彎曲，并對物體施加夾持力。由于執(zhí)行器上軟體腔室傾斜角的存在，腔室在軸向和徑向上都會發(fā)生變形，在軸向產(chǎn)生彎曲變形，在徑向產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，二者共同作用在執(zhí)行器上，從而形成了執(zhí)行器的螺旋運動，并形成圖2所示的構(gòu)型。要想使“花冠”實現(xiàn)螺旋狀開合，每個夾爪需要實現(xiàn)螺旋線形式的動作軌跡。

圖2 夾爪構(gòu)成示意Fig.2 Illustration of gripper composition

對于圖3所示的螺旋型執(zhí)行器，執(zhí)行器對夾持物的作用力F=pAM，其中，p為氣壓力，AM為M點處接觸面積，F(xiàn)可以分解成法向分力Fn和切向分力Ft，即

Fn=F/cosα

(1)

Ft=Ftanα

(2)

圖3 螺旋型軟體執(zhí)行器Fig.3 Helix type soft actuator

由此可見，夾爪在提供徑向分力的同時也提供了切向分力，在動態(tài)過程中，切向分力所產(chǎn)生的力矩能幫助克服因夾爪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的附加力矩。同時，在抓取物體后，夾持器本身需要保持一定的穩(wěn)定性，使物體不從夾持器中脫落，夾爪本身還要求有一定的剛度。本文仿真分析了氣壓力在100 kPa以內(nèi)時軟體腔室傾斜角對執(zhí)行器變形量的影響。斜狀陣列腔室相對于夾爪橫截面的傾斜角記為θ，圖4a、圖4b分別給出了氣壓力p為60 kPa和100 kPa的條件下，腔室傾斜角θ為10°、20°、30°、40°時的軟體執(zhí)行器位移云圖。對于不同的供給壓力，軟體腔室傾斜角為10°時軟體執(zhí)行器末端位移量最大，軟體執(zhí)行器投影到水平面的彎曲角度最小。當傾斜角由10°開始增大時，軟體執(zhí)行器投影到水平面的彎曲角度由小增大，當傾斜角大于或等于40°以后，彎曲角度已無明顯增大。同時，根據(jù)變形仿真結(jié)果，傾斜角等于40°時，軟體執(zhí)行器末端位移量適中，可形成較流暢的包絡線，因此，選取40°為夾爪軟體腔室傾斜角θ的設計值。

(a)氣壓力p=60 kPa

圖5 苜蓿莖橫切面示意[16]Fig.5 Illustration of the cross-section of thealfalfa stem[16]

2 執(zhí)行單元設計與試驗

2.1 執(zhí)行單元設計

草本植物莖具有輕質(zhì)、柔韌、抗扭轉(zhuǎn)等優(yōu)點，苜蓿是多年生草本植物，莖四棱，柔韌性和支撐性好，可以高達50 cm而不倒塌，其橫切面結(jié)構(gòu)為四邊形[16]，如圖5所示。苜蓿莖最外面是表皮，細胞排列緊密；皮層中厚角組織發(fā)達，在4個棱角處各生長一團厚壁細胞，起到機械支撐作用；正中央為髓，周圍分布著近圓形維管柱，呈環(huán)狀排列，起運輸和支持作用。分布式維管束既能為植物輸送營養(yǎng)物質(zhì)，又較好地為植物莖提供支撐。由于維管束分散地嵌入植物莖中，對莖柔韌性和靈活性的影響也很小。在4個棱角處需要保持足夠的機械支撐，而厚壁組織可以起到良好的支撐作用。仿照草本植物莖的結(jié)構(gòu)特點，在螺旋式執(zhí)行器的基礎上，不影響動作形態(tài)的條件下，在氣體腔室4個棱角的關(guān)鍵構(gòu)造處通過增加筋板的方法來增加支撐。

