吳 凡,李東亞,楊文振,徐嘉文,劉 禹,蘆 艾
(1.江南大學 機械工程學院,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)
夾爪是一種用于抓放或操作物體的重要設備,根據(jù)其驅(qū)動方式一般可以分為電動和氣動兩種類型[1]。利用夾爪控制與易損物體之間的接觸力是一項具有挑戰(zhàn)的任務,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,電動夾爪由于可以通過電機控制夾爪手指位置和速度而更加精確,但其價格昂貴。相同尺寸下,夾持力遠小于氣動夾爪,且存在執(zhí)行速度慢、發(fā)熱等問題。所以,實際在工業(yè)應用中,氣動夾爪更受青睞。而一般的氣動夾爪缺乏夾持力檢測,不能很好利用氣壓對夾爪進行力的穩(wěn)定控制。通常,可以利用機械結(jié)構(gòu)或傳感器及反饋控制來進行解決,如Chen C C等人[2]設計一種恒力機械結(jié)構(gòu),可以通過調(diào)節(jié)墊片厚度進行調(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]設計的一種安裝在氣動夾爪指尖的柔性應變傳感器,利用傳感器數(shù)據(jù)反饋可以控制力的大小,但其測量范圍相對較小,不超過2 N。
目前也有著一些商業(yè)的觸覺傳感器,如基于壓阻效應的力敏電阻器(force sensitive resistor,F(xiàn)SR)。FSR有著許多的優(yōu)點,包括成本低、魯棒性好、測力范圍大、驅(qū)動簡單、節(jié)能、易于維護和尺寸?。?],可以用來檢測指力[6],控制假肢抓握力[7],或監(jiān)測足底壓力[8]等。但是,F(xiàn)SR 也存在一些缺點。首先,如果FSR 直接與物體進行接觸,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,不能很好地保護物體。而硅橡膠由于其生物相容性、化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性等優(yōu)點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,并安裝在氣動夾爪指尖,能夠預估夾持力,且當氣壓超過閾值后在一定范圍內(nèi)波動,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。
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(ZYMC-180 V,ZYE)內(nèi)充分攪拌,設置轉(zhuǎn)速1500 r/min,時間3 min;再將漿料放入針筒內(nèi),離心轉(zhuǎn)速5000 r/min,時間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,標稱量程為0.05 ~2 kg。
將裝有均勻混合后的漿料的30 mL針筒安裝在三軸線性運動系統(tǒng)的Z 軸平臺上,運動系統(tǒng)的絕對定位精度為±5 μm,重復定位精度為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]。通過控制運動平臺的三軸位置,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。在室溫下進行打印,設置打印速度為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 ℃,固化時間為10 h。
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。利用光學顯微鏡(Leica DVM6 A,Leica Microsystems GmbH)測量線間距,鋼尺測量樣品的高度和矩形區(qū)域的長寬,分析天平測量總體質(zhì)量,測量信息如表1。
表1 智能泡沫尺寸和質(zhì)量
圖2 制備得到的智能泡沫
在萬能材料試驗機(GJ211S,Qing Ji)上對智能泡沫進行了3次單軸壓縮實驗。由于馬林斯效應,在第2、3 加載階段應力會變小。智能泡沫單軸壓縮應力應變曲線如圖3所示。可以從圖3中看出:智能泡沫的壓縮過程存在3 個階段,分別是彈性階段、應力平臺區(qū)以及密實區(qū)。在線彈性階段,應力隨著應變線性增長,直到達到峰值,約0.04 MPa,此時壓力約為16 N。隨后進入了第2個階段,即平臺區(qū),在該階段隨著應變增長,硅橡膠結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性屈曲,應力基本維持在一個穩(wěn)定階段。達到某一應變后,應力迅速上升,硅橡膠線條緊密接觸,進入了密實化階段。正是由于智能泡沫存在應力平臺區(qū),可以保證應變增加而應力基本不變。
圖3 智能泡沫單軸壓縮應力應變曲線
智能泡沫在使用前,需要對其進行標定。標定環(huán)境應與最終應用的場景緊密相關,所以直接在手指氣缸上進行標定。一般而言,F(xiàn)SR的電導和壓力呈近似線性關系,所以本文對智能泡沫的電導和壓力進行標定。
標定系統(tǒng)的示意及實物分別如圖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。PC 上利用C#編寫的上位機與數(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 標定系統(tǒng)示意
圖5 標定裝置實物
由于應力平臺區(qū)的初始壓力約16 N,將16 N以后的一段區(qū)間認為是保護區(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)應在應力平臺前面。如圖6(a)所示,標定過程中壓力在2 N左右,電阻值突然下降為1 MΩ 左右,此時對應的力為智能泡沫能測量的最小值。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。對智能泡沫標定過程重復3 次,從圖6(b)中可以看出,其重復性較好,線性擬合得到的R2達到0.963 1。
利用智能泡沫估測手指氣缸的夾持力,并與真實力進行對比。此外還將智能泡沫和FSR 進行對比。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,同時記錄氣壓值、壓力值以及電阻值。利用電阻值和標定得到的公式,預估出夾持力。如圖8(a)所示,在4 ~12 N的測量范圍內(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,由于沒有應力平臺,隨著氣壓的不斷增加,夾持力一直在增大。
圖8 智能泡沫預估力及與FSR對比
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。并在手指氣缸上對智能泡沫進行標定,確定其工作范圍為4 ~12 N,其電導和壓力線性相關,利用得到擬合方程進行預估夾持力,誤差不超過1.5 N。并且當氣壓在450 ~560 kPa內(nèi)波動時,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物體。