基于熱縮材料的氣動柔性機器人轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

梁耀升，劉曉偉，彭群家

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215000)

0 前言

近幾十年來，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，以及自動控制、工業(yè)制造、機器人形態(tài)學(xué)等方面技術(shù)的不斷進步，機器人在人類社會中扮演著越來越重要的角色。氣動柔性機器人相對于傳統(tǒng)的剛性連接機器人，具有質(zhì)量輕、效率高、無污染、環(huán)境適應(yīng)性強、無需元件驅(qū)動、沒有活動部件、具有良好的柔韌性等特點，在強輻射、電磁干擾、粉塵等惡劣條件下?lián)碛休^好的可靠性[1]，這使得柔性機器人在醫(yī)療、救援、探索、探測等領(lǐng)域越來越受到重視，并展現(xiàn)了巨大的發(fā)展?jié)摿2-3]。

與傳統(tǒng)的剛性機器人相比，柔性機器人缺乏驅(qū)動元件和活動部件，導(dǎo)致柔性機器人的運動和轉(zhuǎn)向成為機器人設(shè)計的重點和難點。圍繞著柔性機器人的運動和轉(zhuǎn)向，國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究。HARIGAYA等[4]設(shè)計了仿照蚯蚓運動姿態(tài)和外形的柔性管道機器人應(yīng)用于復(fù)雜的小型管道，通過調(diào)節(jié)波紋管式人造氣動肌肉的氣壓實現(xiàn)收縮和伸展運動，以達到轉(zhuǎn)向彎曲的目標。VERMA等[5]設(shè)計一種氣動管道機器人，機器人本體由屈曲氣動執(zhí)行器組成，在周期性氣壓的驅(qū)動下，可以在不同直徑的管道內(nèi)實現(xiàn)爬行及直角轉(zhuǎn)彎功能；MOSADEGH 等[6]設(shè)計一種具有多個獨立彈性氣囊沿著軸向分布的柔性彎曲驅(qū)動器，每個氣囊與中空的通道相連，當驅(qū)動器充氣時各彈性氣囊發(fā)生膨脹，在所有彈性氣室的膨脹作用下，柔性彎曲驅(qū)動器向著未充氣一側(cè)彎曲實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。BRANYAN等[7]基于立體剪紙技術(shù)設(shè)計一種仿蛇軟體機器人，即在聚酯塑料上切割出鱗片圖案，然后將其覆蓋在由氣腔和玻璃纖維限制層組成的柔性彎曲驅(qū)動器上，當驅(qū)動器充氣膨脹彎曲時，外側(cè)的立體剪紙也發(fā)生明顯彎曲，與地面產(chǎn)生的摩擦力可以使機器人轉(zhuǎn)彎前進。胡兵兵、金國慶[8]模仿虎甲幼蟲的形態(tài)與運動姿態(tài)設(shè)計一種軟體機器人，機器人本體由頭部、頸部和尾部3個部分組成，在運動時對頸部和尾部的彎曲驅(qū)動器和多腔體驅(qū)動器進行充放氣循環(huán)，它可以在一個充放氣周期內(nèi)轉(zhuǎn)彎15°。姚建濤等[9]設(shè)計一種輪足式軟體機器人，該軟體機器人由圓形氣腔結(jié)構(gòu)和底部的單向輪組合而成，當左、右兩側(cè)的氣腔充入相同壓力的氣體時，機器人能夠完成向前直線運動；當左、右兩側(cè)的氣腔充入不同壓力的氣體時，機器人能夠?qū)崿F(xiàn)左、右轉(zhuǎn)彎運動。蔣程、裴澤光[10]設(shè)計一種基于織物/折紙復(fù)合材料的仿蠕蟲管道軟體機器人，其中PVC涂塑尼龍機織物與折紙結(jié)構(gòu)分別用作機器人的皮膚和骨骼；機器人兩端設(shè)有錨定器，錨定器表面附著用于加強錨定作用的硅膠塊；機器人中段采用類似風(fēng)箱結(jié)構(gòu)的主體段連接，實現(xiàn)蠕動前進。韓奉林等[11]仿生設(shè)計并制造了一種仿尺蠖軟體機器人，該機器人主要由變形腔體和吸附腔體組成，變形腔體充氣和放氣配合吸附腔體的交替吸附，實現(xiàn)了機器人的前進和爬坡運動。王宇軒等[12]提出一種新穎的具備多地形運動能力的雙模塊軟體機器人，每個軟體模塊由四氣室全向彎曲軟體氣動驅(qū)動器組成，能夠沿圓形管道、方形管道及不規(guī)則桿狀物(人體小臂)進行垂直攀爬運動，爬行速度能夠達到11.7 mm/s。宋懋征等[13]仿照蠕蟲運動機制，利用自主研發(fā)的徑向膨脹和軸向伸縮軟體驅(qū)動器，研制一種蠕動式氣動軟體管道機器人，該機器人具有較好的靈活性和適應(yīng)性，可在一定直徑范圍的管道內(nèi)自由爬行，爬行最大運動速度可達4.64 mm/s，載質(zhì)量能力為1 000 g。李朋春等[14]提出一種氣壓驅(qū)動的仿“藤蔓”生長型軟體機器人，通過內(nèi)部氣壓驅(qū)動的薄膜尖端外翻實現(xiàn)其生長，并利用線驅(qū)動轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié)實現(xiàn)機器人的尖端轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)了主動控制下可調(diào)的連續(xù)轉(zhuǎn)向。氣動柔性機器人經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了眾多的研究成果與突破，通過控制轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的氣壓差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。但是，這類機器人應(yīng)用于水下或者長距離探測時，由于外界壓力的變化以及輸氣管的耗損，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)向效率大幅度降低，制約其大規(guī)模應(yīng)用。

