變剛度柔性夾持裝置的研究進展*

陸玄鳴,白 敬,王保升

(南京工程學院 智能裝備產業(yè)技術研究院,江蘇 南京 211167)

0 引 言

傳統(tǒng)的機器人手爪或夾持器基本都是由電機驅動的剛性部件構成,如工農業(yè)生產中常見的安裝于機械臂末端的夾持裝置。這類夾持裝置雖然應用廣泛,但普遍存在柔順性不夠的缺陷;如果要將其應用于抓取易損物品(例如玻璃制品、水果、蛋類等),則容易造成對被抓取對象的損傷或破壞。因此,有必要研發(fā)能夠適應這類易損物品抓取的柔性手爪或夾持器。

柔性夾持器主要由柔順性較好的軟材料構成。其驅動方式包含多種新型驅動方式,如氣壓(液壓)驅動[1-2]、形狀記憶合金(shape memory alloy,SMA)驅動[3-4]、電活性聚合物驅動[5-6]、介電彈性體驅動[7-8]、化學驅動[9-10]等。柔性夾持器能夠彌補傳統(tǒng)夾持器柔順性不足的缺點。在工農業(yè)生產的自動化抓取場合中,柔性夾持器因其柔順的特性,在抓取玻璃制品、水果、蛋類等易碎易損物品時,可有效避免對抓取物造成損傷[11-12];在醫(yī)療康復領域,相較于傳統(tǒng)的剛性康復器,柔性康復器可以最大限度減少在康復過程中對病人造成二次傷害(因使用剛性夾持器)[13-14]。

因此,工農業(yè)領域和醫(yī)療康復領域的實踐也都對柔性夾持器的研究提出了迫切需求。

為了滿足業(yè)界需求,國內外關于純柔性夾持器的研究如火如荼。雖然純柔性夾持裝置克服了傳統(tǒng)機械手爪或夾持器剛性大的缺陷,但其普遍存在一個關鍵問題—夾持力不夠,導致其難以在實際應用中推廣開來。

由于純柔性夾持裝置的夾持臂主要由柔軟的材料(例如硅膠)制成,通過加壓變形實現夾持,其剛度依然很低;在夾持重物時,當柔軟的夾持臂無法承受夾持物的重力作用,往往會使夾持物脫落,造成夾持動作失敗。如何在保證實現柔性夾持的同時,又提供充足的夾持力,這是業(yè)界對柔性夾持裝置提出的更高要求?！皠側岵毙蛫A持器便因此應運而生。

柔性夾持裝置的剛度一般由構成夾持臂的軟體驅動器決定。提高柔性夾持裝置的夾持力、實現夾持裝置的整體剛度可變,關鍵在于對作為夾持臂的軟體驅動器的剛度進行調節(jié)與控制。對此,國內外學者普遍采用的方法是在傳統(tǒng)純軟體驅動器的基礎上,增加提高或改變夾持器剛度的裝置。常見的用于提高或改變軟體夾持裝置剛度的方法主要有以下3種:1)增加剛性內骨骼或外骨骼結構[15-17];2)利用干擾(阻塞)效應[18-59];3)內嵌低熔點合金或聚合物[60-64]。其中,在其夾持過程中,后兩種改進方案還可實現夾持裝置剛度的可逆變化。

當使用特定結構初步實現柔順抓取后,若要進一步實現穩(wěn)定可控的夾持目標,并將夾持裝置逐步推向實際應用,對變剛度柔性驅動器建模及控制策略的研究也是必不可少的。從當前國內外的研究現狀來看,對于變剛度柔性驅動器理論建模與控制策略的研究相對于結構功能的研究要少得多,而這將直接制約變剛度柔性驅動器研究的可持續(xù)性以及未來的推廣應用。

基于當前學界對變剛度柔性夾持裝置的研究現狀與業(yè)界的實際需求,筆者首先對變剛度柔性夾持裝置的常見結構進行系統(tǒng)分類,從干擾介質、結構特征以及工作方式等角度對各種常見結構進行對比,總結各種常見結構的主要優(yōu)缺點;然后列舉并分析關于變剛度柔性夾持裝置建模與控制的主要研究成果;最后對當前變剛度柔性夾持裝置領域中尚待深入研究的問題進行分析與總結,以期達到為后續(xù)本領域研究工作提供參考的目的。

