陸玄鳴,白 敬,王保升

(南京工程學院 智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(qū)動的剛性部件構(gòu)成,如工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yīng)用廣泛,但普遍存在柔順性不夠的缺陷;如果要將其應(yīng)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(yīng)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(gòu)成。其驅(qū)動方式包含多種新型驅(qū)動方式,如氣壓(液壓)驅(qū)動[1-2]、形狀記憶合金(shape memory alloy,SMA)驅(qū)動[3-4]、電活性聚合物驅(qū)動[5-6]、介電彈性體驅(qū)動[7-8]、化學驅(qū)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(lǐng)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(nóng)業(yè)領(lǐng)域和醫(yī)療康復領(lǐng)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(nèi)外關(guān)于純?nèi)嵝詩A持器的研究如火如荼。雖然純?nèi)嵝詩A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(guān)鍵問題—夾持力不夠,導致其難以在實際應(yīng)用中推廣開來。

由于純?nèi)嵝詩A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(xiàn)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(xiàn)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?cè)岵毙蛫A持器便因此應(yīng)運而生。

柔性夾持裝置的剛度一般由構(gòu)成夾持臂的軟體驅(qū)動器決定。提高柔性夾持裝置的夾持力、實現(xiàn)夾持裝置的整體剛度可變,關(guān)鍵在于對作為夾持臂的軟體驅(qū)動器的剛度進行調(diào)節(jié)與控制。對此,國內(nèi)外學者普遍采用的方法是在傳統(tǒng)純軟體驅(qū)動器的基礎(chǔ)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(nèi)骨骼或外骨骼結(jié)構(gòu)[15-17];2)利用干擾(阻塞)效應(yīng)[18-59];3)內(nèi)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(xiàn)夾持裝置剛度的可逆變化。

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

基于當前學界對變剛度柔性夾持裝置的研究現(xiàn)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(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)分類,從干擾介質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征以及工作方式等角度對各種常見結(jié)構(gòu)進行對比,總結(jié)各種常見結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)缺點;然后列舉并分析關(guān)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(lǐng)域中尚待深入研究的問題進行分析與總結(jié),以期達到為后續(xù)本領(lǐng)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(jié)構(gòu)

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

其中,基于干擾效應(yīng)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(nèi)、外骨骼結(jié)構(gòu)的柔性夾持裝置

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

包含內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)的柔性夾持裝置如圖1所示[15]。

圖1 包含內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)的柔性夾持裝置

該夾持裝置把用于驅(qū)動變形的軟體部分與用于承受夾持力的內(nèi)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(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)能承受更大的夾持力,以便夾持更重的物品。

試驗結(jié)果表明:增加了內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)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(yīng)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(qū)動器外部添加剛性框架結(jié)構(gòu),以約束驅(qū)動器的變形并提高其剛性。

包含外骨骼結(jié)構(gòu)的柔性夾持裝置如圖2所示[16]。

圖2 包含外骨骼結(jié)構(gòu)的柔性夾持裝置

試驗結(jié)果表明:與純軟體驅(qū)動器相比,添加剛性外骨骼結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器,其能源利用率、輸出力以及變形響應(yīng)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(jié)構(gòu)能夠有效地保護內(nèi)部的柔性結(jié)構(gòu),從而延長裝置的使用壽命[16]。

由于其剛性結(jié)構(gòu)的作用,包含內(nèi)骨骼或外骨骼結(jié)構(gòu)的柔性夾持裝置可提高夾持裝置的整體剛度,并減少驅(qū)動過程中柔性結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的無效變形;因此,較傳統(tǒng)的純?nèi)嵝匝b置,其在夾持力和響應(yīng)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(xiàn)剛度的改變和調(diào)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(yīng)的夾持裝置

干擾效應(yīng),又稱為阻塞(jamming)效應(yīng),是一種顆粒或片材等較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(jù)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(jié)構(gòu)如圖3所示[18-19]。

圖3 兩種典型干擾結(jié)構(gòu)

由于干擾效應(yīng)是一種可逆的物理過程,因此,利用干擾效應(yīng)可以實現(xiàn)驅(qū)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(qū)動器中,如果將顆粒在驅(qū)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(xiàn)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(chǎn)生擠壓作用,使粒子層內(nèi)顆粒堆積變硬,從而提高軟體驅(qū)動器剛度的過程?；谡婵疹w粒干擾效應(yīng)的柔性夾持裝置通常采用兩種典型結(jié)構(gòu),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(qū)動器僅由顆粒物及其外層的包裹膜構(gòu)成,不含其他驅(qū)動結(jié)構(gòu)。

