基于熱縮材料的氣動(dòng)柔性機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁耀升，劉曉偉，彭群家

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215000)

0 前言

近幾十年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，以及自動(dòng)控制、工業(yè)制造、機(jī)器人形態(tài)學(xué)等方面技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人在人類社會(huì)中扮演著越來(lái)越重要的角色。氣動(dòng)柔性機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)的剛性連接機(jī)器人，具有質(zhì)量輕、效率高、無(wú)污染、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)需元件驅(qū)動(dòng)、沒有活動(dòng)部件、具有良好的柔韌性等特點(diǎn)，在強(qiáng)輻射、電磁干擾、粉塵等惡劣條件下?lián)碛休^好的可靠性[1]，這使得柔性機(jī)器人在醫(yī)療、救援、探索、探測(cè)等領(lǐng)域越來(lái)越受到重視，并展現(xiàn)了巨大的發(fā)展?jié)摿2-3]。

與傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人相比，柔性機(jī)器人缺乏驅(qū)動(dòng)元件和活動(dòng)部件，導(dǎo)致柔性機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向成為機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。圍繞著柔性機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究。HARIGAYA等[4]設(shè)計(jì)了仿照蚯蚓運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和外形的柔性管道機(jī)器人應(yīng)用于復(fù)雜的小型管道，通過調(diào)節(jié)波紋管式人造氣動(dòng)肌肉的氣壓實(shí)現(xiàn)收縮和伸展運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到轉(zhuǎn)向彎曲的目標(biāo)。VERMA等[5]設(shè)計(jì)一種氣動(dòng)管道機(jī)器人，機(jī)器人本體由屈曲氣動(dòng)執(zhí)行器組成，在周期性氣壓的驅(qū)動(dòng)下，可以在不同直徑的管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)爬行及直角轉(zhuǎn)彎功能；MOSADEGH 等[6]設(shè)計(jì)一種具有多個(gè)獨(dú)立彈性氣囊沿著軸向分布的柔性彎曲驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)氣囊與中空的通道相連，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器充氣時(shí)各彈性氣囊發(fā)生膨脹，在所有彈性氣室的膨脹作用下，柔性彎曲驅(qū)動(dòng)器向著未充氣一側(cè)彎曲實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。BRANYAN等[7]基于立體剪紙技術(shù)設(shè)計(jì)一種仿蛇軟體機(jī)器人，即在聚酯塑料上切割出鱗片圖案，然后將其覆蓋在由氣腔和玻璃纖維限制層組成的柔性彎曲驅(qū)動(dòng)器上，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器充氣膨脹彎曲時(shí)，外側(cè)的立體剪紙也發(fā)生明顯彎曲，與地面產(chǎn)生的摩擦力可以使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎前進(jìn)。胡兵兵、金國(guó)慶[8]模仿虎甲幼蟲的形態(tài)與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)設(shè)計(jì)一種軟體機(jī)器人，機(jī)器人本體由頭部、頸部和尾部3個(gè)部分組成，在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)頸部和尾部的彎曲驅(qū)動(dòng)器和多腔體驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行充放氣循環(huán)，它可以在一個(gè)充放氣周期內(nèi)轉(zhuǎn)彎15°。姚建濤等[9]設(shè)計(jì)一種輪足式軟體機(jī)器人，該軟體機(jī)器人由圓形氣腔結(jié)構(gòu)和底部的單向輪組合而成，當(dāng)左、右兩側(cè)的氣腔充入相同壓力的氣體時(shí)，機(jī)器人能夠完成向前直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)左、右兩側(cè)的氣腔充入不同壓力的氣體時(shí)，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)左、右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。蔣程、裴澤光[10]設(shè)計(jì)一種基于織物/折紙復(fù)合材料的仿蠕蟲管道軟體機(jī)器人，其中PVC涂塑尼龍機(jī)織物與折紙結(jié)構(gòu)分別用作機(jī)器人的皮膚和骨骼；機(jī)器人兩端設(shè)有錨定器，錨定器表面附著用于加強(qiáng)錨定作用的硅膠塊；機(jī)器人中段采用類似風(fēng)箱結(jié)構(gòu)的主體段連接，實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)前進(jìn)。韓奉林等[11]仿生設(shè)計(jì)并制造了一種仿尺蠖軟體機(jī)器人，該機(jī)器人主要由變形腔體和吸附腔體組成，變形腔體充氣和放氣配合吸附腔體的交替吸附，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的前進(jìn)和爬坡運(yùn)動(dòng)。王宇軒等[12]提出一種新穎的具備多地形運(yùn)動(dòng)能力的雙模塊軟體機(jī)器人，每個(gè)軟體模塊由四氣室全向彎曲軟體氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器組成，能夠沿圓形管道、方形管道及不規(guī)則桿狀物(人體小臂)進(jìn)行垂直攀爬運(yùn)動(dòng)，爬行速度能夠達(dá)到11.7 mm/s。宋懋征等[13]仿照蠕蟲運(yùn)動(dòng)機(jī)制，利用自主研發(fā)的徑向膨脹和軸向伸縮軟體驅(qū)動(dòng)器，研制一種蠕動(dòng)式氣動(dòng)軟體管道機(jī)器人，該機(jī)器人具有較好的靈活性和適應(yīng)性，可在一定直徑范圍的管道內(nèi)自由爬行，爬行最大運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)4.64 mm/s，載質(zhì)量能力為1 000 g。李朋春等[14]提出一種氣壓驅(qū)動(dòng)的仿“藤蔓”生長(zhǎng)型軟體機(jī)器人，通過內(nèi)部氣壓驅(qū)動(dòng)的薄膜尖端外翻實(shí)現(xiàn)其生長(zhǎng)，并利用線驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)彎關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的尖端轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)控制下可調(diào)的連續(xù)轉(zhuǎn)向。氣動(dòng)柔性機(jī)器人經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了眾多的研究成果與突破，通過控制轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的氣壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。但是，這類機(jī)器人應(yīng)用于水下或者長(zhǎng)距離探測(cè)時(shí)，由于外界壓力的變化以及輸氣管的耗損，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)向效率大幅度降低，制約其大規(guī)模應(yīng)用。

