楊 麗，朱云飛，葉會(huì)見(jiàn)，姜利祥，邵文柱

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3. 浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310014）

0 引言

隨著空間技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在軌服務(wù)與維護(hù)的需求越來(lái)越迫切?？臻g機(jī)械臂技術(shù)是在軌服務(wù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可用于在軌捕獲、在軌模塊更換等任務(wù)中，是實(shí)現(xiàn)在軌服務(wù)與維護(hù)的基石[1-4]。

受運(yùn)載火箭載荷、航天器尺寸以及空間環(huán)境等因素的限制，空間機(jī)械臂需要具備質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊、自由度高、耐極端環(huán)境和能操作比自身重多倍的物件的能力。柔性機(jī)械手由于采用靈活的超彈性材料，具有輕質(zhì)、斷裂強(qiáng)度高、快速響應(yīng)以及容許大變形的特點(diǎn)[5-9]，可以彌補(bǔ)硬質(zhì)機(jī)械手的不足，滿足航天器空間機(jī)械手的應(yīng)用要求。然而，目前可供選擇的柔性材料種類的缺乏已成為柔性機(jī)械手發(fā)展的瓶頸之一[10-12]。有學(xué)者通過(guò)研究人類皮膚結(jié)構(gòu)，根據(jù)人類皮膚的表皮、真皮和皮下組織的力學(xué)性質(zhì)以及其在皮膚組織中的厚度、排序等要素設(shè)計(jì)出一種仿真復(fù)合材料。該復(fù)合材料由多層不同拉伸強(qiáng)度的材料組裝而成，這些材料在外力的作用下產(chǎn)生非線性形變，而非線性形變正是人類皮膚能比傳統(tǒng)硬質(zhì)機(jī)械手更靈活、產(chǎn)生更復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的原因[13]。目前已發(fā)展出的2種主要的軟體機(jī)械手用柔性材料分別為彈性體復(fù)合材料與金屬?聚合物復(fù)合材料。

彈性體材料軟體機(jī)械手通常采用硅橡膠作為柔性材料，驅(qū)動(dòng)方式為壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。由柔性高分子材料制備的軟體機(jī)械手具有無(wú)限自由度，理論上可產(chǎn)生無(wú)窮多狀態(tài)，同時(shí)材料密度低、所需驅(qū)動(dòng)力極小[14-15]。根據(jù)在軌服務(wù)的需求，結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀，本文針對(duì)2種硅橡膠材料開(kāi)展柔性觸手材料制備、結(jié)構(gòu)成型工藝及材料特性研究。其中，Ecoflex 00-30（E30）是一種鉑金固化硅橡膠，其固化后的橡膠制品極其柔軟、強(qiáng)韌、彈性佳；PDMS硅橡膠由液體組分組成，包括基本組分與固化劑2部分，混合液可固化為厚度可控且具有韌性的透明彈性體。最終成功制備出具有可設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的柔性機(jī)械觸手樣件，為柔性機(jī)械手臂在航天器在軌服務(wù)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 柔性抓捕材料的制備

1.1 E30/PDMS/E30三明治結(jié)構(gòu)

本文中柔性觸手樣件采用E30和PDMS硅橡膠材料復(fù)合制備。樣件的芯層為楊氏模量較高的PDMS材料，外層采用斷裂伸長(zhǎng)率較大的E30硅橡膠。為進(jìn)一步研究這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料特性，本文設(shè)計(jì)了具有三明治結(jié)構(gòu)的E30/PDMS/E30樣品，分別采用逐層固化和半固化兩種不同制備工藝，研究三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的界面狀態(tài)。

E30/PDMS/E30三明治結(jié)構(gòu)如圖1所示，復(fù)合結(jié)構(gòu)中最上層和底層的材料為E30，厚度均為4 mm；中間夾層為PDMS，厚度為3 mm。

圖1 E30/PDMS/E30三明治結(jié)構(gòu)Fig. 1 E30/PDMS/E30 sandwich structure sample

1.2 E30和PDMS硅橡膠的固化工藝

E30硅橡膠的典型制備過(guò)程為：將E30組分A和組分B按照一定質(zhì)量配比混合，攪拌5 min后，超聲振蕩2 min，將混合液置于真空容器中去除氣泡；靜置15 min后將混合液倒入模具（見(jiàn)圖2(a)）內(nèi)，并再次放入真空容器中排除氣泡；除氣后置于60 ℃的烘箱中固化3 h，自然爐冷至室溫。成型后的E30硅橡膠樣品如圖2(b)所示。