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(nèi)顆粒產(chǎn)生干擾效應(yīng),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(yīng)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(lián)合開發(fā)的一款基于顆粒干擾效應(yīng)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(jié)構(gòu),在物品釋放階段使用了正壓,即包裹顆粒的膜內(nèi)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(nèi)部包裹干擾顆粒的單一囊狀結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)海底的工作環(huán)境,其用于產(chǎn)生干擾效應(yīng)的介質(zhì)從空氣變成了液體,通過向囊內(nèi)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(chǎn)生干擾效應(yīng)的顆粒,大米外側(cè)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(jié)構(gòu),包含3個獨立的長條狀全干擾型驅(qū)動器。試驗結(jié)果表明:該夾持裝置在產(chǎn)生顆粒干擾效應(yīng)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(chǎn)生干擾效應(yīng)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(qū)動部件。

重慶大學的研究團隊在傳統(tǒng)的氣驅(qū)型長條彎曲式軟體驅(qū)動器的基礎(chǔ)上,在原驅(qū)動器充氣彎曲的一側(cè)添加了用于產(chǎn)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(qū)動器相同,具有一定的厚度,緊緊貼合在原驅(qū)動器彎曲的內(nèi)側(cè),其內(nèi)部含有大量細小顆粒。添加了干擾層后的驅(qū)動器,外側(cè)的驅(qū)動層與內(nèi)側(cè)的干擾層均有氣道引出,驅(qū)動層的氣道與氣泵相連,用于充氣產(chǎn)生彎曲變形;而干擾層的氣道則與真空泵相連,用于改變驅(qū)動器整體的剛度。

試驗結(jié)果表明:在相同驅(qū)動氣壓下,與未添加干擾層結(jié)構(gòu)的手爪相比,基于該干擾層結(jié)構(gòu)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(nèi)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(yīng)的軟體驅(qū)動器;與文獻[24]不同的是,這3個驅(qū)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(yīng)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(chǎn)生干擾效應(yīng),從而提升了夾持裝置的剛度[25]。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單,無需真空發(fā)生裝置,且試驗結(jié)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(nèi)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(nèi)外壁之間是層層相疊的,串成項鏈式的顆粒。當法蘭帶動內(nèi)外壁發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時,整個圓筒就會扭轉(zhuǎn),擠壓中間的顆粒,產(chǎn)生干擾效應(yīng),從而夾緊圓筒內(nèi)側(cè)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(chǎn)生干擾效應(yīng)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(shù)研制了一款基于層干擾效應(yīng)的可變剛度軟體驅(qū)動器[19]。該驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)類似于顆粒干擾中的部分干擾型驅(qū)動器,其外側(cè)為充氣彎曲的驅(qū)動層,內(nèi)側(cè)為包含層疊結(jié)構(gòu)的干擾層,如圖3(b)所示。當干擾層抽真空后,產(chǎn)生層干擾效應(yīng),可提升驅(qū)動器整體的剛度。用該驅(qū)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(chǎn)生層干擾效應(yīng),并以此為基礎(chǔ),設(shè)計了一款可變剛度軟體驅(qū)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(chǎn)生干擾效應(yīng)的薄膜層位于驅(qū)動層內(nèi)側(cè),外側(cè)的柔性驅(qū)動層表面包含限制膨脹變形的外骨骼結(jié)構(gòu)。

試驗結(jié)果表明:在薄膜層數(shù)為5層,有效層疊干擾面積為6.4 cm2的情形下,驅(qū)動器的剛度在產(chǎn)生層干擾效應(yīng)之后可提升為原來的7倍。

1.2.3 顆粒干擾與層干擾相結(jié)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(shè)計出了一款集兩種干擾效應(yīng)于一體的變剛度軟體驅(qū)動器,為剛度可調(diào)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(jié)合型驅(qū)動器如圖8所示[28]。

圖8 顆粒干擾與層干擾相結(jié)合型驅(qū)動器

該驅(qū)動器仍為部分干擾型結(jié)構(gòu),驅(qū)動層與干擾層相互獨立。其中,驅(qū)動層由氣壓驅(qū)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(jié)果表明:該驅(qū)動器在產(chǎn)生干擾效應(yīng)后,剛度提升了5.52倍。利用該驅(qū)動器制作的手爪可以根據(jù)待抓取物品的實際情況,靈活選擇是否需要施加干擾效應(yīng),通過調(diào)節(jié)真空度來改變驅(qū)動器的剛度,以適應(yīng)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(qū)動器如圖9所示[29-30]。