本文作者設(shè)計(jì)一種充氣臂式主動(dòng)轉(zhuǎn)向柔性機(jī)器人，對(duì)氣動(dòng)柔性機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這項(xiàng)研究對(duì)氣動(dòng)柔性機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)控制具有重要的指導(dǎo)與借鑒意義。

1 氣動(dòng)柔性機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)與功能

設(shè)計(jì)的氣動(dòng)柔性機(jī)器人主要由帶膜構(gòu)成的柔性充氣臂、機(jī)器人端部工裝和熱縮膜組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。帶膜從端部工裝中心孔穿過并外翻回到氣源箱體，在氣源充氣作用下，帶膜構(gòu)成的柔性充氣臂徑向膨脹外翻延展，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)向前移動(dòng)，如圖1(a)所示。當(dāng)前方出現(xiàn)彎道需要轉(zhuǎn)向時(shí)，由溫控芯片對(duì)轉(zhuǎn)向端加熱塊進(jìn)行通電致熱；加熱塊發(fā)熱后，對(duì)應(yīng)區(qū)域的熱縮膜收縮，牽連迫使充氣臂薄膜同時(shí)收縮，使兩側(cè)充氣袋膜的展開長(zhǎng)度不一致，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，如圖1(b)所示。

圖1 氣動(dòng)柔性機(jī)器人結(jié)構(gòu)

機(jī)器人端部工裝上安裝有加熱裝置、阻力塊和特氟龍滾輪，如圖2所示。采用直徑為1.75 mm的PLA絲材通過FDM 3D打印制備。

圖2 機(jī)器人端部

1.2 材料選擇

1.2.1 充氣梁袋膜材料

氣動(dòng)柔性機(jī)器人一般不易受到碾壓重?fù)舻膿p害，但是卻難以抵抗穿刺破壞。而穿刺破壞對(duì)氣動(dòng)軟體機(jī)器人具有致命威脅，一旦破損其驅(qū)動(dòng)性能會(huì)大幅下降甚至喪失，所以選擇具有較高的強(qiáng)度、韌性、耐褶皺、耐刺穿、較小的摩擦因數(shù)等性能的高分子材料作為氣動(dòng)柔性機(jī)器人的帶膜。本文作者參考GB/T 37841—2019《塑料薄膜和薄片耐穿刺性測(cè)試方法》，實(shí)驗(yàn)樣件選取9種不同厚度和材料的帶膜，實(shí)驗(yàn)樣件如表1所示，切割成為φ90 mm的圓，每組制備8個(gè)試樣，選取其中3組結(jié)果并取最大穿刺力平均值。

表1 實(shí)驗(yàn)樣件

耐穿刺力實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，主要由鋼針固定裝置、試樣固定環(huán)組成。試樣固定在兩個(gè)夾持環(huán)之間，穿刺針以恒定的速率垂直頂刺試樣中心位置，記錄試樣穿刺時(shí)承受的負(fù)荷，得到的不同材料的最大穿刺力如圖4所示。

圖3 帶膜穿刺實(shí)驗(yàn)工裝

圖4 不同材料最大穿刺力圖像

從圖4可以看出：0.02 mm厚的POF材料的抗刺穿性能最好。考慮到氣動(dòng)柔性機(jī)器人是通過帶膜外翻實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。因此，帶膜材料的選取除了要考慮抗刺穿能力以外還需要考慮材料的自潤(rùn)滑性，使其外翻流暢。綜合考慮后，帶膜選擇0.08 mm厚度的PE材料膜。