本文作者設(shè)計一種充氣臂式主動轉(zhuǎn)向柔性機器人，對氣動柔性機器人轉(zhuǎn)向機構(gòu)和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進行設(shè)計并進行實驗驗證。這項研究對氣動柔性機器人的轉(zhuǎn)向運動控制具有重要的指導(dǎo)與借鑒意義。

1 氣動柔性機器人轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)與功能

設(shè)計的氣動柔性機器人主要由帶膜構(gòu)成的柔性充氣臂、機器人端部工裝和熱縮膜組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。帶膜從端部工裝中心孔穿過并外翻回到氣源箱體，在氣源充氣作用下，帶膜構(gòu)成的柔性充氣臂徑向膨脹外翻延展，機器人實現(xiàn)向前移動，如圖1(a)所示。當前方出現(xiàn)彎道需要轉(zhuǎn)向時，由溫控芯片對轉(zhuǎn)向端加熱塊進行通電致熱；加熱塊發(fā)熱后，對應(yīng)區(qū)域的熱縮膜收縮，牽連迫使充氣臂薄膜同時收縮，使兩側(cè)充氣袋膜的展開長度不一致，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，如圖1(b)所示。

圖1 氣動柔性機器人結(jié)構(gòu)

機器人端部工裝上安裝有加熱裝置、阻力塊和特氟龍滾輪，如圖2所示。采用直徑為1.75 mm的PLA絲材通過FDM 3D打印制備。

圖2 機器人端部

1.2 材料選擇

1.2.1 充氣梁袋膜材料

氣動柔性機器人一般不易受到碾壓重擊的損害，但是卻難以抵抗穿刺破壞。而穿刺破壞對氣動軟體機器人具有致命威脅，一旦破損其驅(qū)動性能會大幅下降甚至喪失，所以選擇具有較高的強度、韌性、耐褶皺、耐刺穿、較小的摩擦因數(shù)等性能的高分子材料作為氣動柔性機器人的帶膜。本文作者參考GB/T 37841—2019《塑料薄膜和薄片耐穿刺性測試方法》，實驗樣件選取9種不同厚度和材料的帶膜，實驗樣件如表1所示，切割成為φ90 mm的圓，每組制備8個試樣，選取其中3組結(jié)果并取最大穿刺力平均值。

表1 實驗樣件

耐穿刺力實驗裝置如圖3所示，主要由鋼針固定裝置、試樣固定環(huán)組成。試樣固定在兩個夾持環(huán)之間，穿刺針以恒定的速率垂直頂刺試樣中心位置，記錄試樣穿刺時承受的負荷，得到的不同材料的最大穿刺力如圖4所示。

圖3 帶膜穿刺實驗工裝

圖4 不同材料最大穿刺力圖像

從圖4可以看出：0.02 mm厚的POF材料的抗刺穿性能最好?？紤]到氣動柔性機器人是通過帶膜外翻實現(xiàn)運動。因此，帶膜材料的選取除了要考慮抗刺穿能力以外還需要考慮材料的自潤滑性，使其外翻流暢。綜合考慮后，帶膜選擇0.08 mm厚度的PE材料膜。