1 變剛度柔性夾持裝置常見結構

在當前國內外的各項研究中,變剛度柔性夾持裝置的結構形式主要有以下幾種:添加內骨骼或外骨骼結構、基于干擾效應、內嵌低熔點合金或聚合物等。

其中,基于干擾效應的變剛度柔性夾持裝置是當前研究的主流方向。

1.1 包含內、外骨骼結構的柔性夾持裝置

在原有純軟體夾持裝置(FS-Gripper)的基礎上,南京理工大學的研究團隊在3個夾持臂內增加了內骨骼結構,開發(fā)了一種新型夾持裝置E-Gripper。

包含內骨骼結構的柔性夾持裝置如圖1所示[15]。

圖1 包含內骨骼結構的柔性夾持裝置

該夾持裝置把用于驅動變形的軟體部分與用于承受夾持力的內骨骼部分獨立開來,從而在不影響軟體部分充氣變形的前提下,使嵌入的內骨骼結構能承受更大的夾持力,以便夾持更重的物品。

試驗結果表明:增加了內骨骼結構的軟體夾持裝置(E-Gripper),其夾持力可提升至35 N,約為純軟體夾持裝置(FS-Gripper)的3.5倍。此外,E-Gripper的響應時間也比FS-Gripper要快約1 123 ms。

西安交通大學的研究團隊通過在軟體驅動器外部添加剛性框架結構,以約束驅動器的變形并提高其剛性。

包含外骨骼結構的柔性夾持裝置如圖2所示[16]。

圖2 包含外骨骼結構的柔性夾持裝置

試驗結果表明:與純軟體驅動器相比,添加剛性外骨骼結構的驅動器,其能源利用率、輸出力以及變形響應速率都有較明顯的提高。此外,在其使用過程中,添加的外骨骼結構能夠有效地保護內部的柔性結構,從而延長裝置的使用壽命[16]。

由于其剛性結構的作用,包含內骨骼或外骨骼結構的柔性夾持裝置可提高夾持裝置的整體剛度,并減少驅動過程中柔性結構所產生的無效變形;因此,較傳統(tǒng)的純柔性裝置,其在夾持力和響應時間方面有明顯改善。

但該裝置一旦完成制作,在整個夾持過程中無法實現剛度的改變和調節(jié),使得夾持裝置在抓取階段(夾持臂與夾持物從未接觸到接觸的階段)仍保持了較高的剛度,從而加大對易碎易損夾持物造成損傷的風險。

1.2 基于干擾效應的夾持裝置

干擾效應,又稱為阻塞(jamming)效應,是一種顆?；蚱牡容^小的碎片組成的材料,由柔性狀態(tài)變?yōu)轭愃乒腆w狀態(tài)的物理過程。根據干擾材料的不同,其又可細分為顆粒干擾(granular jamming)和層干擾(layer jamming)。

兩種典型干擾結構如圖3所示[18-19]。

圖3 兩種典型干擾結構

由于干擾效應是一種可逆的物理過程,因此,利用干擾效應可以實現驅動器由軟變硬后又恢復柔軟的完整過程。

1.2.1 顆粒干擾

在顆粒干擾型變剛度軟體驅動器中,如果將顆粒在驅動器變硬或變軟的物理過程中所受的外力進行分類,顆粒干擾又可分為真空顆粒干擾、外部壓力干擾、流變性干擾以及重力干擾。其中,由于實現流變性干擾和重力干擾較為困難,目前較少用于柔性夾持裝置,故此處不作深入闡述。

真空顆粒干擾是指當粒子層處于真空狀態(tài)時,與外部環(huán)境形成壓力差,對顆粒產生擠壓作用,使粒子層內顆粒堆積變硬,從而提高軟體驅動器剛度的過程?；谡婵疹w粒干擾效應的柔性夾持裝置通常采用兩種典型結構,分別為全干擾型和部分干擾型。