1.2.2 熱縮膜材料

氣動(dòng)柔性機(jī)器人的轉(zhuǎn)向工作原理是：熱收縮膜貼敷于袋膜內(nèi)側(cè)，當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時(shí)，由溫控芯片對(duì)轉(zhuǎn)向端加熱塊進(jìn)行通電致熱；加熱塊發(fā)熱后，促使對(duì)應(yīng)區(qū)域的熱縮膜收縮，使得兩側(cè)袋膜伸出長(zhǎng)度不一致，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。因此，熱縮膜的熱縮率對(duì)于柔性機(jī)器人的轉(zhuǎn)向有顯著影響。對(duì)比市面上現(xiàn)有的幾種不同厚度和寬度的PVC熱縮膜進(jìn)行熱收縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)樣件如圖5所示，測(cè)試結(jié)果如表2所示。對(duì)比表2中熱縮率的結(jié)果，選取厚度為0.075 mm、寬度為20 mm的PVC作為熱縮膜。

表2 PVC材料熱縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 熱縮前(a)、后(b)試樣

PVC熱縮材料在高于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度后會(huì)有明顯的熱縮效果，但是加熱時(shí)在一定拉力作用下，PVC熱縮膜出現(xiàn)了延長(zhǎng)現(xiàn)象，所以采取加熱轉(zhuǎn)向時(shí)排氣降低充氣臂內(nèi)壓力、然后再充氣的這種循環(huán)操作，但是充氣壁內(nèi)的氣體始終無(wú)法排盡。所以要對(duì)帶載作用下的熱縮膜拉力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試出不同寬度熱縮膜在不同拉力下的熱縮率。軸向力計(jì)算按式(1)計(jì)算：

F=(πR2p)/4

(1)

其中：F為筒膜內(nèi)軸向力，N；p為筒膜內(nèi)壓，MPa；R為筒膜直徑，mm。

實(shí)驗(yàn)采用拉力計(jì)對(duì)幾種不同寬度熱縮膜進(jìn)行加熱條件下的拉力測(cè)試，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6(a)所示，實(shí)驗(yàn)后樣件如圖6(b)所示。排除了幾組熱縮不明顯和加熱時(shí)被拉長(zhǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，可以看出：溫度在80 ℃以上時(shí)，熱縮效果會(huì)有明顯的提升。且寬度要在10 mm以上才會(huì)有更好的熱縮效果，所以選擇寬度為20 mm的熱縮膜，其熱縮率可以達(dá)到5%以上。

圖6 加熱測(cè)試

圖7 拉力作用下不同溫度熱縮率結(jié)果

2 氣動(dòng)柔性機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 算法

氣動(dòng)柔性機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的靈活性是其和傳統(tǒng)剛性機(jī)器人相比最大的優(yōu)勢(shì)，其中轉(zhuǎn)向靈活性是氣動(dòng)柔性機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。文中提出的柔性機(jī)器人，采用了機(jī)器人頭部引導(dǎo)的方法實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)柔性機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的轉(zhuǎn)向控制功能。其轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)示意如圖8所示。距離三通L(單位：m)處開始加熱轉(zhuǎn)向，在前進(jìn)距離L1時(shí)機(jī)器人頭部和管壁接觸。

圖8 轉(zhuǎn)向策略

前進(jìn)至L1處熱縮側(cè)帶膜長(zhǎng)度通過公式(2)計(jì)算：

(2)

未熱縮側(cè)前進(jìn)L1距離熱縮側(cè)帶膜長(zhǎng)度通過公式(3)計(jì)算：

(3)

熱縮長(zhǎng)度ΔL通過公式(4)計(jì)算。

(4)

其中：n為轉(zhuǎn)向角度，(°)；R為機(jī)器人頭部直徑，mm。

前進(jìn)距離L1時(shí)機(jī)器人頭部和管壁接觸后，繼續(xù)熱縮直至頭部進(jìn)入三通，并且和三通夾角為45°，可以在通過三通后在管道內(nèi)順利運(yùn)行。

2.2 控制系統(tǒng)

氣動(dòng)柔性機(jī)器人轉(zhuǎn)向功能控制系統(tǒng)框圖如圖9所示，整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)、2個(gè)驅(qū)動(dòng)器、2個(gè)步進(jìn)電機(jī)、前端加熱控制模塊和8個(gè)加熱塊組成。上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、前端加熱控制模塊通過RS485進(jìn)行組網(wǎng)通信，然后由上位機(jī)發(fā)送指令控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與加熱塊的溫度。