PDMS硅橡膠的典型固化過(guò)程為：首先將固化劑按一定的質(zhì)量配比加入到PDMS樹(shù)脂基體中，攪拌并超聲振蕩15 min后，將混合液放入真空容器中去除氣泡；當(dāng)氣泡全部消失后，將混合液澆鑄于模具中，并再次放入真空器皿中去除氣泡；最后將樣品放入60 ℃的烘箱中加熱固化20 h，自然爐冷至室溫。成型后的PDMS硅橡膠樣品如圖2(c)所示。

圖2 硅橡膠材料的固化模具及樣品外觀Fig. 2 The mould and digital images of PDMS and E-30 samples

2 柔性抓捕材料的力學(xué)特性

2.1 固化工藝對(duì)PDMS樣品硬度的影響

本文通過(guò)改變固化溫度、固化時(shí)間與預(yù)聚體/固化劑質(zhì)量配比3個(gè)工藝參數(shù)來(lái)考察不同固化工藝對(duì)PDMS樣品硬度的影響。以邵氏A硬度測(cè)試值來(lái)表征樣品的硬度，PDMS硅橡膠的楊氏模量與邵氏A硬度正相關(guān)，硬度越大其楊氏模量也越大[16]。固化工藝對(duì)PDMS楊氏模量的影響如圖3所示。

圖3 固化工藝對(duì)PDMS樣品硬度的影響Fig. 3 The effect of curing process on the Young’s modulus of PDMS

預(yù)聚體與固化劑的質(zhì)量配比為10 : 1，固化時(shí)間為20 h時(shí)，樣品楊氏模量與固化溫度的關(guān)系見(jiàn)圖3(a)，從圖中可以看出，PDMS樣條的楊氏模量隨著固化溫度的升高而增大，并且在80～100 ℃時(shí)趨于穩(wěn)定。這表明PDMS的固化交聯(lián)度與溫度有著緊密的關(guān)系：溫度升高，交聯(lián)反應(yīng)速率加快，達(dá)到一定溫度后，在20 h能基本完成交聯(lián)反應(yīng)，固化后所能達(dá)到的最大楊氏模量為3.8 N/mm2。PDMS的固化過(guò)程即為PDMS預(yù)聚體的交聯(lián)過(guò)程，樣條的邵氏A硬度與PDMS的交聯(lián)反應(yīng)的程度密切相關(guān)，PDMS交聯(lián)程度越高，所對(duì)應(yīng)樣條的邵氏A硬度越大，其楊氏模量也越大。

預(yù)聚體與固化劑的質(zhì)量配比為10 : 1，固化溫度為60 ℃時(shí)，樣品楊氏模量與固化時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖3(b)。從圖中可以看出，PDMS樣條的楊氏模量隨著固化時(shí)間的增長(zhǎng)而增大。表明PDMS的固化交聯(lián)反應(yīng)程度與時(shí)間有著緊密的聯(lián)系，交聯(lián)反應(yīng)速率在60 ℃下相對(duì)較慢，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，交聯(lián)反應(yīng)程度不斷提高。

為進(jìn)一步考察固化劑質(zhì)量占比對(duì)樣品硬度的影響，改變體系中預(yù)聚體與固化劑的比例，樣品楊氏模量的變化見(jiàn)圖3(c)，其中固化時(shí)間為20 h，固化溫度為60 ℃。從圖中可以看出，隨著體系中預(yù)聚體含量的增加，PDMS樣條的楊氏模量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，配比在8 : 1至10 : 1之間時(shí)楊氏模量達(dá)到最大值（4.0 N/mm2）。表明PDMS的固化交聯(lián)反應(yīng)程度與其預(yù)聚混合物的配比有密切的關(guān)系，合適的反應(yīng)基團(tuán)比例和預(yù)聚體與固化劑的配比可以加快交聯(lián)反應(yīng)速率。

