多腔气囊式三层结构软体手指的研制

0 引言

软体手指是由柔性材料制成的仿人体手指，可适应不同外形结构和材质的抓取对象，因此由软体手指制成的机械手在服务型机器人、特种机器人、医疗康复器械和轻工业等领域有广阔应用前景.早在本世纪初国外学者开始关注并研究软体材料及软体机械手[1-6].国内对软体机械手的研究刚刚开始，张进华综述了软体机械手的应用领域、驱动方式、材料与制造、建模与控制的相关问题[7].肖宇设计了手指由软关节与较链型指骨粘结而成的软体机械手，能够模仿人的动作[8].徐淼鑫介绍了一种软体驱动三触手柔性手爪结构，建立并验证了软体手指弯曲变形的数学模型[9].赵芳设计了一套软体外骨骼式机器人系统，用于辅助偏瘫患者在康复初期进行手指的屈伸运动训练[10].

本文在明确软体手指单向弯曲原理的基础上，提出了软体手指多腔气囊式三层结构和制作方法；以液态硅胶为原材料注塑成型并制作出软体手指；搭建气动控制系统进行手指抓握实验，验证了软体手指结构设计和制作方法的可行性.

1 气动软体手指驱动原理与结构设计

以正常成年人手指数据为设计标准，并考虑变形、安装等因素，设计软体手指的长、宽、高分别为138 、18 和10 mm.软体手指由上层软胶气囊、中间层不可伸长材料和下层软胶三层粘合而成(图1).上层软胶气囊为多腔中空结构，中间层可采用薄塑料、尼龙或纸片等不可伸长材料作填充.充气时上层气囊膨胀变形，受不可伸长材料制约，整个软体手指向下弯曲；排气时气囊内失去压力，手指恢复原形；充气和排气的过程可实现手指单方向的屈伸.

图1 软体手指结构

为了验证设计结构的正确性，建立了软体手指的三维模型和有限元分析模型(图2),设置软体硅胶材料为超弹性体,中间层为弹性体,材料参数见表1.在超弹性体气囊空腔的内表面上施加压力0.055 MPa，模型整体施加重力，单元类型为四面体单元.变形后的弹性手指冯氏应力云图如图2(c)所示，最大应力值为20.934 MPa，最小值为0.002 1 MPa，说明三层结构的手指模型在充进压力气体后可实现弯曲.

表1 材料参数

(a) 三维结构模型 (b) 有限元模型

(c)分析结果模型

图2 手指三维模型

2 软体手指试制

2.1 模具设计与3D打印

根据软体手指上层气囊和下层软胶的三维结构，设计了上层气囊和下层软胶的制作模具，以PC为原材料打印出相应模具，如图3所示.

2.2 模具浇注成型

(1)配制材料和仪器

硅胶材料选用深圳红叶公司生产的E625A(硅胶)和E625B(固化剂)按1∶1的比例配合而成，配制过程需要精密电子秤、50 mL烧杯、玻璃棒和注射器.

(2)硅胶手指制作步骤

①将烧杯放置于电子秤中央，刻度清零；分别用注射器吸取10 g的E625A和E625B材料，注入到烧杯中；用搅拌棒顺时针或逆时针缓慢搅拌大约2 min，将混合溶液静置10 min.

②将上层模具1和上层模具2配合定位，缓慢的注入混合溶液，将浇注后的模具静置5 h后小心取出.注意浇注过程尽量不要产生气泡，否则会影响成品气密性.

③在下层模具中注入混合硅胶溶液，将中间层纸片小心的嵌入到混合溶液中，确保纸片与硅胶溶液充分接触，避免大的气泡产生；将步骤②制作好的上层硅胶扣在下层模具上，静置5 h后取出成品.制作后的成品如图3所示.

图3 模具设计与打印

3 气压控制系统搭建及抓握实验

3.1 控制系统

气压控制系统包括驱动单元、执行单元和控制单元，如图4所示.驱动单元的主要部件是微型真空泵(Kamoer公司型号KVP04)，其出口通过PVC管与电磁换向阀中的常开口连接，为软体手提供压缩空气.执行单元包括电磁换向阀、三通管和软体手；电磁阀的排气口通过三通管与软体手相连，三通管用于将电磁阀输出的气体分成三路分别输送给三根软体手指.控制单元主要包含真空泵调速控制器、继电器、单片机.真空泵控制器采用PWM外置调速板，通过调节调速板旋钮控制真空泵的流速，由单片机控制继电器的吸合进而控制电磁阀的开关.

图4 软体手控制方案

3.2 气压系统

气泵与电磁阀组间PVC管连接方式如图5所示.充气过程中电磁阀1处于通电状态，电磁阀2处于断电状态；排气过程中电磁阀1处于断电状态，电磁阀2处于通电状态；排气过程中，气路是分开的，从真空泵输出的气体流经电磁阀1后直接排入大气中，软体手指中气体与P口连通的大气有一定气压差，在硅胶变形后产生的恢复力的作用下，软体手指内的气体直接排入大气中.保持阶段时电磁阀1和2均断开，真空泵中气体直接排入大气，而软体手指中气体体积则不会发生变化.

图5 气动系统连接示意图

3.3 抓握实验

将3根软体手指固定在手套上(图6(a))进行抓握实验，开通真空泵，设置电磁阀1开通电磁阀2关闭，软体手体内充气弯曲(图6(b))， 证明手指制作和气路搭建成功.

(a) 伸直 (b) 弯曲

图6 软体机械手

分别取喷雾瓶、盛满液体量筒和矿泉水瓶进行抓握实验，软体手能够弯曲并抓握住三种圆柱状的物体，如图7所示.试样的外形尺寸和重量如表2所示.该结果表明此软体机械手能够抓握直径30～64 mm之间，重量不超过60.8 g的物体，也说明软体手指的设计制作方法可行正确，下一步可优化软体手指和机械手结构、材质，提高承载力、抓握更多形状的物体.

(a) 抓取喷雾瓶

(b) 抓取量筒

(c) 抓取矿泉水瓶

图7 抓握实验

表2 抓取物体参数

4 结论

以手指单向屈伸为目标，提出了多腔气囊式软体手指的工作原理，设计了软体手指的三维结构并进行充气后的有限元分析，验证了设计的合理性；设计了软体手指的制作模具，在3D打印软体手指上层气囊模具和下层软胶模具的基础上，以液态硅胶为原材料，注塑成型了多腔气囊式软体手指；设计并搭建了机械手屈伸的气压控制系统，进行了机械手抓取喷雾瓶、量筒和矿泉水瓶的实验，该软体机械手能够抓取直径30～64 mm的圆柱体，抓取重量不超过60.8 g.分析和实验结果说明提出的软体手指结构和制作方法是正确的，为软体机械手、手指康复训练器械及其它软体机器人研制提供借鉴.