根據(jù)草本植物莖纖維密度、材料分布的特點，保留軟體執(zhí)行器基本動作形態(tài)。由圖4所示的軟體動作形式可知，充氣后氣腔與氣腔間相對位置發(fā)生了明顯變化，而氣腔自身的變形幅度并不大，可以實施在氣體腔室4個棱角的關(guān)鍵構(gòu)造處增加筋板的方案。因此，在每個氣腔內(nèi)均嵌入具有一定硬度且預留通氣流道的筋板，成為植物纏繞莖式增強單元，筋板由聚乳酸(PLA)材料低密度打印而成且預留通氣流道，在允許氣流通過的同時，使筋板自重較小。在課題組含有內(nèi)骨骼的軟體夾爪制作方法[17]的基礎上，提出一種向內(nèi)部空腔嵌入筋板并澆筑的制作方法。制作過程為：首先用一根充當氣道的“肋條”將筋板按相應尺寸串聯(lián)起來，并安裝在軟體模具中；接著向模具內(nèi)注入硅膠；軟體成形后從側(cè)面將“肋條”抽出，此時筋板已留置于腔室中；最后拆除外模，得到嵌有筋板的軟體夾爪。軟體夾爪的寬度f為16 mm，軟體夾爪的長度l為85 mm，筋板距離腔室單元壁長度a為2 mm，筋板厚度b為2 mm，軟體腔室每個單元間的距離c為1 mm，軟體腔室傾斜角θ為40°，如圖6所示。

f=16 mm;l=85 mm;a=2 mm;b=2 mm;c=1 mm;θ=40°圖6 仿植物莖柔韌型執(zhí)行器Fig.6 Plant stem inspired flexible actuator

為了進一步增強剛度，在夾爪底部的非變形層中加入厚度為0.4 mm的PVC條形薄片，非變形層厚度設為5 mm，夾爪的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)如圖7所示。

(a)夾爪的半剖視圖

2.2 執(zhí)行單元試驗

圖8 角度檢測方法示意Fig.8 Illustration of angle detection method

圖9 四種試件投影面彎曲角度與氣壓力的關(guān)系Fig.9 Relationship between bending angle on theprojection surface and the supply pressure

(a)測試原理圖

圖11 軟體夾爪末端輸出力試驗測試結(jié)果Fig.11 Soft gripper end output force testing results

接著，對末端輸出力進行了測試。采用圖10所示的末端輸出力測試系統(tǒng)對軟體執(zhí)行器充氣使其變形，軟體執(zhí)行器末端連接測力計，測量執(zhí)行器動作時對夾持物的作用力，試驗結(jié)果如圖11所示。由圖11可見，對于四種試件，當氣壓力p≤40 kPa時，各試件末端輸出力的大小基本一致；氣壓力p>40 kPa時，“有薄片有筋板”試件末端輸出力最大，且隨氣壓力的增大末端輸出力增大，氣壓力100 kPa時末端輸出力達到5.8 N；“無薄片無筋板”試件末端輸出力最小?！盁o薄片有筋板”與“有薄片無筋板”的方案，末端輸出力幾乎保持一致，綜合變形角度測試結(jié)果可知，如果只選擇薄片或筋板其中一種剛度增強方式，加入筋板方式的變形角度和輸出力綜合性能較好。同時嵌入薄片和筋板的軟體夾爪則具有更大的末端輸出力，且由于筋板對變形角度的影響不大，“有薄片有筋板”夾爪的實際變形角度仍能為花冠式夾持器提供理想的夾持包絡面。

分析同時嵌入薄片和筋板的軟體夾爪與純軟體夾爪的末端輸出力測試結(jié)果差異，當氣壓力為50 kPa時，純軟體的輸出力為1.13 N，“有薄片有筋板”夾爪的輸出力為1.35 N，較純軟體夾爪的輸出力增大19.47%。隨著氣壓力的逐漸提高，對輸出力的提升效果也逐漸增強，當氣壓力為120 kPa時，純軟體夾爪的輸出力僅為7.19 N，“有薄片有筋板”夾爪的輸出力為9.2 N，較7.19 N增大27.96%。由此可見，嵌入薄片和筋板的軟體夾爪的輸出力較純軟體的輸出力有顯著增大。