圖9 其他干擾型驅(qū)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(xiàn)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(chǎn)生干擾效應(yīng),從而使驅(qū)動器整體的剛度提升。

試驗結(jié)果表明:具有該干擾層結(jié)構(gòu)的驅(qū)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(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)是一束包裹在薄膜內(nèi)的纖維束,通過在薄膜內(nèi)抽取真空,使得纖維相互擠壓,達到提升驅(qū)動器剛度的目的,原理與顆粒干擾或?qū)痈蓴_相似。該研究也為干擾介質(zhì)的選擇提供了一種新的思路。

基于干擾效應(yīng)的結(jié)構(gòu)是當前變剛度夾持裝置領(lǐng)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(zhì)、結(jié)構(gòu)特征、工作方式、典型實例4個方面,對上述幾種干擾結(jié)構(gòu)進行對比和總結(jié)。

基于干擾效應(yīng)的主要結(jié)構(gòu)分類如表1所示。

表1 基于干擾效應(yīng)的主要結(jié)構(gòu)分類

相比于顆粒干擾,層干擾結(jié)構(gòu)的干擾層內(nèi),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(chǎn)生更大的摩擦阻力,從而增大了剛度的變化范圍。但是其結(jié)構(gòu)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(yīng)用于物體夾持的具體研究案例。但從已有的試驗數(shù)據(jù)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(yīng)用前景。

因其制造方便、結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式靈活多樣等優(yōu)點,目前顆粒干擾被大多數(shù)研究者所使用,技術(shù)發(fā)展相對成熟,用來作為調(diào)節(jié)柔性夾持裝置剛度的有效手段。但同時也應(yīng)注意到,顆粒干擾的干擾介質(zhì)相比于其他干擾形式剛度更大,因而在其產(chǎn)生干擾效應(yīng)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(nèi)嵌低熔點合金或聚合物

這一類驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)與上述部分干擾型驅(qū)動器相似,彎曲變形的外側(cè)為充氣的驅(qū)動層,原內(nèi)側(cè)的干擾層換成包含低熔點合金或是聚合物的內(nèi)骨骼層。當加熱內(nèi)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(qū)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(nèi)嵌低熔點合金或聚合物的軟體驅(qū)動器如圖10所示[60-63]。

圖10 幾種內(nèi)嵌低熔點合金或聚合物的軟體驅(qū)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(qū)動器[60-61]。在加熱后,兩款驅(qū)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(qū)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(qū)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(yīng)時間太長是這類變剛度軟體驅(qū)動器的最大缺陷。在上述幾種驅(qū)動器中,響應(yīng)最快的也需加熱將近10 s,驅(qū)動器的剛度才能明顯下降。而達到如此的響應(yīng)速度,還需要配合8 A左右的大電流用于加熱,這對設(shè)備和驅(qū)動器的絕緣以及耐熱性能的要求也較高。

此外,對于驅(qū)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(zhuǎn)變,柔性和彈性會逐漸降低,產(chǎn)生相同變形所需的氣壓會逐漸增大,硅膠表面易出現(xiàn)裂痕并最終開裂,大大縮短驅(qū)動器的使用壽命。

1.4 其他改變驅(qū)動器剛度的方法

除了利用上述的干擾效應(yīng)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(qū)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(nèi)華達大學和卡內(nèi)基梅隆大學的研究團隊通過在原軟體驅(qū)動器的側(cè)面增加腱結(jié)構(gòu),研發(fā)的一款可變剛度柔性夾持裝置[65]。貼合在其驅(qū)動器側(cè)面的腱由導電的熱塑性彈性體構(gòu)成,通電加熱后的15 s內(nèi),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(qū)動單元本身充氣時產(chǎn)生的剛度變化,實現(xiàn)了驅(qū)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(guān)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(qū)動器,每個驅(qū)動器包含3個軟體指節(jié)與2個可變剛度氣動關(guān)節(jié)。當關(guān)節(jié)部位充氣時,該驅(qū)動器整體剛度就會得到提升。

綜上所述,當今國內(nèi)外關(guān)于變剛度柔性夾持裝置結(jié)構(gòu)的研究主要集中在基于干擾效應(yīng)這一結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(yīng)結(jié)構(gòu)提供了新的研究思路和方向。

