基于SMA驅動的仿尺蠖鉤爪式軟體末端夾持器研究

李明軍，曾 翔，謝榮臻，張逸鴻

(1.廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006； 2.廣東嶺南職業技術學院 數控教研室，廣東 廣州 510663)

0 引言

自然界中很多生物都有類鉤爪結構以實現在復雜環境中的攀爬。眾多學者從這些生物的足部結構和運動機理中受到啟發，設計了各種末端夾持裝置。如：Pfeifer R團隊研發的末端吸附材料[1]；廣東工業大學管貽生教授團隊研發的真空吸附裝置[2]；清華大學研發的永磁吸附裝置[3]，它只適合于光滑的壁面，在有灰塵和粗糙的環境中容易失效；Parness設計的鉤爪末端夾持器LEMURⅡB[4]，用于太空土壤的采樣工作，體積大，太笨重，不適合樹木環境的攀爬，而且驅動裝置過于龐大，能耗大；波士頓動力公司研發了一系列的仿生鉤爪爬壁機器人[5]，其制造工藝復雜，成本高。針對存在的這些問題，本文研發了一種驅動簡單有效、制造工藝精簡、結構柔軟緊湊的微型鉤爪軟體末端夾持器，將其與仿尺蠖軟體驅動模塊[6]結合，完成攀爬任務。

1 仿生設計

1.1 尺蠖鉤爪結構運動機理

尺蠖鉤爪結構如圖1所示，尺蠖運動過程中是由其尾部的足提供支撐，通過肌肉收縮控制頭部鉤爪張合，能穩定附著于不同形狀、尺寸、粗糙度的物體表面，并支撐其軀體實現運動。

尺蠖頭部鉤爪運動可以分為主動運動和被動運動。如圖2和圖3所示，閉合運動時，內側肌肉1和2收縮，外側肌肉3和4被拉長；而張開時，肌肉的收縮狀態則相反。閉合產生的收縮力要比張開時產生的力大，才能保證附著的穩定性。

1.2 鉤爪式軟體夾持器結構設計

通過分析尺蠖足部的運動機理，根據功能要求和設計指標，提出了仿生鉤爪式柔性夾持器的設計方案。該鉤爪夾持器由形狀記憶合金(SMA)彈簧、鉤子、彈簧薄片、硅膠薄板及硅橡膠(Ecoflex)蒙皮5部分組成。

圖1 尺蠖鉤爪結構

圖2張開運動圖3閉合運動

夾持器的CAD模型如圖4所示。SMA彈簧是驅動肌肉組織的裝置；硅橡膠作為肌肉組織層，是鉤爪的核心部分，能夠適應SMA的收縮和拉伸，能經受較大的形變，具有較高的強度；而硅膠薄板和彈簧薄片可以加速鉤爪的自恢復速度；而爪刺層(鉤子)的設計，既能環抱住不同尺寸的物體，也能刺入物體的表面，實現有效抓取和附著。給SMA通電的漆包線嵌入仿肌肉組織層，通過連接插頭外接電源模塊，對SMA進行獨立的控制。肌肉組織層沒有完全將SMA彈簧包裹住，通電過程中，SMA彈簧軸向收縮，使肌肉組織層基體彎曲，爪刺合攏；停止通電，夾持器在回彈層和SMA自恢復特性的共同作用下能較快恢復到初始位置。

圖4 鉤爪夾持器CAD模型

2 制造過程

2.1 材料選擇

為了制造出所設計的夾持器，需要選擇合適的材料。相關材料的基本屬性參數如表1所示，對各部分按照材料及設計尺寸進行加工制造。

表1 材料的屬性參數

2.2 制造裝配過程

仿生鉤爪夾持器的裝配是整個制造過程中最重要的環節，具體步驟如圖5所示。

如圖5(a)所示，驅動骨架是夾持器結構的核心模塊，由2根(或若干根)SMA彈簧纏繞在爪刺根部；硅膠薄板上設置有爪刺孔，將固定好的SMA彈簧和鉤子穿入硅膠薄板中，彈性薄板也順勢壓入爪刺根部的圓柱鋁材之下，如圖5(b)和圖5(c)所示。我們采用了漆包線作為驅動骨架的連接導線，置于骨架腹中，以克服長期通大電流導致的高溫。漆包線一端焊接在SMA彈簧上，另一端焊接在外部接頭上。如圖5(d)所示將布置好的驅動骨架放入模具中，用針筒按體積比1∶1配好Ecoflex，試驗表明如果沒有按照1∶1混合，Ecoflex無法達到所需的柔軟程度，而且不會完全凝固，所以配比膠水時需要用有分度值的量具進行配置，本文用分度值為2 mL的注射針筒。

如圖5(e)所示，將配置好的Ecoflex緩慢地注入模具中，當Ecoflex將驅動骨架包裹住并填充模具后，在干凈的環境中靜置4 h；達到成型時間后，脫模，完成夾持器樣機制造如圖5(f)所示。

3 實驗及分析

本文對夾持器進行了夾持力測定、抓取適應性驗證、附著穩定性測試等驗證實驗。

3.1 夾持力驗證

圖6為測量夾持力的實驗裝置，右端的夾持器咬住夾持物和杠桿，左端的彈簧測力計則記錄讀數。通過杠桿原理，得出夾持器達到平衡時的最大夾持力。

圖5 仿生鉤爪夾持器裝配步驟

圖6 夾持力測試裝置

夾持力隨時間的變化曲線如圖7所示，平衡時的最大夾持力可達9.1 N。實驗表明夾持力能保證夾持器有效可靠地抓取目標物體。

圖7 夾持力-時間曲線

3.2 夾持適應性驗證

我們針對不同的目標物體進行了抓取適應性驗證實驗，圖8為被夾物體的基本尺寸，圖9為夾持器對這些物體的抓取效果。實驗表明：夾持器能適應不同尺寸形狀的目標物體。

3.3 附著穩定性驗證

夾持器附著于同一物體時，通過改變夾持器的不同姿態對其負載力進行測試。圖10為夾持器在不同姿態下能承受的負載力實驗圖。圖10(a)是抗傾覆力測試，其承受的最大負載力能達到0.32 N；圖10(b)為抗防松測試(繞著物體的周向滑動)，其最大負載力為0.23 N；圖10(c)是垂直負載力測試，其最大能達到7.2 N。由實驗結果可知:夾持器能滿足軟體攀爬機器人所需要的附著穩定性要求。

圖8 被夾物體的尺寸

圖9 夾持狀態

4 結束語

本文介紹了一種基于SMA驅動的仿尺蠖鉤爪式軟體末端夾持器，對其設計原理和制造過程都進行了詳細的介紹，并且通過一系列的實驗很好地驗證了夾持器的夾持力、夾持適應性以及抓取穩定性。鉤爪夾持器結構緊湊，自身重量僅68 g，但其產生的夾持力能達到9.1 N，約為自重的10倍。對比現有的剛性夾持器，這種軟體夾持器對不同大小、形狀、尺寸的物體有著更好的適應性；而且用于仿尺蠖的軟體攀爬機器人上，能夠讓機器人在不同姿態下實現正常運動。未來的工作包括建立夾持器對不同物體的力學模型和接觸幾何模型；并針對這些模型對夾持器的結構進行優化設計分析。

圖10 不同姿態下的負載驗證