其中,全干擾型夾持裝置用于夾持的驅動器僅由顆粒物及其外層的包裹膜構成,不含其他驅動結構。

在其抓取階段,首先在夾持器柔軟狀態(tài)下包裹住待抓取物品,隨后將整個夾持裝置抽真空,包裹膜內顆粒產生干擾效應,使剛度明顯增加,從而牢牢抓住物品;在其釋放階段,僅需在物品釋放點解除裝置的真空狀態(tài),則顆粒干擾效應消失,夾持器逐漸恢復柔軟狀態(tài),從而平穩(wěn)釋放物品。

幾種典型的全干擾型夾持裝置如圖4所示[20-23]。

圖4 幾種典型的全干擾型夾持裝置

圖4(a)中,顯示的是美國康奈爾大學和芝加哥大學聯合開發(fā)的一款基于顆粒干擾效應的夾持裝置,即一款典型的全干擾型夾持器[20-21]。

該裝置采用單一囊狀結構,在物品釋放階段使用了正壓,即包裹顆粒的膜內相對氣壓由負壓先升至零,之后繼續(xù)施加一定的正壓。與未施加正壓的系統(tǒng)相比,該措施使得夾持系統(tǒng)的可靠度提升了85%,容錯度提升了25%,對夾持物品施加的力減小了90%,從而更有利于保護易損的夾持物品,同時使工作空間和定位精度都有了一定的提升。

圖4(b)中,顯示的是美國羅德島大學海洋工程團隊開發(fā)的一款安裝在深海探測器上,用于抓取海底采樣物的柔性夾持裝置[22]。該夾持器同樣采用了內部包裹干擾顆粒的單一囊狀結構。為了適應海底的工作環(huán)境,其用于產生干擾效應的介質從空氣變成了液體,通過向囊內抽取或是充入液體,同樣可以達到改變夾持器剛度的目的。

圖4(c)中,顯示的是英國索爾福德大學的研究團隊研發(fā)的一款夾持裝置[23]。它選擇了大米作為產生干擾效應的顆粒,大米外側依次包裹了橡膠膜和編織層。該夾持裝置采用了類似手爪的結構,包含3個獨立的長條狀全干擾型驅動器。試驗結果表明:該夾持裝置在產生顆粒干擾效應之后,剛度從原先的21 N/m提升到了71 N/m。

部分干擾型夾持裝置,其產生干擾效應的部分僅作為用于改變夾持器剛度的一個部件,除此之外還包含使夾持裝置變形,并完成夾持動作的驅動部件。

重慶大學的研究團隊在傳統(tǒng)的氣驅型長條彎曲式軟體驅動器的基礎上,在原驅動器充氣彎曲的一側添加了用于產生顆粒干擾,從而改變了剛度的干擾層。

部分干擾型夾持裝置如圖5所示[24]。

圖5 部分干擾型夾持裝置

該干擾層長度和寬度都與原驅動器相同,具有一定的厚度,緊緊貼合在原驅動器彎曲的內側,其內部含有大量細小顆粒。添加了干擾層后的驅動器,外側的驅動層與內側的干擾層均有氣道引出,驅動層的氣道與氣泵相連,用于充氣產生彎曲變形;而干擾層的氣道則與真空泵相連,用于改變驅動器整體的剛度。

試驗結果表明:在相同驅動氣壓下,與未添加干擾層結構的手爪相比,基于該干擾層結構的軟體手爪可抓取重量更大的物體,抓取能力因此得到了顯著提升[24]。

外部壓力干擾是指包裹在特定干擾層內的顆粒在受到外部向其施加的壓力時,被動卡住使剛度提升的過程,如圖6所示[25-26]。

圖6 外部壓力干擾型夾持裝置

圖6(a)中,香港大學研發(fā)的一款夾持裝置中,同樣包含3個獨立的基于顆粒干擾效應的軟體驅動器;與文獻[24]不同的是,這3個驅動器的干擾層并沒有采用抽真空的方式使剛度發(fā)生變化,而是直接通過對應夾持物以及夾持力對包含顆粒的干擾層的反作用,使干擾層被動產生干擾效應,從而提升了夾持裝置的剛度[25]。

