基于FSR嵌入的智能泡沫在氣動(dòng)夾爪的應(yīng)用*

吳 凡，李東亞，楊文振，徐嘉文，劉 禹，蘆 艾

（1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.中國工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽 621900）

0 引 言

夾爪是一種用于抓放或操作物體的重要設(shè)備，根據(jù)其驅(qū)動(dòng)方式一般可以分為電動(dòng)和氣動(dòng)兩種類型［1］。利用夾爪控制與易損物體之間的接觸力是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)的任務(wù)，夾爪既需要能感知夾持狀態(tài)，還能維持一定恒力以保證能安全地夾持易損物體。在與物體的接觸力控制方面，電動(dòng)夾爪由于可以通過電機(jī)控制夾爪手指位置和速度而更加精確，但其價(jià)格昂貴。相同尺寸下，夾持力遠(yuǎn)小于氣動(dòng)夾爪，且存在執(zhí)行速度慢、發(fā)熱等問題。所以，實(shí)際在工業(yè)應(yīng)用中，氣動(dòng)夾爪更受青睞。而一般的氣動(dòng)夾爪缺乏夾持力檢測(cè)，不能很好利用氣壓對(duì)夾爪進(jìn)行力的穩(wěn)定控制。通常，可以利用機(jī)械結(jié)構(gòu)或傳感器及反饋控制來進(jìn)行解決，如Chen C C等人［2］設(shè)計(jì)一種恒力機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)節(jié)墊片厚度進(jìn)行調(diào)控恒力值的大小，不需要使用任何傳感器和反饋控制，但夾爪并不能監(jiān)測(cè)到物體的夾持狀態(tài)。Ottaviano E等人［3］在手指氣缸上安裝力傳感器進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，但其夾爪手指指尖是剛性結(jié)構(gòu)，不能保證安全地夾持表面不平的物體。Saadatzi M N等人［4］設(shè)計(jì)的一種安裝在氣動(dòng)夾爪指尖的柔性應(yīng)變傳感器，利用傳感器數(shù)據(jù)反饋可以控制力的大小，但其測(cè)量范圍相對(duì)較小，不超過2 N。

目前也有著一些商業(yè)的觸覺傳感器，如基于壓阻效應(yīng)的力敏電阻器（force sensitive resistor，F(xiàn)SR）。FSR有著許多的優(yōu)點(diǎn)，包括成本低、魯棒性好、測(cè)力范圍大、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、節(jié)能、易于維護(hù)和尺寸?。?］，可以用來檢測(cè)指力［6］，控制假肢抓握力［7］，或監(jiān)測(cè)足底壓力［8］等。但是，F(xiàn)SR 也存在一些缺點(diǎn)。首先，如果FSR 直接與物體進(jìn)行接觸，在使用過程中可能容易磨損；其次，F(xiàn)SR與施加在有效區(qū)域的力的分布情況非常敏感，往往需要在有效區(qū)域有著集中且均勻的壓力才能保證其可靠使用［9］。通常，在應(yīng)用中，F(xiàn)SR上安裝如塑料板［10］或半球形的橡膠［11］等以均勻分散施加的力。但是這些連接FSR的材料或結(jié)構(gòu)，并不柔順，不能很好地保護(hù)物體。而硅橡膠由于其生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)而成為常用的柔性基底材料［12］，可以利用硅橡膠制備用于連接FSR且具有一定柔性的結(jié)構(gòu)。

本文利用簡(jiǎn)單、低成本的直書寫3D 打印方式將FSR嵌入具有規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)的硅橡膠中得到智能泡沫，并安裝在氣動(dòng)夾爪指尖，能夠預(yù)估夾持力，且當(dāng)氣壓超過閾值后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，可以保證夾持力的恒定，從而避免由于氣壓不穩(wěn)定而損壞物體的情況發(fā)生。

