張興隆， 馮楊倩， 華 超， 孫逸飛， 陳 昕

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

軟體機(jī)器人本體通常采用柔性材料制造而成，擁有多自由度和能夠連續(xù)變形的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)剛性機(jī)器人相比具有更高的順從性，并且在人機(jī)交互方面也有著很大的優(yōu)勢?；谝陨咸卣?，軟體機(jī)器人如今已被廣泛應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)[1]、醫(yī)療康復(fù)與保健[2]、軍事勘察和地震、火災(zāi)[3]等公共安全事故的救援[4]領(lǐng)域中。軟體機(jī)械手作為軟體機(jī)器人的一種典型代表，不僅具有軟體機(jī)器人多自由度、高順從性和人機(jī)交互能力強(qiáng)的特點(diǎn)，還具有彎曲、伸長、收縮、膨脹等變形的能力，近年已經(jīng)逐漸成為軟體機(jī)器人領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)[5-8]。

軟體機(jī)械手的驅(qū)動方式主要有氣動驅(qū)動、拉線驅(qū)動、SMA/SMP驅(qū)動、EAP驅(qū)動四種[9]。其中氣動驅(qū)動有著質(zhì)量輕、易于制造安裝維護(hù)、不污染環(huán)境、成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于是氣動驅(qū)動，所以軟體手內(nèi)部大多是封閉的腔體結(jié)構(gòu)，通常采用纖維約束[10]或者氣動網(wǎng)絡(luò)[11]兩種不同的思路來實(shí)現(xiàn)氣動軟體手爪的多種變形。

目前氣動軟體手爪的制造方法多使用分層鑄造[12-15]，再進(jìn)行平面粘接，將兩層以上的硅膠材料粘接在一起，形成腔體，充氣使腔體變形來得到預(yù)期的相對運(yùn)動。這種制造方法使手爪的每一層都需要單獨(dú)的一套模具來進(jìn)行澆注，雖然有著澆注難度低、制作簡單、速度快等優(yōu)點(diǎn)，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以保證粘接處的強(qiáng)度以及氣密性。失蠟鑄造也是制造軟體機(jī)器人常用的方法之一[16]，使用這種方法可以鑄造復(fù)雜的腔室，并且可以采用一體式澆注，避免了粘接缺陷，可以提高氣動軟體機(jī)器人的氣密性、強(qiáng)度、壽命和安全性。同時(shí)，由于石蠟可多次回收利用，在綠色環(huán)保的同時(shí)可以降低軟體機(jī)器人制造成本。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的氣動軟體手爪采用了多腔體氣動網(wǎng)格驅(qū)動，作為軟體機(jī)械手的一種典型驅(qū)動方式，具有輸出力度大、響應(yīng)速度快、體積小、變形效果顯著、人機(jī)交互能力良好、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。執(zhí)行單元剖面圖如圖1所示，多腔體氣動網(wǎng)格由一條通道連接多個(gè)腔體組成，從外側(cè)看是由7個(gè)半圓柱體氣囊和一個(gè)四分之一球體氣囊組合而成的驅(qū)動層和底部的限制層組成。

圖1 執(zhí)行單元剖面圖

當(dāng)通道被充入氣體時(shí)，驅(qū)動層的每個(gè)腔體都受到相同的壓強(qiáng)作用，引起氣囊變形膨脹，單個(gè)氣囊內(nèi)側(cè)受氣體壓力發(fā)生形變開始向四周膨脹，在壁厚相同的情況下，一般受壓面面積越大，膨脹愈明顯，因此單個(gè)腔體的側(cè)壁膨脹最為明顯。而驅(qū)動器是由7個(gè)腔體縱向排列組合而成，因此氣囊充氣會使相鄰的氣囊側(cè)壁發(fā)生膨脹擠壓，一個(gè)四分之一球體氣囊也受氣體壓力發(fā)生膨脹，半徑增大，縱向距離也同時(shí)增大，從而整個(gè)氣囊部分在沒有底部限制層的情況下，受氣體壓力作用會發(fā)生明顯的伸長變形。

而由于氣囊底部限制層的存在，整個(gè)氣囊的伸長形變受到了很大的約束。底部的限制層在氣體壓強(qiáng)的作用下只會發(fā)生很小的縱向形變，即在氣體壓力作用下，執(zhí)行單元驅(qū)動層伸長量遠(yuǎn)大于限制層的伸長量，從而導(dǎo)致整個(gè)執(zhí)行單元在這種情況下發(fā)生向下的彎曲變形，氣動網(wǎng)格驅(qū)動原理如圖2所示。