該系統(tǒng)結構相對簡單,無需真空發(fā)生裝置,且試驗結果表明,該裝置夾持重物的能力與部分干擾型夾持裝置差異不大。

圖6(b)中,燕山大學的研究團隊摒棄傳統(tǒng)手形夾持裝置的外觀,研制了一款基于外部壓力干擾的圓筒狀夾持裝置[26]。該夾持裝置的內壁和外壁柔軟,于底部相連,頂部與安裝在機械臂末端的法蘭連接,內外壁之間是層層相疊的,串成項鏈式的顆粒。當法蘭帶動內外壁發(fā)生相對轉動時,整個圓筒就會扭轉,擠壓中間的顆粒,產生干擾效應,從而夾緊圓筒內側的物品。

1.2.2 層干擾

層干擾與顆粒干擾的原理相似,其區(qū)別在于將用于產生干擾效應的顆粒物換成了層層相疊的薄膜,當層疊的薄膜受到擠壓作用時,會極大地增加各層薄膜之間的摩擦力,從而使得夾持器整體的剛度得到提升。

日本立命館大學利用整體3D打印技術研制了一款基于層干擾效應的可變剛度軟體驅動器[19]。該驅動器的結構類似于顆粒干擾中的部分干擾型驅動器,其外側為充氣彎曲的驅動層,內側為包含層疊結構的干擾層,如圖3(b)所示。當干擾層抽真空后,產生層干擾效應,可提升驅動器整體的剛度。用該驅動器制作的柔性手爪可以在較高速度以及加速度的情況下,穩(wěn)定地抓取物品。

西安交通大學的研究團隊利用薄膜間的靜電吸引作用來產生層干擾效應,并以此為基礎,設計了一款可變剛度軟體驅動器,如圖7所示[27]。

圖7 基于層干擾的夾持裝置

圖7中,用于產生干擾效應的薄膜層位于驅動層內側,外側的柔性驅動層表面包含限制膨脹變形的外骨骼結構。

試驗結果表明:在薄膜層數為5層,有效層疊干擾面積為6.4 cm2的情形下,驅動器的剛度在產生層干擾效應之后可提升為原來的7倍。

1.2.3 顆粒干擾與層干擾相結合

除了單一干擾形式,香港科技大學團隊還將最常見的兩種干擾形式—顆粒干擾和層干擾進行了整合,設計出了一款集兩種干擾效應于一體的變剛度軟體驅動器,為剛度可調式夾持裝置提供了新的研究方向和思路。

顆粒干擾與層干擾相結合型驅動器如圖8所示[28]。

圖8 顆粒干擾與層干擾相結合型驅動器

該驅動器仍為部分干擾型結構,驅動層與干擾層相互獨立。其中,驅動層由氣壓驅動,干擾層則同時包含顆粒部分與薄膜部分,與真空泵相連。

試驗結果表明:該驅動器在產生干擾效應后,剛度提升了5.52倍。利用該驅動器制作的手爪可以根據待抓取物品的實際情況,靈活選擇是否需要施加干擾效應,通過調節(jié)真空度來改變驅動器的剛度,以適應不同抓取需要[28]。

1.2.4 其他干擾形式

除了上述最常見的兩種干擾形式(顆粒干擾與層干擾)外,近期的一些研究成果還提出了一些其他類型的干擾形式,如新加坡國立大學提出的管狀干擾以及意大利比薩圣安娜大學提出的纖維干擾。

其他干擾型驅動器如圖9所示[29-30]。

圖9 其他干擾型驅動器

管狀干擾是指在干擾層中排布一系列柔軟的管路,在管路未充氣的情況下,干擾層呈現柔軟的狀態(tài);而當這些管路充氣時,就會發(fā)生膨脹,各條管路相互擠壓,就會產生干擾效應,從而使驅動器整體的剛度提升。

試驗結果表明:具有該干擾層結構的驅動器最大能夠承受其自身重量33倍的外力作用?；诶w維干擾的驅動器的基本結構是一束包裹在薄膜內的纖維束,通過在薄膜內抽取真空,使得纖維相互擠壓,達到提升驅動器剛度的目的,原理與顆粒干擾或層干擾相似。該研究也為干擾介質的選擇提供了一種新的思路。