1 智能泡沫的制備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

所使用的硅橡膠材料和固化劑、緩固劑（3-丁炔-1-醇）質(zhì)量配比為100∶10∶1，放入行星攪拌機(jī)（ZYMC-180 V，ZYE）內(nèi)充分?jǐn)嚢瑁O(shè)置轉(zhuǎn)速1500 r／min，時(shí)間3 min；再將漿料放入針筒內(nèi)，離心轉(zhuǎn)速5000 r／min，時(shí)間5 min，去除氣泡。所使用的商用FSR（IMS-C10 A，I-Motion）為圓形結(jié)構(gòu)，有效傳感直徑為10 mm，總直徑為16 mm，標(biāo)稱量程為0.05 ～2 kg。

1.2 制備過程

將裝有均勻混合后的漿料的30 mL針筒安裝在三軸線性運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的Z 軸平臺(tái)上，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度為±5 μm，重復(fù)定位精度為1 μm。將內(nèi)徑為400 μm 的針嘴固定在針筒上。

如圖1（a），所制備的硅橡膠結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)單立方體結(jié)構(gòu)，其層間組成為ABABAB…，A 層與B 層的圓柱體相互垂直［13］。通過控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的三軸位置，可以控制硅橡膠的沉積路徑，利用氣壓模塊將漿料從針筒中擠出。在室溫下進(jìn)行打印，設(shè)置打印速度為10 mm／s，線間距為4 mm，長寬均為20 mm，氣壓為200 kPa。

圖1 智能泡沫制備過程

制備過程如圖1 所示：首先，在基底上打印20 層的簡(jiǎn)單立方體結(jié)構(gòu)；然后，將FSR輕放在其上，繼續(xù)打印同樣的硅橡膠結(jié)構(gòu)，保證層數(shù)相同；打印完成后，放入烘箱進(jìn)行固化?？紤]到商用傳感器正常工作的溫度范圍，所使用的固化溫度為60 ℃，固化時(shí)間為10 h。

2 智能泡沫的表征與標(biāo)定

2.1 尺寸與質(zhì)量

如圖2所示，得到的智能泡沫由硅橡膠結(jié)構(gòu)和被嵌入其中的FSR組成。利用光學(xué)顯微鏡（Leica DVM6 A，Leica Microsystems GmbH）測(cè)量線間距，鋼尺測(cè)量樣品的高度和矩形區(qū)域的長寬，分析天平測(cè)量總體質(zhì)量，測(cè)量信息如表1。

表1 智能泡沫尺寸和質(zhì)量

圖2 制備得到的智能泡沫

2.2 力學(xué)性能

在萬能材料試驗(yàn)機(jī)（GJ211S，Qing Ji）上對(duì)智能泡沫進(jìn)行了3次單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。由于馬林斯效應(yīng)，在第2、3 加載階段應(yīng)力會(huì)變小。智能泡沫單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示?？梢詮膱D3中看出：智能泡沫的壓縮過程存在3 個(gè)階段，分別是彈性階段、應(yīng)力平臺(tái)區(qū)以及密實(shí)區(qū)。在線彈性階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變線性增長，直到達(dá)到峰值，約0.04 MPa，此時(shí)壓力約為16 N。隨后進(jìn)入了第2個(gè)階段，即平臺(tái)區(qū)，在該階段隨著應(yīng)變?cè)鲩L，硅橡膠結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性屈曲，應(yīng)力基本維持在一個(gè)穩(wěn)定階段。達(dá)到某一應(yīng)變后，應(yīng)力迅速上升，硅橡膠線條緊密接觸，進(jìn)入了密實(shí)化階段。正是由于智能泡沫存在應(yīng)力平臺(tái)區(qū)，可以保證應(yīng)變?cè)黾佣鴳?yīng)力基本不變。

圖3 智能泡沫單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 標(biāo) 定

智能泡沫在使用前，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定環(huán)境應(yīng)與最終應(yīng)用的場(chǎng)景緊密相關(guān)，所以直接在手指氣缸上進(jìn)行標(biāo)定。一般而言，F(xiàn)SR的電導(dǎo)和壓力呈近似線性關(guān)系，所以本文對(duì)智能泡沫的電導(dǎo)和壓力進(jìn)行標(biāo)定。