圖2 氣動網(wǎng)格驅(qū)動原理

2 制造工藝

目前氣動軟體手爪的制造工藝通常采用分層制造的方法，需要粘接成型，容易產(chǎn)生粘接缺陷，從而影響強(qiáng)度、氣密性、使用年限等。傳統(tǒng)的失蠟制造工藝雖然可以使氣動軟體手爪一體成型，但仍有液體硅膠流動性差、蠟芯容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)與傾斜問題。本工藝研究依據(jù)擴(kuò)散理論，發(fā)現(xiàn)在鑄造過程中硅膠的固液界面會發(fā)生互相滲透互溶的現(xiàn)象，因此采用失蠟法加多步澆注的方式，既能使復(fù)雜的制造工藝得到簡化，降低模具的設(shè)計(jì)難度，又避免粘接，提高了氣動軟體手爪的密封性。

2.1 失蠟鑄造

失蠟法也稱“熔模法”，使用這種方法可以加工復(fù)雜的腔室，避免了粘接，在提高軟體機(jī)器人氣密性的同時(shí)，降低了軟體機(jī)器人的制造成本。原理是利用了石蠟材料與硅膠材料在不同溫度下的不同狀態(tài)進(jìn)行鑄造。其制造過程為：先將石蠟熔化倒入蠟芯模制成氣動軟體手爪的內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)(蠟芯)，在之后進(jìn)行的多步澆注中將蠟芯封入手爪中，待硅膠完全凝固后取出，最后將封入軟體硅膠手爪的蠟芯融化，使其流出?？梢圆捎盟〖訜岬姆椒ɑ蛘邔⒊善分糜?5 ℃恒溫箱中，待硅膠手爪中的蠟芯充分熔化流出，完成失蠟鑄造。失蠟法示意圖如圖3所示。

圖3 失蠟法示意圖

2.2 多步澆注

通過對傳統(tǒng)失蠟法鑄造氣動軟體手爪的工藝研究以及實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)其制作工藝存在兩個(gè)方面的問題：①液態(tài)硅膠流動性差，易在澆注的過程中在蠟芯的下方形成氣體空腔。②氣動軟體手爪只存在單側(cè)氣孔，在蠟芯的固定過程中，由于重力、浮力的影響以及石蠟本身剛度的限制，無法避免地出現(xiàn)蠟芯的傾斜和偏移，導(dǎo)致手爪的內(nèi)部氣體空腔出現(xiàn)錯(cuò)位。本研究針對這幾個(gè)問題采用多步澆注的方式，在底層硅膠成型后嵌入蠟芯再繼續(xù)倒入液態(tài)硅膠。依據(jù)擴(kuò)散理論和實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)上層液態(tài)硅膠會和底層固態(tài)硅膠產(chǎn)生滲透互溶的現(xiàn)象，從而形成一個(gè)整體。既解決了蠟芯傾斜的問題，又降低了澆注難度，提高了手動澆注的容錯(cuò)率。氣動軟體手爪多步澆注示意圖如圖4所示。

圖4 氣動軟體手爪多步澆注示意圖

依據(jù)擴(kuò)散理論，液態(tài)硅膠與固態(tài)硅膠會在固液界面處相互擴(kuò)散溶解，這種擴(kuò)散是通過液態(tài)硅膠和固態(tài)硅膠互相滲透互溶進(jìn)行的。擴(kuò)散會使硅膠的固液界面形成過渡區(qū)，在過渡區(qū)內(nèi)硅膠的固體形態(tài)和液體形態(tài)共存并且交織在一起，當(dāng)液態(tài)硅膠緩慢固化，固液硅膠便形成了一個(gè)整體。影響兩種物質(zhì)相互擴(kuò)散的因素有物質(zhì)的溶解度參數(shù)、相對分子質(zhì)量大小和界面張力等。兩者的溶解度參數(shù)值相差越小，相溶性越好，越有利于擴(kuò)散作用的產(chǎn)生[17]。

3 模具設(shè)計(jì)及制作過程

氣動軟體手爪作為軟體機(jī)械手的執(zhí)行單元，目前多為中空結(jié)構(gòu)，主要由硅膠[18]、凝膠[19]、軟聚合物[20]等易變形、高彈性的材料構(gòu)成。本試驗(yàn)采用3D打印的方式制作蠟芯模具及軟體手爪模具，選擇了美國Smooth-On公司的Dragon Skin 30系列高性能鉑金固化硅膠作為軟體手爪的制作材料。