基于干擾效應的結構是當前變剛度夾持裝置領域的研究熱點,其種類繁多,各類別之間存在一定的共性與差異。

以下,筆者就從干擾介質、結構特征、工作方式、典型實例4個方面,對上述幾種干擾結構進行對比和總結。

基于干擾效應的主要結構分類如表1所示。

表1 基于干擾效應的主要結構分類

相比于顆粒干擾,層干擾結構的干擾層內,由于層層相疊的膜與膜之間的接觸面積更大,可以更有效地利用可用的體積,產生更大的摩擦阻力,從而增大了剛度的變化范圍。但是其結構相對復雜,制造起來也比較麻煩。

其他干擾形式,如管狀干擾和纖維干擾,由于方案提出時間不長,已開展的研究工作有限,還未有應用于物體夾持的具體研究案例。但從已有的試驗數據可以看出,其剛度變化以及承力性能都能基本滿足變剛度夾持的需求,具有較好的發(fā)展與應用前景。

因其制造方便、結構和驅動方式靈活多樣等優(yōu)點,目前顆粒干擾被大多數研究者所使用,技術發(fā)展相對成熟,用來作為調節(jié)柔性夾持裝置剛度的有效手段。但同時也應注意到,顆粒干擾的干擾介質相比于其他干擾形式剛度更大,因而在其產生干擾效應后,夾持裝置整體的剛性也會相對較高,更易損傷被夾持物品。

1.3 內嵌低熔點合金或聚合物

這一類驅動器的結構與上述部分干擾型驅動器相似,彎曲變形的外側為充氣的驅動層,原內側的干擾層換成包含低熔點合金或是聚合物的內骨骼層。當加熱內骨骼層時,特定位置的低熔點合金或是聚合物就會受熱熔化,從而使其剛度下降,驅動器更易發(fā)生彎曲變形。而當解除加熱時,熔化的合金或是聚合物又會恢復成原先的固態(tài),使剛度提升、變形保持。

幾種典型的內嵌低熔點合金或聚合物的軟體驅動器如圖10所示[60-63]。

圖10 幾種內嵌低熔點合金或聚合物的軟體驅動器

圖10(a)和圖10(b)中,是北京航空航天大學和日本東京大學的研究團隊分別開發(fā)的一款基于低熔點合金的變剛度軟體驅動器[60-61]。在加熱后,兩款驅動器剛度分別降至原來的28.6%和30.3%。

圖10(c)中,是香港大學的團隊利用熱塑性聚氨酯研發(fā)的變剛度軟體驅動器。在加熱后,其剛度約是原來的1/6[62]。

圖10(d)中,是密歇根州立大學的團隊利用聚乳酸研發(fā)的驅動器,加熱后彈性模量下降了98.6%[63]。

由于合金或是聚合物的熔化和凝固都是一種相對緩慢的物理過程,因此,響應時間太長是這類變剛度軟體驅動器的最大缺陷。在上述幾種驅動器中,響應最快的也需加熱將近10 s,驅動器的剛度才能明顯下降。而達到如此的響應速度,還需要配合8 A左右的大電流用于加熱,這對設備和驅動器的絕緣以及耐熱性能的要求也較高。

此外,對于驅動層的硅膠類柔性材料,頻繁加熱會使其力學特性發(fā)生不可逆的轉變,柔性和彈性會逐漸降低,產生相同變形所需的氣壓會逐漸增大,硅膠表面易出現裂痕并最終開裂,大大縮短驅動器的使用壽命。

1.4 其他改變驅動器剛度的方法

除了利用上述的干擾效應以及低熔點合金或聚合物這兩種常見的方法來改變軟體驅動器的剛度外,還有一些其他的研究個例。

其他剛度可變型夾持裝置如圖11所示[65-67]。

圖11 其他剛度可變型夾持裝置

圖11(a)中,是美國內華達大學和卡內基梅隆大學的研究團隊通過在原軟體驅動器的側面增加腱結構,研發(fā)的一款可變剛度柔性夾持裝置[65]。貼合在其驅動器側面的腱由導電的熱塑性彈性體構成,通電加熱后的15 s內,其剛度會發(fā)生可逆性改變。