從以上PDMS硅橡膠固化工藝參數(shù)對(duì)材料力學(xué)性能影響的分析可知，預(yù)聚混合物質(zhì)量配比為10 : 1，固化溫度為60 ℃，固化時(shí)間為20 h的固化工藝所制備出的PDMS的力學(xué)性能較為適中。

2.2 固化工藝對(duì)E30樣品硬度的影響

選取一組E30的固化工藝作為標(biāo)準(zhǔn)組（組分A與組分B質(zhì)量配比為1 : 1，固化溫度60 ℃，固化時(shí)間3 h），并通過(guò)改變固化溫度、固化時(shí)間，以及組分A與組分B的質(zhì)量配比這3個(gè)工藝變量來(lái)考察不同固化工藝對(duì)E30樣品硬度的影響。

E30材料的硬度極小，超出了邵氏A硬度的測(cè)量范圍，需使用邵氏00硬度計(jì)測(cè)量其硬度，且這2種硬度計(jì)量可以相互轉(zhuǎn)換。固化工藝對(duì)E30樣品楊氏模量的影響如圖4所示。

與PDMS類似，樣條的邵氏00硬度與E30的縮聚交聯(lián)反應(yīng)的程度密切相關(guān)，邵氏00硬度越大，所對(duì)應(yīng)的樣品縮聚交聯(lián)程度越高。圖4(a)為固化溫度對(duì)E30楊氏模量的影響，可見(jiàn)樣品的楊氏模量隨著固化溫度的升高而增大，達(dá)到一定溫度后，E30能在短時(shí)間內(nèi)迅速交聯(lián)固化。

圖4 固化工藝對(duì)E30樣品硬度的影響Fig. 4 The effect of curing procedures on the Young’smodulus of E30

圖4 (b)為固化時(shí)間對(duì)E30楊氏模量的影響，可見(jiàn)E30的固化交聯(lián)反應(yīng)程度與時(shí)間也有著緊密的聯(lián)系，固化前期E30的楊氏模量隨著固化時(shí)間的增長(zhǎng)迅速提高；隨著交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，體系內(nèi)反應(yīng)基團(tuán)不斷被消耗，固化3 h后，體系內(nèi)反應(yīng)基團(tuán)的濃度已大幅度降低，交聯(lián)固化反應(yīng)接近終點(diǎn)，楊氏模量的變化也因而趨緩，可以認(rèn)為3 h后E30已充分固化。

圖4(c)為2種預(yù)聚體組分配比對(duì)E30楊氏模量的影響。E30樣條的楊氏模量隨著組分A的質(zhì)量占比的提高，呈現(xiàn)先平穩(wěn)變化后下降的趨勢(shì)。可見(jiàn)，E30的縮聚交聯(lián)反應(yīng)程度與其預(yù)聚體的配比同樣有密切的關(guān)系：當(dāng)某一組分含量過(guò)多時(shí)，縮聚交聯(lián)所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)基團(tuán)必有一方相對(duì)濃度過(guò)低而降低交聯(lián)反應(yīng)速率，只有按照合適的反應(yīng)基團(tuán)比例來(lái)控制預(yù)聚體與固化劑的配比才能加快交聯(lián)反應(yīng)速率。本文研究中組分A與組分B的質(zhì)量比為1 : 1時(shí)是一種比較理想的質(zhì)量配比。

2.3 兩種工藝下三明治結(jié)構(gòu)樣條的拉伸性能

按硬度最大的原則選擇一種硅橡膠固化工藝制備樣品并測(cè)試其拉伸性能。固化工藝為：PDMS中預(yù)聚體與固化劑質(zhì)量配比10 : 1，固化溫度為60 ℃，固化時(shí)間為20 h；E30中組分A與組分B的質(zhì)量配比為1 : 1，固化溫度為60 ℃，固化時(shí)間為3 h。同時(shí)分別采用全固化與半固化工藝制備了復(fù)合三明治結(jié)構(gòu)樣品，圖5(a)中，樣條I為全固化工藝制備的，樣條II為半固化工藝制備的。

圖5 三明治樣品拉伸性能Fig. 5 The stress-strain characteristics of sandwich structure samples