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

在柔性夾持領(lǐng)域,各種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對比如表2所示。

表2 變剛度柔性夾持裝置常見結(jié)構(gòu)對比

2 變剛度柔性驅(qū)動器建模與控制

由于變剛度柔性驅(qū)動器結(jié)構(gòu)復雜,理論建模難度較大,當前學界關(guān)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(shù)據(jù),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(qū)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(jīng)有研究者開始關(guān)注變剛度柔性驅(qū)動器的理論建模問題。相關(guān)團隊基于力學原理,建立了描述驅(qū)動器彎曲彈性模量與干擾顆粒摩擦角、干擾層內(nèi)外氣壓差以及干擾層包裹薄膜彈性模量等因素之間關(guān)系的解析模型。該模型可有效預測基于顆粒干擾效應(yīng)的驅(qū)動器在不同結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)下的彎曲變形以及剛度變化的能力,在變剛度柔性驅(qū)動器的設(shè)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(qū)動器剛度變化的能力,但精度仍然偏低,特別是在干擾層內(nèi)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(qū)動器剛度的影響,而在實際中,驅(qū)動器的剛度變化是多因素耦合影響的結(jié)果。

與普通軟體驅(qū)動器一樣,目前變剛度柔性驅(qū)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(xiàn)有的控制方法大多是根據(jù)特定的驅(qū)動器或是實際需求而設(shè)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(xiàn)有成熟的機械臂產(chǎn)品之間的配合與協(xié)同控制研究也少有涉及。

3 結(jié)論與展望

從目前國內(nèi)外關(guān)于變剛度柔性夾持裝置的研究現(xiàn)狀來看,大多數(shù)學者選擇利用干擾效應(yīng)來調(diào)節(jié)作為夾持臂的軟體驅(qū)動器的剛度,通過設(shè)計不同的驅(qū)動器整體結(jié)構(gòu)或是干擾層內(nèi)部結(jié)構(gòu),來實現(xiàn)變剛度抓取的目的。然而在現(xiàn)階段國內(nèi)外的研究中,該領(lǐng)域仍存在著一些尚待深入研究的關(guān)鍵問題。

首先,對干擾效應(yīng)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(nèi)外關(guān)于變剛度軟體驅(qū)動器的大量研究中,主流方向是對驅(qū)動器整體結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動方式的研究與創(chuàng)新,鮮有學者對干擾結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾效應(yīng)的過程和機理進行深入的分析研究,例如顆粒干擾效應(yīng)中驅(qū)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(qū)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(yīng)中驅(qū)動器的柔性和剛性的影響,結(jié)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(xiàn):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(xiàn):適當加大干擾顆粒的大小,并在干擾層內(nèi)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(jié)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(chǎn)生干擾效應(yīng)的驅(qū)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(xiàn)了相反的結(jié)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(qū)式變剛度驅(qū)動器,其剛度的變化往往是多重因素疊加影響的結(jié)果。因此,有必要研究氣壓驅(qū)動與干擾效應(yīng)所包含的多重因素之間的耦合效應(yīng)對驅(qū)動器剛度的綜合影響,以便更有效地優(yōu)化驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。

其次,變剛度柔性夾持裝置的協(xié)同控制機理問題尚待進一步研究。目前,國內(nèi)外的相關(guān)研究大多局限在原理機的設(shè)計與開發(fā),大多未有預設(shè)的具體應(yīng)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(xié)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(shè)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(shù)據(jù)為基礎(chǔ),一方面可根據(jù)不同夾持對象,對夾持力、夾持臂張開幅度等參數(shù)進行靈活反饋與控制,以實現(xiàn)多用途的可靠夾持;另一方面,可與現(xiàn)有機械臂無縫銜接,進行協(xié)同配合工作,以實現(xiàn)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(chǎn)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(qū)動器領(lǐng)域的一個熱門方向。國內(nèi)外許多學者都創(chuàng)新地提出了各種實現(xiàn)剛度可變可調(diào)的結(jié)構(gòu)和方法,也對驅(qū)動器的建模與控制進行了初步探索。但針對上述關(guān)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?nèi)嵝詩A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?cè)岵?在工農(nóng)業(yè)自動化生產(chǎn)、醫(yī)療康復等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(guān)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(shè)備等產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展”的總體要求,因而其發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>