圖11(b)中,是英國索爾福德大學研究團隊開發(fā)的夾持裝置。其利用每個驅動單元本身充氣時產生的剛度變化,實現了驅動器整體剛度可變的目標[66]。充氣變硬后,該夾持裝置能夠夾起自身重量6.9倍的物品。

圖11(c)中,是美國德克薩斯A&M大學的學者開發(fā)的一種關節(jié)剛度可變型夾持裝置[67]。該夾持裝置包含3個獨立的軟體驅動器,每個驅動器包含3個軟體指節(jié)與2個可變剛度氣動關節(jié)。當關節(jié)部位充氣時,該驅動器整體剛度就會得到提升。

綜上所述,當今國內外關于變剛度柔性夾持裝置結構的研究主要集中在基于干擾效應這一結構基礎上,其中又以顆粒干擾和層干擾為研究主流。

另外,還有一些較為新穎的干擾方式于近年來被提出(例如管狀干擾和纖維干擾),為干擾效應結構提供了新的研究思路和方向。

除了基于干擾效應的結構,包含內骨骼或外骨骼的結構以及內嵌低熔點合金或聚合物的結構也被部分研究者采用,其同樣也是變剛度柔性夾持裝置結構的重要研究方向。

在柔性夾持領域,各種結構類型同時存在著優(yōu)勢與不足之處。

變剛度柔性夾持裝置常見結構對比如表2所示。

表2 變剛度柔性夾持裝置常見結構對比

2 變剛度柔性驅動器建模與控制

由于變剛度柔性驅動器結構復雜,理論建模難度較大,當前學界關于變剛度機理的研究大多還是依靠仿真和試驗的方法來完成,如利用有限元、離散元等方式進行仿真分析,并基于試驗數據,采用曲線擬合等方式建立近似理論模型[68-69]。

利用上述研究方法,雖然能在一定程度上揭示變剛度柔性驅動器在工作過程中變形以及剛度變化的機理,但仍缺乏足夠的理論支撐,其普適性不強。

從近期的研究成果來看,已經有研究者開始關注變剛度柔性驅動器的理論建模問題。相關團隊基于力學原理,建立了描述驅動器彎曲彈性模量與干擾顆粒摩擦角、干擾層內外氣壓差以及干擾層包裹薄膜彈性模量等因素之間關系的解析模型。該模型可有效預測基于顆粒干擾效應的驅動器在不同結構與工作參數下的彎曲變形以及剛度變化的能力,在變剛度柔性驅動器的設計過程中,減少試驗研究的工作量[70]。

然而,該模型雖能大致預測驅動器剛度變化的能力,但精度仍然偏低,特別是在干擾層內外氣壓差較小時,其理論模型與實際試驗的相對誤差達到近20%。

此外,該模型僅考慮了單因素對驅動器剛度的影響,而在實際中,驅動器的剛度變化是多因素耦合影響的結果。

與普通軟體驅動器一樣,目前變剛度柔性驅動器仍然缺少類似于傳統(tǒng)剛性機器人的成熟普適的控制理論,現有的控制方法大多是根據特定的驅動器或是實際需求而設計開發(fā)的。同時,也正由于其自身控制理論的不成熟,作為末端執(zhí)行器的變剛度柔性夾持裝置與現有成熟的機械臂產品之間的配合與協同控制研究也少有涉及。

3 結論與展望

從目前國內外關于變剛度柔性夾持裝置的研究現狀來看,大多數學者選擇利用干擾效應來調節(jié)作為夾持臂的軟體驅動器的剛度,通過設計不同的驅動器整體結構或是干擾層內部結構,來實現變剛度抓取的目的。然而在現階段國內外的研究中,該領域仍存在著一些尚待深入研究的關鍵問題。

首先,對干擾效應變剛度機理的定量分析和理論建模尚待深入研究。在當今國內外關于變剛度軟體驅動器的大量研究中,主流方向是對驅動器整體結構及其驅動方式的研究與創(chuàng)新,鮮有學者對干擾結構產生干擾效應的過程和機理進行深入的分析研究,例如顆粒干擾效應中驅動層正壓、干擾層負壓、包裹顆粒的膜材料、顆粒材料以及顆粒的形狀尺寸等因素對驅動器剛度的影響。