分析筋板對軟體夾爪遲滯特性的影響。選取兩個樣件，其中一個嵌入薄片未嵌入筋板，另一個嵌入薄片的同時嵌入筋板，氣壓力正向逐步增大到最大值再逐步卸載，并對卸載過程中的輸出力進行測試。圖12中，A→B段曲線為正向加載階段，輸出力隨氣壓力的提高而增大，B→C段曲線為反向卸載階段，輸出力隨氣壓力的降低而減小。由于硅橡膠材料的非線性特征，輸出力的變化具有遲滯性，即當氣壓力相同時，卸載階段的輸出力比加載階段的輸出力大，圖12a中“有筋板有薄片”試件的氣壓力為20～130 kPa時，各氣壓力下反向卸載階段輸出力較正向加載階段差值百分比的平均值為22.6%，圖12b中“無筋板有薄片”試件的氣壓力為10～110 kPa時，各氣壓力下反向卸載階段輸出力較正向加載階段差值百分比的平均值為48.9%，前者較后者降低了83.8%。由此可見，同時嵌入筋板和薄片的軟體執(zhí)行器與只嵌入薄片的軟體執(zhí)行器相比，筋板的嵌入對改善軟體執(zhí)行器的遲滯性有顯著的效果。

(a)同時嵌入筋板和薄片的軟體執(zhí)行器

3 夾持器試驗

為了得到夾持器原理樣機，在夾爪設計方案的基礎上，分別制作出5個夾爪，采用圖2所示的布局方式進行組裝。針對裝配完畢的原理樣機，構(gòu)建負載能力檢測試驗回路，首先采用縱向加載的方法，對夾持器完全包絡時的承載能力進行了檢測；而后，針對其需要完成的氣動夾持操作，將夾持器安裝在桌面型機械臂末端，采用不同形狀、材質(zhì)的夾持物來驗證夾持效果。

3.1 承載力檢測

構(gòu)建夾持器負載能力檢測試驗系統(tǒng)。試驗回路如圖13所示，夾持器原理樣機固接在穩(wěn)定機架上，充氣使夾持器完全包絡試驗球體，對試驗球體施加豎直向下的拉力，并逐步增大施加力的大小。當試驗球體掙脫包絡而脫離夾持器時，拉力達到加載過程中的極值，通過對該過程中拉力值的連續(xù)監(jiān)測，將拉力極值記為當次試驗承載力測試結(jié)果。

1.氣源 2.截止閥 3.分離器 4,6,7.減壓閥 5.干燥器 8.兩位五通換向閥 9，10.單向節(jié)流閥 11.氣缸 12.拉壓力傳感器 13.軟體夾爪 14.變送器 15.采集卡 16.計算機圖13 夾持器的負載能力檢測試驗回路圖Fig.13 Experimental circuit for gripper capacity test

加載模塊是試驗系統(tǒng)的核心單元，由夾持器、試驗球體、氣缸、拉壓力傳感器組成。其中，夾持器由5個夾爪組裝而成，經(jīng)測試，單只軟體夾爪的質(zhì)量為26 g，非充壓狀態(tài)下的平鋪尺寸(長×寬×高)為85 mm×16 mm×17 mm，最高承壓為140 kPa，5個軟體夾爪的總質(zhì)量為130 g。試驗球體經(jīng)3D打印而成，球體內(nèi)部為空心構(gòu)造，以減少自重的影響。根據(jù)夾持器的包絡范圍，選取球體直徑為80 mm，球體端部與拉壓力傳感器相連接。針對試驗的測試需求，圖13中11號氣缸選擇SMC公司薄型低摩擦氣缸MQQTB30(行程100 mm)。拉壓力傳感器量程為0～10 kg。氣動回路提供動力來源，由氣源、控制元件和輔助元件組成。拉壓力傳感器信號傳輸?shù)接嬎銠C中，處理得到承載試驗結(jié)果。試驗實施照片見圖14a，試驗結(jié)果如圖14b所示。根據(jù)承載力測試結(jié)果，它們組成的軟體夾持末端在130 kPa氣壓條件下，可承受的最大負載值為930 g。由于添加了筋板和薄片增強層，對于較自身質(zhì)量大得多的負載，抓持時軟體夾爪沒有出現(xiàn)明顯的縱向拉伸變形。