Dragon Skin 30為高性能鉑金固化硅膠，擁有卓越的物理性能和柔韌性，可用于醫(yī)療假肢和緩沖應(yīng)用場合。因此，使用這種材料制作軟體手爪能使其柔性和安全性得以保障，確保了在與人接觸或長時(shí)間存放過程中不會危害人的身體健康。Dragon Skin 30硅膠的使用溫度范圍為-53 ℃～+232 ℃，因此可以使用失蠟法進(jìn)行鑄造。其高彈性使其能通過更大的氣壓獲取更大的彎曲角度和末端抓持力，并且保證了在高氣壓下材料的穩(wěn)定性，不會輕易破損。除此以外，制作軟體手爪的材料理論上理想為沒有塑性屈服的彈性材料，而Dragon Skin 30硅膠具有不可壓縮性，所以其變形是可以恢復(fù)的彈性變形。Dragon Skin 30系列硅膠參數(shù)見表1。

表1 Dragon Skin 30系列硅膠參數(shù)

3.1 蠟芯鑄造

蠟芯模具結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用3D打印的方式制作，對蠟芯模具進(jìn)行了改進(jìn)及優(yōu)化。針對傳統(tǒng)蠟芯模具為一個(gè)整體而導(dǎo)致石蠟脫模難的問題，本研究將蠟芯模具沿對稱軸一分為二，該結(jié)構(gòu)在蠟芯脫模時(shí)使得石蠟與模具更容易分離，從而降低脫模難度。由于3D打印機(jī)存在誤差，為了使一分為二的蠟芯模具能準(zhǔn)確地鎖合，模具上設(shè)計(jì)了定位凸臺，并且一側(cè)模具的兩個(gè)圓柱凸臺有 5°的拔模斜度，方便裝拆。

圖5 蠟芯模具結(jié)構(gòu)

蠟芯制作時(shí)需要先將石蠟加熱到75 ℃，因?yàn)槭瀸儆诜蔷w，沒有固定的熔點(diǎn)且熔化過程中存在軟化過程，所以一定要在石蠟完全液化后再進(jìn)行澆注。澆注時(shí)應(yīng)從一側(cè)均勻連續(xù)地倒入液化后的石蠟，以便排出模具中的空氣，防止石蠟在室溫中凝固過快出現(xiàn)斷層，并在石蠟液面與模具上表面齊平時(shí)停止?jié)沧?。等待大約15～20 min后即可進(jìn)行脫模，這時(shí)的石蠟雖然已經(jīng)凝固，但質(zhì)地較軟，存在一定的韌性，不易發(fā)生斷裂，在減少脫模難度的同時(shí)降低了因操作不當(dāng)而破壞蠟芯的風(fēng)險(xiǎn)。若澆注時(shí)液面高出了模具上表面，則可以在脫模前用美工刀對石蠟腔體的上表面進(jìn)行出模前的修繕處理。

3.2 軟體手爪鑄造

氣動軟體手爪的硅膠模具采用3D打印的方式制作，總共分為四塊，由一個(gè)底座模具、一個(gè)墊片模具和兩塊蓋板組成。本制作需要分兩次澆注液體硅膠，每次澆注都需要用到底座，通過定位銷配合不同的蓋板來進(jìn)行氣動軟體手爪的分步制造。

在硅膠模具的設(shè)計(jì)中，針對液體硅膠流動性差的問題，在硅膠模具的設(shè)計(jì)上避開了懸空頂板設(shè)計(jì)，采用蓋板按壓成型設(shè)計(jì)，每塊蓋板模具上都留有16個(gè)直徑2 mm的小孔，小孔可以在蓋板蓋下時(shí)迅速排出蓋板下的空氣，從而減少產(chǎn)生氣泡的可能性。按壓成型時(shí)，由于小孔的存在，也會使模具中多余的液體硅膠通過小孔排出。此外，由于3D打印機(jī)存在誤差，如果設(shè)計(jì)凸臺和相對應(yīng)大小的孔進(jìn)行定位會導(dǎo)致制作軟體手爪時(shí)產(chǎn)生較大的偏差，甚至于模具與模具的接觸面存在較大空隙。本工藝采用4個(gè)直徑為5 mm的精密圓柱銷用于定位，因此每塊模具都在四個(gè)角落處設(shè)計(jì)了定位圓孔，使得模具能夠準(zhǔn)確鎖合。

硅膠手爪鑄造過程1如圖6所示，先將底座與插銷組裝好，然后將Dragon Skin 30系列A、B組硅膠以質(zhì)量比1∶1的比例混合均勻，抽真空處理，將混合均勻的液態(tài)硅膠緩慢倒入模具中，注入硅膠時(shí)應(yīng)均勻連續(xù)往返多次注入直至液面與底座上表面平齊，隨后將蓋板A通過定位孔緩緩向下平移，此時(shí)需注意會有液體硅膠從蓋板模具的小孔處流出。按壓緊實(shí)放置一段時(shí)間后，待硅膠固化后將模具分開，將制作成型的硅膠手爪驅(qū)動層部分取出，將邊緣處多余的硅膠裁剪至平整。脫模時(shí)，先拔掉四根圓柱形插銷，然后再將底座與蓋板分離開來。