1.2.2 熱縮膜材料

氣動柔性機器人的轉(zhuǎn)向工作原理是：熱收縮膜貼敷于袋膜內(nèi)側(cè)，當需要轉(zhuǎn)向時，由溫控芯片對轉(zhuǎn)向端加熱塊進行通電致熱；加熱塊發(fā)熱后，促使對應(yīng)區(qū)域的熱縮膜收縮，使得兩側(cè)袋膜伸出長度不一致，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。因此，熱縮膜的熱縮率對于柔性機器人的轉(zhuǎn)向有顯著影響。對比市面上現(xiàn)有的幾種不同厚度和寬度的PVC熱縮膜進行熱收縮實驗，實驗樣件如圖5所示，測試結(jié)果如表2所示。對比表2中熱縮率的結(jié)果，選取厚度為0.075 mm、寬度為20 mm的PVC作為熱縮膜。

表2 PVC材料熱縮實驗結(jié)果

圖5 熱縮前(a)、后(b)試樣

PVC熱縮材料在高于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度后會有明顯的熱縮效果，但是加熱時在一定拉力作用下，PVC熱縮膜出現(xiàn)了延長現(xiàn)象，所以采取加熱轉(zhuǎn)向時排氣降低充氣臂內(nèi)壓力、然后再充氣的這種循環(huán)操作，但是充氣壁內(nèi)的氣體始終無法排盡。所以要對帶載作用下的熱縮膜拉力進行測試，測試出不同寬度熱縮膜在不同拉力下的熱縮率。軸向力計算按式(1)計算：

F=(πR2p)/4

(1)

其中：F為筒膜內(nèi)軸向力，N；p為筒膜內(nèi)壓，MPa；R為筒膜直徑，mm。

實驗采用拉力計對幾種不同寬度熱縮膜進行加熱條件下的拉力測試，實驗裝置如圖6(a)所示，實驗后樣件如圖6(b)所示。排除了幾組熱縮不明顯和加熱時被拉長的數(shù)據(jù)實驗結(jié)果如圖7所示，可以看出：溫度在80 ℃以上時，熱縮效果會有明顯的提升。且寬度要在10 mm以上才會有更好的熱縮效果，所以選擇寬度為20 mm的熱縮膜，其熱縮率可以達到5%以上。

圖6 加熱測試

圖7 拉力作用下不同溫度熱縮率結(jié)果

2 氣動柔性機器人轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 算法

氣動柔性機器人在復(fù)雜環(huán)境中的靈活性是其和傳統(tǒng)剛性機器人相比最大的優(yōu)勢，其中轉(zhuǎn)向靈活性是氣動柔性機器人設(shè)計的關(guān)鍵。文中提出的柔性機器人，采用了機器人頭部引導(dǎo)的方法實現(xiàn)氣動柔性機器人在復(fù)雜環(huán)境中的轉(zhuǎn)向控制功能。其轉(zhuǎn)向運動示意如圖8所示。距離三通L(單位：m)處開始加熱轉(zhuǎn)向，在前進距離L1時機器人頭部和管壁接觸。

圖8 轉(zhuǎn)向策略

前進至L1處熱縮側(cè)帶膜長度通過公式(2)計算：

(2)

未熱縮側(cè)前進L1距離熱縮側(cè)帶膜長度通過公式(3)計算：

(3)

熱縮長度ΔL通過公式(4)計算。

(4)

其中：n為轉(zhuǎn)向角度，(°)；R為機器人頭部直徑，mm。

前進距離L1時機器人頭部和管壁接觸后，繼續(xù)熱縮直至頭部進入三通，并且和三通夾角為45°，可以在通過三通后在管道內(nèi)順利運行。

2.2 控制系統(tǒng)

氣動柔性機器人轉(zhuǎn)向功能控制系統(tǒng)框圖如圖9所示，整個系統(tǒng)由上位機、2個驅(qū)動器、2個步進電機、前端加熱控制模塊和8個加熱塊組成。上位機、驅(qū)動器、前端加熱控制模塊通過RS485進行組網(wǎng)通信，然后由上位機發(fā)送指令控制電機的轉(zhuǎn)動與加熱塊的溫度。