3.2 抓持試驗

圖15 夾持物照片F(xiàn)ig.15 Photos of the manipulated objects

3.3 軟體夾持器主要指標比較

將本文研制的軟體夾持器與引言文獻中介紹的幾種軟體夾持器就最大抓取質(zhì)量、穩(wěn)定抓取圓截面直徑進行了對比，如表1和表2所示。其中，文獻[2]為哈佛大學研制的海星式軟體夾持器，最大抓取質(zhì)量為100 g。文獻[6]為筆者課題組曾制作的徑向開合式軟體夾持器，夾持器部分全部為硅橡膠材質(zhì)，最大抓取質(zhì)量為200 g。文獻[7]為上海交通大學研制的纖維增強型軟體夾持器，最大抓取質(zhì)量有了顯著的提高，達到800 g。本文研制的軟體夾持器最大抓取質(zhì)量較現(xiàn)有的軟體夾持器具有進一步的提升。

表1 典型軟體夾持器最大抓取質(zhì)量對比

表2 典型軟體夾持器穩(wěn)定抓取圓截面直徑對比

由于本文研制的軟體夾持器采用了類似花冠收攏的螺旋式包絡式結(jié)構(gòu)，在收攏尺寸較小的情況下具有較大的展開尺寸，進一步擴大了穩(wěn)定抓取的物體尺寸。對比穩(wěn)定抓取圓截面直徑，筆者課題組曾制作的徑向開合式軟體夾持器可抓取的物體尺寸與圖15所示的軟體夾持器相當，但徑向開合式夾爪無法完全收攏，處于夾持狀態(tài)下的夾持器尺寸超過120 mm×120 mm×180mm(長×寬×高)。與表2所示的軟體夾持器相比，本文研制的軟體夾持器具有更小的收攏尺寸和更大的展開尺寸，能穩(wěn)定抓取的物體的圓截面直徑較大。

4 結(jié)論

為了得到結(jié)構(gòu)緊湊而輕韌的軟體夾爪，本文從草本植物莖和花冠結(jié)構(gòu)得到啟發(fā)，設計了螺旋彎曲式增強夾爪，5個夾爪呈花瓣狀對中聚攏，將夾持物包裹在“花冠”內(nèi)。本文主要完成了以下三個方面工作：

(1)采用斜狀陣列腔室結(jié)構(gòu)，確定三維螺旋動作形式和結(jié)構(gòu)形式。夾爪在提供徑向分力的同時，也提供了切向分力，能幫助克服動態(tài)過程夾爪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩。通過仿真確定了軟體夾爪傾斜角的大小。

(2)在斜狀陣列腔室軟體夾爪的基礎上，根據(jù)草本植物莖結(jié)構(gòu)特點，將多塊輕質(zhì)筋板依次嵌入到軟體夾爪的各個腔室中，提高了軟體夾爪的彎曲剛度，且能保持軟體夾持器所需變形角度。通過變形檢測試驗和輸出力測試試驗，輕韌型夾爪在具備柔順性的同時，輸出力顯著增大，筋板的嵌入也對改善軟體執(zhí)行器的遲滯性有顯著效果。

(3)按照包裹式“花冠”設計方案，制作完成軟體夾持器原理樣機，對夾持器完全包絡時的承載能力進行了檢測，并將夾持器安裝在桌面型機械臂末端，驗證了夾持效果。試驗結(jié)果表明，輕韌型軟體夾爪在自重較小和收攏尺寸較小的情況下，具備良好的包絡和承載能力，不僅對軸對稱形物體有良好的抓持效果，對于傳統(tǒng)夾持器難以夾持的非對稱形物體，除了花冠式收攏動作以外，夾爪還能纏繞物體，有效增強了夾持效果。