圖6 硅膠手爪鑄造過程1

硅膠手爪鑄造過程2如圖7所示，將鑄造好的驅(qū)動層放入底座模具中，再將提前制作好的蠟芯嵌入半成品中，這時(shí)底座、驅(qū)動層和蠟芯的上表面應(yīng)處于同一平面。隨后將插銷固定，將墊片放置在底座上方，注意定位銷插入銷孔時(shí)墊片的方向。將Dragon Skin 30系列A、B組硅膠以質(zhì)量比1∶1的比例混合均勻，抽真空處理，隨后將混合均勻的液態(tài)硅膠緩慢注入到模具中，注入硅膠時(shí)應(yīng)均勻連續(xù)往返多次注入直至液面與墊片上表面平齊，隨后將蓋板B通過定位孔緩緩向下平移，此時(shí)需注意會有液體硅膠從蓋板模具的小孔處流出。按壓緊實(shí)后放置一段時(shí)間，待硅膠固化后先拔掉四根圓柱形插銷，然后再依次分離蓋板、墊片和底座，之后裁剪邊緣部分的多余硅膠即可。

圖7 硅膠手爪鑄造過程2

最后將封入軟體硅膠手爪的蠟芯融化，使其流出?？梢圆捎盟〖訜岬姆椒ǎ钩善烦寥胨?，因?yàn)槭炘?5 ℃時(shí)就會開始融化，且密度小于水，所以融化的石蠟會從氣孔流出漂浮于水面，達(dá)到失蠟的目的。也可以將成品置于75 ℃恒溫箱中，將軟體手爪懸空倒置，底下放置燒杯用于盛放融化滴落的石蠟，待硅膠手爪中的蠟芯充分熔化流出后，便得到一個(gè)完整的氣動軟體手爪成品。

4 仿真與試驗(yàn)

對于氣動軟體手爪而言，彎曲角度與驅(qū)動氣壓的關(guān)系反應(yīng)了其實(shí)際應(yīng)用場景與完成任務(wù)的能力。因此，為了驗(yàn)證該制作工藝的可行性，本文采用ABAQUS仿真軟件對氣動軟體手爪的彎曲變形進(jìn)行仿真分析，并對本工藝鑄造的氣動軟體手爪進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)。通過仿真分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比來驗(yàn)證該制作工藝下的氣動軟體手爪是否滿足使用要求[21-24]。

利用ABAQUS軟件對氣動軟體手爪進(jìn)行有限元分析的主要步驟為：①首先將繪制的氣動軟體手爪的三維模型導(dǎo)入到ABAQUS軟件里面；②在property模塊下對材料屬性進(jìn)行設(shè)置，并將材料屬性賦予實(shí)體；③建立分析步，并定義邊界條件和施加的載荷；④對氣動軟體手爪進(jìn)行網(wǎng)格劃分；⑤提交作業(yè)進(jìn)行仿真分析。

氣動軟體手爪彎曲試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的比較如圖8所示，氣動軟體手爪在不同氣壓下的彎曲角度如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果存在一定誤差，其誤差產(chǎn)生原因主要有兩點(diǎn)，一是在abaqus仿真時(shí)選擇的材料參數(shù)與實(shí)際情況有誤差，二是在實(shí)際制作氣動軟體手爪時(shí)產(chǎn)生的制作誤差。由圖可知，在相同氣壓下，氣動軟體手爪彎曲角度的試驗(yàn)結(jié)果略大于仿真試驗(yàn)結(jié)果。因此，該制作工藝下的氣動軟體手爪滿足使用要求。

圖8 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

5 結(jié)論

本文提出了一種氣動軟體手爪的新型失蠟法鑄造工藝，在傳統(tǒng)鑄造工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，采用失蠟法加多步澆注制造工藝，在避免粘接，確保氣密性的同時(shí)降低了澆注難度，并且對模具設(shè)計(jì)及制造過程進(jìn)行了優(yōu)化。最后，通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)對比，驗(yàn)證了該制造工藝的可行性。本文旨在為氣動軟體機(jī)器人的制造工藝提供一種新的思路與方法，該工藝可以用在軟體機(jī)器人許多不同部件的制造上，可以將原本復(fù)雜的制造過程簡單化，有效降低模具的設(shè)計(jì)難度，在降低成本的同時(shí)確保了成品功能性，為軟體機(jī)器人的制造提供了新思路。