基于FSR嵌入的智能泡沫在氣動夾爪的應用*

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）

0 引 言

夾爪是一種用于抓放或操作物體的重要設備，根據其驅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的任務，夾爪既需要能感知夾持狀態，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，且存在執行速度慢、發熱等問題。所以，實際在工業應用中，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定控制。通常，可以利用機械結構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構，可以通過調節墊片厚度進行調控恒力值的大小，不需要使用任何傳感器和反饋控制，但夾爪并不能監測到物體的夾持狀態。Ottaviano E等人［3］在手指氣缸上安裝力傳感器進行閉環反饋控制，但其夾爪手指指尖是剛性結構，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，利用傳感器數據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的觸覺傳感器，如基于壓阻效應的力敏電阻器（force sensitive resistor，FSR）。FSR有著許多的優點，包括成本低、魯棒性好、測力范圍大、驅動簡單、節能、易于維護和尺寸小［5］，可以用來檢測指力［6］，控制假肢抓握力［7］，或監測足底壓力［8］等。但是，FSR 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，FSR與施加在有效區域的力的分布情況非常敏感，往往需要在有效區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，FSR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的材料或結構，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、化學穩定性、熱穩定性等優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構。

本文利用簡單、低成本的直書寫3D 打印方式將FSR嵌入具有規則多孔結構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波動，可以保證夾持力的恒定，從而避免由于氣壓不穩定而損壞物體的情況發生。

1 智能泡沫的制備

1.1 實驗材料

所使用的硅橡膠材料和固化劑、緩固劑（3-丁炔-1-醇）質量配比為100∶10∶1，放入行星攪拌機（ZYMC-180 V，ZYE）內充分攪拌，設置轉速1500 r／min，時間3 min；再將漿料放入針筒內，離心轉速5000 r／min，時間5 min，去除氣泡。所使用的商用FSR（IMS-C10 A，I-Motion）為圓形結構，有效傳感直徑為10 mm，總直徑為16 mm，標稱量程為0.05 ～2 kg。

1.2 制備過程

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的Z 軸平臺上，運動系統的絕對定位精度為±5 μm，重復定位精度為1 μm。將內徑為400 μm 的針嘴固定在針筒上。

如圖1（a），所制備的硅橡膠結構是簡單立方體結構，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 層的簡單立方體結構；然后，將FSR輕放在其上，繼續打印同樣的硅橡膠結構，保證層數相同；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。

2 智能泡沫的表征與標定

2.1 尺寸與質量

如圖2所示，得到的智能泡沫由硅橡膠結構和被嵌入其中的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域的長寬，分析天平測量總體質量，測量信息如表1。

表1 智能泡沫尺寸和質量

圖2 制備得到的智能泡沫

2.2 力學性能

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?？梢詮膱D3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、應力平臺區以及密實區。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，在該階段隨著應變增長，硅橡膠結構發生彈性屈曲，應力基本維持在一個穩定階段。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，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

2.3 標 定

智能泡沫在使用前，需要對其進行標定。標定環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，FSR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）改變進氣方向實現開閉，在夾爪手指之間放置彈簧，便可以通過控制氣壓，調控氣缸的行程。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，將其采集的壓力數據用于標定。利用數字萬用表（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 標定系統示意

圖5 標定裝置實物

由于應力平臺區的初始壓力約16 N，將16 N以后的一段區間認為是保護區域，即智能泡沫在此階段下發生一定形變仍能保證壓力基本不變。正常使用的線性區應在應力平臺前面。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。為了穩定性考慮，選擇的智能泡沫的工作區間為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。

3 智能泡沫預估力與維持恒力

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

調節氣壓從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，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，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

4 結 論

本文利用直書寫3D打印方式將FSR嵌入在一定規則結構的硅橡膠中，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。