如圖5(b)所示，兩種不同固化工藝制備的樣條的斷裂伸長(zhǎng)率比較相近，但半固化工藝制備的樣條的斷裂強(qiáng)度明顯高于全固化工藝制備的樣條。半固化樣品的拉伸強(qiáng)度最高達(dá)1.2 MPa，其斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)470%；并且半固化工藝樣品的斷裂是相對(duì)整齊的，三層同時(shí)斷裂，而全固化工藝樣品是逐層斷裂的。這是因?yàn)榘牍袒に嚨臉訔l中PDMS與E30界面層的結(jié)合作用要優(yōu)于全固化工藝的樣條，拉伸過(guò)程中半固化工藝的樣條內(nèi)部各組分之間有效分擔(dān)了應(yīng)力作用，其中作為骨架的PDMS部分提供了有效的支撐，因而半固化工藝所得樣品的拉伸強(qiáng)度要高于全固化工藝樣品的。

2.4 兩種工藝下復(fù)合結(jié)構(gòu)的界面特性

圖6為E30/PDMS/E30全固化工藝及半固化工藝下三明治結(jié)構(gòu)樣品斷面的掃描電鏡照片。由全固化工藝制備的三明治結(jié)構(gòu)樣品斷面形貌可以發(fā)現(xiàn)，PDMS與E30有著不同的微觀形貌，層界面處存在一條清晰的界線，表明該工藝制備的樣品中PDMS與E30在微觀相界面處的相互作用以范德華力為主。由半固化工藝制備的三明治結(jié)構(gòu)樣品斷面形貌可以發(fā)現(xiàn)，PDMS與E30層界面處存在過(guò)渡層，這是因?yàn)樵诎牍袒に囍?，下層硅橡膠未完全固化時(shí)，上層另一種硅橡膠預(yù)聚體混合物就已澆鑄至其表面，混合物分子鏈在不同層之間擴(kuò)散，使得固化時(shí)兩種硅橡膠的分子鏈之間發(fā)生化學(xué)連接。過(guò)渡層能夠增強(qiáng)PDMS與E30之間的相互作用，增大材料的斷裂強(qiáng)度，因此半固化工藝制備的三明治樣品相對(duì)于全固化工藝制備的樣品具有較高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

圖6 三明治樣品斷面掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 6 The SEM cross-sectional images of sandwich structure samples after different curing procedures

3 柔性抓捕樣件的氣動(dòng)特性

3.1 柔性機(jī)械觸手樣件的制備

參照1.2節(jié)中描述的固化工藝過(guò)程，選用最佳工藝參數(shù)制備E30/PDMS/E30復(fù)合材料柔性機(jī)械觸手樣件。首先將E30混合液倒入圖7(a)、(b)所示的模具內(nèi)，得到觸手樣件外層；外層固化完成后將芯層模具取出，再將制備好的PDMS混合液澆鑄于模具芯層；樣品完全固化后，取下模具，即可獲得硅橡膠柔性機(jī)械觸手樣件（見(jiàn)圖7(e)）。此外，可根據(jù)測(cè)試需要在觸手樣件的圓柱底端采用E30封端。

圖7 柔性機(jī)械觸手的模具設(shè)計(jì)及實(shí)物外觀形貌Fig. 7 The mould for the pneumatic soft actuator

3.2 柔性機(jī)械觸手氣動(dòng)特性測(cè)試

柔性機(jī)械觸手的氣動(dòng)特性測(cè)試過(guò)程見(jiàn)圖8。測(cè)試前（見(jiàn)圖8(a)），機(jī)械觸手自然垂掛于氣動(dòng)平臺(tái)的支架上，觸手與水平面垂直。觸手的每個(gè)氣動(dòng)管道均通入一根外徑2 mm、內(nèi)徑1.2 mm的PE軟氣管。在平行于觸手方向固定2臺(tái)攝像頭，這2臺(tái)攝像頭的拍攝方向相互垂直，以獲取柔性觸手運(yùn)動(dòng)時(shí)不同向度中的位置信息。

圖8 氣動(dòng)柔性觸手氣動(dòng)特性測(cè)試過(guò)程（樣品長(zhǎng)度21.7 cm）Fig. 8 Pneumatic test of the soft actuator of 21.7 cm in length