圖9 整體控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用LabVIEW編制上位機軟件，2個驅(qū)動器都采用RS485總線型步進驅(qū)動器；采用57H2112步進電機，其扭矩為3.5 N·m，機身長度123 mm，質(zhì)量1.7 kg。前端加熱控制器以STM32F103C8T6為控制核心，通過與SP3485EN-L/TR通信芯片、TPS5430DDAR降壓芯片、TLP521-1晶體管輸出光電耦合器、TXD2SS-24V-3繼電器配合進行工作。單片機接收上位機的控制信號，然后控制對應(yīng)的繼電器工作，實現(xiàn)對應(yīng)加熱通道的打開與關(guān)閉，加熱溫度用繼電器打開與關(guān)閉的時間進行控制。前端加熱控制器原理如圖10所示，實物如圖11所示。由于前端加熱控制器需要與轉(zhuǎn)向前端進行配合，而且前端空間較小，所以電路板設(shè)計為雙層板，形狀設(shè)計為環(huán)形。柔性機器人控制箱如圖12所示。

圖10 前端加熱控制器原理

圖11 前端加熱控制器實物

圖12 硬件系統(tǒng)整體

為了減輕前端質(zhì)量與線的數(shù)量，加熱模塊沒有安裝溫度傳感器，加熱片溫度通過控制加熱時間與保溫時間占空比實現(xiàn)。加熱目標溫度為80 ℃，溫度控制所需的時間、占空比參數(shù)由實驗測得，加熱塊溫度控制實驗數(shù)據(jù)如表3所示?？芍簽榱耸箿囟瓤刂圃?0 ℃，需要將加熱片通電36 s，然后將加熱器接通與斷開的占空比設(shè)置為0.072，基本可以保證溫度維持在80～85 ℃。

表3 加熱塊溫度控制實驗數(shù)據(jù)

上位機程序通過LabVIEW進行編寫，設(shè)計控制界面與部分程序如圖13—14所示，主要分為5個部分：串口設(shè)置、當前位置顯示、卷膜電機控制、電纜電機控制、加熱控制。串口設(shè)置用來配置485通信參數(shù)，電機控制主要控制電機速度調(diào)節(jié)、電機轉(zhuǎn)向與電機停止。加熱控制主要包括加熱的方向與加熱啟動與停止。

圖13 控制界面

圖14 上位機部分控制程序

3 氣動柔性機器人原型加工

根據(jù)上述設(shè)計，課題組加工制作了氣動柔性機器人，其實物如圖15所示。其箱體長度約為860 mm、寬度為860 mm、厚度為15 mm，機器人頭部長度為160 mm，最大直徑為140 mm。

圖15 氣動柔性機器人實物

和傳統(tǒng)剛性機器人采用數(shù)量固定的剛性關(guān)節(jié)和連桿驅(qū)動運動的方式不同，氣動柔性機器人基于端部工裝的引導(dǎo)，在運動中由于不斷加熱，造成不同加熱位置出現(xiàn)的熱縮現(xiàn)象，導(dǎo)致類似于傳統(tǒng)剛性機器人的關(guān)節(jié)和連桿數(shù)量一直在不斷發(fā)生變化。這種現(xiàn)象不斷組合在一起，就使得充氣壁加熱一側(cè)形成了一條圓弧狀的彎曲，在氣動柔性機器人的端部引導(dǎo)下整體就發(fā)生了轉(zhuǎn)向運動，如圖16所示。

圖16 氣動柔性機器人轉(zhuǎn)向

4 總結(jié)

本文作者制作了一種具有轉(zhuǎn)向功能的氣動柔性機器人，并對其端部執(zhí)行機構(gòu)進行了建模設(shè)計、對充氣壁材料和熱縮膜材料進行了實驗選擇。根據(jù)實驗結(jié)果，充氣壁帶膜選擇0.08 mm厚的PE筒膜，熱縮膜選取厚度0.075 mm、寬度20 mm的PVC熱縮膜，并選擇熱縮溫度為80 ℃。提出氣動柔性機器人在T形彎管中通過加熱熱縮膜收縮、柔順過彎的轉(zhuǎn)向策略，最后通過實驗驗證了文中所提轉(zhuǎn)向策略的有效性。未來，將繼續(xù)提升機器人的智能化，搭載更多微型探測器，提高氣動柔性機器人對陌生環(huán)境的感知能力，對運用熱縮轉(zhuǎn)向策略氣動柔性機器人的移動速度、運行精確度及轉(zhuǎn)向成功率進行分析。