標(biāo)定系統(tǒng)的示意及實(shí)物分別如圖4、圖5，使用的手指氣缸（MHZL2-20D，ZPCAC）可以通過換向閥（4V310-10，AirTAC）改變進(jìn)氣方向?qū)崿F(xiàn)開閉，在夾爪手指之間放置彈簧，便可以通過控制氣壓，調(diào)控氣缸的行程。利用SMC 比例閥（ITV2050-31F2L，SMC）控制氣壓，對(duì)智能泡沫輸出一系列壓力值。將壓力傳感器（ZNLBS-50KG，CHINO SENSOR）安裝在氣缸手指上，將其采集的壓力數(shù)據(jù)用于標(biāo)定。利用數(shù)字萬用表（34465A，Keysight）采集智能泡沫輸出的電阻，壓力變送器采集壓力信號(hào)。PC 上利用C＃編寫的上位機(jī)與數(shù)字萬用表USB通信，與壓力變送器和氣壓模塊串口通信。

圖4 標(biāo)定系統(tǒng)示意

圖5 標(biāo)定裝置實(shí)物

由于應(yīng)力平臺(tái)區(qū)的初始?jí)毫s16 N，將16 N以后的一段區(qū)間認(rèn)為是保護(hù)區(qū)域，即智能泡沫在此階段下發(fā)生一定形變?nèi)阅鼙ＷC壓力基本不變。正常使用的線性區(qū)應(yīng)在應(yīng)力平臺(tái)前面。如圖6（a）所示，標(biāo)定過程中壓力在2 N左右，電阻值突然下降為1 MΩ 左右，此時(shí)對(duì)應(yīng)的力為智能泡沫能測(cè)量的最小值。為了穩(wěn)定性考慮，選擇的智能泡沫的工作區(qū)間為4 ～12 N。對(duì)智能泡沫標(biāo)定過程重復(fù)3 次，從圖6（b）中可以看出，其重復(fù)性較好，線性擬合得到的R2達(dá)到0.963 1。

3 智能泡沫預(yù)估力與維持恒力

利用智能泡沫估測(cè)手指氣缸的夾持力，并與真實(shí)力進(jìn)行對(duì)比。此外還將智能泡沫和FSR 進(jìn)行對(duì)比。如圖7 所示，將智能泡沫和FSR分別粘接在手指氣缸。

圖7 手指氣缸分別安裝FSR和智能泡沫

調(diào)節(jié)氣壓從100 kPa 開始，步長為10 kPa，增加至600 kPa，同時(shí)記錄氣壓值、壓力值以及電阻值。利用電阻值和標(biāo)定得到的公式，預(yù)估出夾持力。如圖8（a）所示，在4 ～12 N的測(cè)量范圍內(nèi)，智能泡沫誤差不超過1.5 N。如圖8（b），氣壓在450 ～560 kPa 范圍內(nèi)，智能泡沫的夾持力幾乎不變，維持在約14.6 N。而使用FSR 的情況，由于沒有應(yīng)力平臺(tái)，隨著氣壓的不斷增加，夾持力一直在增大。

圖8 智能泡沫預(yù)估力及與FSR對(duì)比

4 結(jié) 論

本文利用直書寫3D打印方式將FSR嵌入在一定規(guī)則結(jié)構(gòu)的硅橡膠中，得到了具有傳感功能的智能泡沫。并在手指氣缸上對(duì)智能泡沫進(jìn)行標(biāo)定，確定其工作范圍為4 ～12 N，其電導(dǎo)和壓力線性相關(guān)，利用得到擬合方程進(jìn)行預(yù)估夾持力，誤差不超過1.5 N。并且當(dāng)氣壓在450 ～560 kPa內(nèi)波動(dòng)時(shí)，能維持夾持力在14.6 N。而未嵌入硅橡膠的FSR的壓力則一直隨著氣壓增大而增大，證明了智能泡沫一定程度上能夠保護(hù)物體。