為了對(duì)柔性機(jī)械觸手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，本文對(duì)其進(jìn)行模型化。以觸手樣件的固定點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別建立圖8(b)所示的x軸和z軸，并選取觸手氣動(dòng)管道末端端點(diǎn)作為表征觸手運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)對(duì)象點(diǎn)。2臺(tái)攝像頭分別捕獲了運(yùn)動(dòng)對(duì)象點(diǎn)在2個(gè)投影平面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)視頻圖像的截取，可以確定觸手在某一時(shí)刻在兩平面上所反映的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再對(duì)截取的圖像進(jìn)行比例轉(zhuǎn)換、距離測(cè)量及歸一化處理，可得出運(yùn)動(dòng)對(duì)象點(diǎn)的空間位移和運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)。

為簡(jiǎn)化分析，提出以下假設(shè)：1）單氣道充氣時(shí)柔性觸手只在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生扭曲、旋轉(zhuǎn)等其他運(yùn)動(dòng)形式；2）柔性觸手充氣時(shí)只發(fā)生彎曲形變，伸縮形變忽略不計(jì)。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在較小輸入氣壓以及較小形變程度下，本文所制備的氣動(dòng)柔性機(jī)械觸手可近似看作理想軟體機(jī)械手。

氣動(dòng)柔性機(jī)械觸手的運(yùn)動(dòng)受到其制備工藝以及實(shí)際操作中充入氣壓的調(diào)控。本文選擇2種不同制備工藝的觸手并通過(guò)改變氣動(dòng)平臺(tái)氣壓的大小與循環(huán)來(lái)調(diào)控觸手的運(yùn)動(dòng)。圖9所示為該樣件在單氣道控制下的連續(xù)變形圖，狀態(tài)監(jiān)控的時(shí)間間隔為1 s，氣動(dòng)測(cè)試平臺(tái)向柔性機(jī)械觸手管道中施加的氣壓（絕對(duì)壓力）為58 500 Pa。由圖9觀察到，觸手氣動(dòng)管道末端最先發(fā)生運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)觸手下端向上發(fā)生卷曲變形，卷曲形變的程度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，最終達(dá)到彎曲角度為180°的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 柔性氣動(dòng)樣品終端對(duì)象點(diǎn)的連續(xù)變化（時(shí)間間隔1 s）Fig. 9 The response of pneumatic soft actuator under inflating(sampling interval is 1 s)

充氣響應(yīng)過(guò)程中氣動(dòng)柔性機(jī)械觸手所受到的應(yīng)力極小，產(chǎn)生的形變量較小，可以認(rèn)為此時(shí)的觸手符合理想軟體機(jī)械手模型，對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡分析。從柔性觸手靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，施加一定氣壓后，運(yùn)動(dòng)對(duì)象點(diǎn)卷曲地向上纏繞，在小角度形變運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡近似為半徑為2 cm的半圓。由于采樣時(shí)間間隔相同，所以可根據(jù)相鄰兩點(diǎn)之間的距離來(lái)確定運(yùn)動(dòng)對(duì)象點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度。在絕對(duì)壓力為58 500 Pa時(shí)，如圖10所示，運(yùn)動(dòng)對(duì)象點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度基本呈現(xiàn)先加速后減速的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，其平均角速度為 0.4 rad/s，最大角速度為0.8 rad/s。

圖10 柔性氣動(dòng)觸手運(yùn)動(dòng)對(duì)象點(diǎn)的角速度Fig. 10 The angular velocity of the motion object for semicuring process actuator

4 結(jié)束語(yǔ)

采用PDMS和E30兩種硅橡膠材料制備出柔性觸手樣件，通過(guò)對(duì)兩類材料固化工藝的研究，得到了不同工藝參數(shù)對(duì)材料硬度及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)，隨著固化溫度的升高和固化時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種材料的楊氏模量均逐步提高；隨著組分中固化劑占比的提高，楊氏模量呈先上升后下降的趨勢(shì)。半固化工藝所得樣品具有明顯的界面過(guò)渡層和較高的拉伸強(qiáng)度（最高達(dá)1.2 MPa），斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)460%，因此，半固化工藝更適合作為氣動(dòng)柔性機(jī)械手的制備工藝。采用最佳工藝制備的柔性觸手在絕對(duì)壓力為58 500 Pa時(shí)的最大卷曲角速度為0.8 rad/s，可以完成180°的彎曲變形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取。