圖9 整體控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用LabVIEW編制上位機(jī)軟件，2個(gè)驅(qū)動(dòng)器都采用RS485總線型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器；采用57H2112步進(jìn)電機(jī)，其扭矩為3.5 N·m，機(jī)身長(zhǎng)度123 mm，質(zhì)量1.7 kg。前端加熱控制器以STM32F103C8T6為控制核心，通過與SP3485EN-L/TR通信芯片、TPS5430DDAR降壓芯片、TLP521-1晶體管輸出光電耦合器、TXD2SS-24V-3繼電器配合進(jìn)行工作。單片機(jī)接收上位機(jī)的控制信號(hào)，然后控制對(duì)應(yīng)的繼電器工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)加熱通道的打開與關(guān)閉，加熱溫度用繼電器打開與關(guān)閉的時(shí)間進(jìn)行控制。前端加熱控制器原理如圖10所示，實(shí)物如圖11所示。由于前端加熱控制器需要與轉(zhuǎn)向前端進(jìn)行配合，而且前端空間較小，所以電路板設(shè)計(jì)為雙層板，形狀設(shè)計(jì)為環(huán)形。柔性機(jī)器人控制箱如圖12所示。

圖10 前端加熱控制器原理

圖11 前端加熱控制器實(shí)物

圖12 硬件系統(tǒng)整體

為了減輕前端質(zhì)量與線的數(shù)量，加熱模塊沒有安裝溫度傳感器，加熱片溫度通過控制加熱時(shí)間與保溫時(shí)間占空比實(shí)現(xiàn)。加熱目標(biāo)溫度為80 ℃，溫度控制所需的時(shí)間、占空比參數(shù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，加熱塊溫度控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。可知：為了使溫度控制在80 ℃，需要將加熱片通電36 s，然后將加熱器接通與斷開的占空比設(shè)置為0.072，基本可以保證溫度維持在80～85 ℃。

表3 加熱塊溫度控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

上位機(jī)程序通過LabVIEW進(jìn)行編寫，設(shè)計(jì)控制界面與部分程序如圖13—14所示，主要分為5個(gè)部分：串口設(shè)置、當(dāng)前位置顯示、卷膜電機(jī)控制、電纜電機(jī)控制、加熱控制。串口設(shè)置用來(lái)配置485通信參數(shù)，電機(jī)控制主要控制電機(jī)速度調(diào)節(jié)、電機(jī)轉(zhuǎn)向與電機(jī)停止。加熱控制主要包括加熱的方向與加熱啟動(dòng)與停止。

圖13 控制界面

圖14 上位機(jī)部分控制程序

3 氣動(dòng)柔性機(jī)器人原型加工

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，課題組加工制作了氣動(dòng)柔性機(jī)器人，其實(shí)物如圖15所示。其箱體長(zhǎng)度約為860 mm、寬度為860 mm、厚度為15 mm，機(jī)器人頭部長(zhǎng)度為160 mm，最大直徑為140 mm。

圖15 氣動(dòng)柔性機(jī)器人實(shí)物

和傳統(tǒng)剛性機(jī)器人采用數(shù)量固定的剛性關(guān)節(jié)和連桿驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的方式不同，氣動(dòng)柔性機(jī)器人基于端部工裝的引導(dǎo)，在運(yùn)動(dòng)中由于不斷加熱，造成不同加熱位置出現(xiàn)的熱縮現(xiàn)象，導(dǎo)致類似于傳統(tǒng)剛性機(jī)器人的關(guān)節(jié)和連桿數(shù)量一直在不斷發(fā)生變化。這種現(xiàn)象不斷組合在一起，就使得充氣壁加熱一側(cè)形成了一條圓弧狀的彎曲，在氣動(dòng)柔性機(jī)器人的端部引導(dǎo)下整體就發(fā)生了轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，如圖16所示。

圖16 氣動(dòng)柔性機(jī)器人轉(zhuǎn)向

4 總結(jié)

本文作者制作了一種具有轉(zhuǎn)向功能的氣動(dòng)柔性機(jī)器人，并對(duì)其端部執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模設(shè)計(jì)、對(duì)充氣壁材料和熱縮膜材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)選擇。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，充氣壁帶膜選擇0.08 mm厚的PE筒膜，熱縮膜選取厚度0.075 mm、寬度20 mm的PVC熱縮膜，并選擇熱縮溫度為80 ℃。提出氣動(dòng)柔性機(jī)器人在T形彎管中通過加熱熱縮膜收縮、柔順過彎的轉(zhuǎn)向策略，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中所提轉(zhuǎn)向策略的有效性。未來(lái)，將繼續(xù)提升機(jī)器人的智能化，搭載更多微型探測(cè)器，提高氣動(dòng)柔性機(jī)器人對(duì)陌生環(huán)境的感知能力，對(duì)運(yùn)用熱縮轉(zhuǎn)向策略氣動(dòng)柔性機(jī)器人的移動(dòng)速度、運(yùn)行精確度及轉(zhuǎn)向成功率進(jìn)行分析。