倫敦國王學院的研究團隊研究了5種不同包裹膜對顆粒干擾效應中驅動器的柔性和剛性的影響,結果表明,聚乙烯薄膜可以提供最高的剛度,而乳膠薄膜柔性更佳,能承受較大的剛度變化范圍[71]。德國埃爾朗根-紐倫堡大學與芬蘭阿爾托大學的研究團隊均發(fā)現:相比于純剛性的干擾顆粒,包含具有一定柔性顆粒的夾持裝置能夠提供更大的夾持力[37,42]。約旦扎伊托納大學的研究團隊通過試驗發(fā)現:適當加大干擾顆粒的大小,并在干擾層內添加少量水,可以有效提高夾持裝置的夾持力[36]。然而,芬蘭阿爾托大學的研究又給出了相反的結論:即在其他條件相同的情況下,干擾顆粒更小的夾持裝置反而能提供更大的夾持力[42]。

總體而言,上述這些研究僅從試驗的角度定性地闡述了包裹膜、干擾顆粒等因素對產生干擾效應的驅動器剛度以及夾持力的影響,未有進一步的定量分析和理論建模;同時,由于研究角度、試驗方法等的差異,研究中還出現了相反的結果,這些問題與不足都需要通過后續(xù)的研究來進一步解決。

此外,對于常見的氣驅式變剛度驅動器,其剛度的變化往往是多重因素疊加影響的結果。因此,有必要研究氣壓驅動與干擾效應所包含的多重因素之間的耦合效應對驅動器剛度的綜合影響,以便更有效地優(yōu)化驅動器的結構參數和工作參數。

其次,變剛度柔性夾持裝置的協同控制機理問題尚待進一步研究。目前,國內外的相關研究大多局限在原理機的設計與開發(fā),大多未有預設的具體應用場合,因而在研究中缺乏針對具體問題的解決方案,如許可夾持力的大小、夾持臂張開與收縮的幅度大小以及作為末端執(zhí)行器的夾持裝置與機械臂的協同控制問題等。

雖然部分研究[19,26]涉及與機械臂的銜接并可完成一些簡單的夾持動作,但并未形成完整成熟的控制理論及策略。有必要設計并建立一套完整且成熟的控制系統(tǒng),以理論模型與試驗數據為基礎,一方面可根據不同夾持對象,對夾持力、夾持臂張開幅度等參數進行靈活反饋與控制,以實現多用途的可靠夾持;另一方面,可與現有機械臂無縫銜接,進行協同配合工作,以實現穩(wěn)定高效的夾持[72]。

最后,變剛度柔性夾持裝置的可靠性和壽命問題尚待研究。由于柔性材料的力學特性受工作環(huán)境和時間的影響較大,在不同工況條件下,一些柔性材料(如硅膠、橡膠等)的力學特性(如硬度、延展性等)都會存在較大的差異,且會隨著使用時間和頻次的增加,產生不可逆的改變。因此,對變剛度柔性夾持裝置可靠性和壽命的研究是保證其長期穩(wěn)定工作的重要前提。

當前,對于變剛度柔性夾持裝置的研究是軟體驅動器領域的一個熱門方向。國內外許多學者都創(chuàng)新地提出了各種實現剛度可變可調的結構和方法,也對驅動器的建模與控制進行了初步探索。但針對上述關鍵問題的研究,目前仍存在大片的空白,需在以后的研究中進行填補,逐步完善。

作為傳統(tǒng)純剛性與新型純柔性夾持裝置的一條“中間道路”,變剛度柔性夾持裝置兼?zhèn)淞藙傂耘c柔性夾持裝置的優(yōu)點,做到了“剛柔并濟”,在工農業(yè)自動化生產、醫(yī)療康復等領域具有廣闊的應用前景。

同時,對變剛度柔性夾持裝置的創(chuàng)新研究,也符合我國“十四五”規(guī)劃中關于“推動制造業(yè)高端化智能化,推動機器人、工程機械、醫(yī)療設備等產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展”的總體要求,因而其發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>