在轨气动全柔性触手用材料的成型工艺研究

杨 丽，朱云飞，叶会见，姜利祥，邵文柱

（1. 北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100094；2. 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150001；3. 浙江工业大学 材料科学与工程学院，杭州 310014）

0 引言

随着空间技术的发展和应用，在轨服务与维护的需求越来越迫切。空间机械臂技术是在轨服务中的一项关键技术，可用于在轨捕获、在轨模块更换等任务中，是实现在轨服务与维护的基石[1-4]。

受运载火箭载荷、航天器尺寸以及空间环境等因素的限制，空间机械臂需要具备质量小、结构紧凑、自由度高、耐极端环境和能操作比自身重多倍的物件的能力。柔性机械手由于采用灵活的超弹性材料，具有轻质、断裂强度高、快速响应以及容许大变形的特点[5-9]，可以弥补硬质机械手的不足，满足航天器空间机械手的应用要求。然而，目前可供选择的柔性材料种类的缺乏已成为柔性机械手发展的瓶颈之一[10-12]。有学者通过研究人类皮肤结构，根据人类皮肤的表皮、真皮和皮下组织的力学性质以及其在皮肤组织中的厚度、排序等要素设计出一种仿真复合材料。该复合材料由多层不同拉伸强度的材料组装而成，这些材料在外力的作用下产生非线性形变，而非线性形变正是人类皮肤能比传统硬质机械手更灵活、产生更复杂运动的原因[13]。目前已发展出的2种主要的软体机械手用柔性材料分别为弹性体复合材料与金属−聚合物复合材料。

弹性体材料软体机械手通常采用硅橡胶作为柔性材料，驱动方式为压缩空气驱动。由柔性高分子材料制备的软体机械手具有无限自由度，理论上可产生无穷多状态，同时材料密度低、所需驱动力极小[14-15]。根据在轨服务的需求，结合目前的研究现状，本文针对2种硅橡胶材料开展柔性触手材料制备、结构成型工艺及材料特性研究。其中，Ecoflex 00-30（E30）是一种铂金固化硅橡胶，其固化后的橡胶制品极其柔软、强韧、弹性佳；PDMS硅橡胶由液体组分组成，包括基本组分与固化剂2部分，混合液可固化为厚度可控且具有韧性的透明弹性体。最终成功制备出具有可设计结构的柔性机械触手样件，为柔性机械手臂在航天器在轨服务中的应用奠定基础。

1 柔性抓捕材料的制备

1.1 E30/PDMS/E30三明治结构

本文中柔性触手样件采用E30和PDMS硅橡胶材料复合制备。样件的芯层为杨氏模量较高的PDMS材料，外层采用断裂伸长率较大的E30硅橡胶。为进一步研究这种复合结构的材料特性，本文设计了具有三明治结构的E30/PDMS/E30样品，分别采用逐层固化和半固化两种不同制备工艺，研究三明治结构复合材料的界面状态。

E30/PDMS/E30三明治结构如图1所示，复合结构中最上层和底层的材料为E30，厚度均为4 mm；中间夹层为PDMS，厚度为3 mm。

图1 E30/PDMS/E30三明治结构Fig. 1 E30/PDMS/E30 sandwich structure sample

1.2 E30和PDMS硅橡胶的固化工艺

E30硅橡胶的典型制备过程为：将E30组分A和组分B按照一定质量配比混合，搅拌5 min后，超声振荡2 min，将混合液置于真空容器中去除气泡；静置15 min后将混合液倒入模具（见图2(a)）内，并再次放入真空容器中排除气泡；除气后置于60 ℃的烘箱中固化3 h，自然炉冷至室温。成型后的E30硅橡胶样品如图2(b)所示。

PDMS硅橡胶的典型固化过程为：首先将固化剂按一定的质量配比加入到PDMS树脂基体中，搅拌并超声振荡15 min后，将混合液放入真空容器中去除气泡；当气泡全部消失后，将混合液浇铸于模具中，并再次放入真空器皿中去除气泡；最后将样品放入60 ℃的烘箱中加热固化20 h，自然炉冷至室温。成型后的PDMS硅橡胶样品如图2(c)所示。

图2 硅橡胶材料的固化模具及样品外观Fig. 2 The mould and digital images of PDMS and E-30 samples

2 柔性抓捕材料的力学特性

2.1 固化工艺对PDMS样品硬度的影响

本文通过改变固化温度、固化时间与预聚体/固化剂质量配比3个工艺参数来考察不同固化工艺对PDMS样品硬度的影响。以邵氏A硬度测试值来表征样品的硬度，PDMS硅橡胶的杨氏模量与邵氏A硬度正相关，硬度越大其杨氏模量也越大[16]。固化工艺对PDMS杨氏模量的影响如图3所示。

图3 固化工艺对PDMS样品硬度的影响Fig. 3 The effect of curing process on the Young’s modulus of PDMS

预聚体与固化剂的质量配比为10 : 1，固化时间为20 h时，样品杨氏模量与固化温度的关系见图3(a)，从图中可以看出，PDMS样条的杨氏模量随着固化温度的升高而增大，并且在80～100 ℃时趋于稳定。这表明PDMS的固化交联度与温度有着紧密的关系：温度升高，交联反应速率加快，达到一定温度后，在20 h能基本完成交联反应，固化后所能达到的最大杨氏模量为3.8 N/mm2。PDMS的固化过程即为PDMS预聚体的交联过程，样条的邵氏A硬度与PDMS的交联反应的程度密切相关，PDMS交联程度越高，所对应样条的邵氏A硬度越大，其杨氏模量也越大。

预聚体与固化剂的质量配比为10 : 1，固化温度为60 ℃时，样品杨氏模量与固化时间的关系见图3(b)。从图中可以看出，PDMS样条的杨氏模量随着固化时间的增长而增大。表明PDMS的固化交联反应程度与时间有着紧密的联系，交联反应速率在60 ℃下相对较慢，随着时间的增长，交联反应程度不断提高。

为进一步考察固化剂质量占比对样品硬度的影响，改变体系中预聚体与固化剂的比例，样品杨氏模量的变化见图3(c)，其中固化时间为20 h，固化温度为60 ℃。从图中可以看出，随着体系中预聚体含量的增加，PDMS样条的杨氏模量呈现先升高后下降的趋势，配比在8 : 1至10 : 1之间时杨氏模量达到最大值（4.0 N/mm2）。表明PDMS的固化交联反应程度与其预聚混合物的配比有密切的关系，合适的反应基团比例和预聚体与固化剂的配比可以加快交联反应速率。

从以上PDMS硅橡胶固化工艺参数对材料力学性能影响的分析可知，预聚混合物质量配比为10 : 1，固化温度为60 ℃，固化时间为20 h的固化工艺所制备出的PDMS的力学性能较为适中。

2.2 固化工艺对E30样品硬度的影响

选取一组E30的固化工艺作为标准组（组分A与组分B质量配比为1 : 1，固化温度60 ℃，固化时间3 h），并通过改变固化温度、固化时间，以及组分A与组分B的质量配比这3个工艺变量来考察不同固化工艺对E30样品硬度的影响。

E30材料的硬度极小，超出了邵氏A硬度的测量范围，需使用邵氏00硬度计测量其硬度，且这2种硬度计量可以相互转换。固化工艺对E30样品杨氏模量的影响如图4所示。

与PDMS类似，样条的邵氏00硬度与E30的缩聚交联反应的程度密切相关，邵氏00硬度越大，所对应的样品缩聚交联程度越高。图4(a)为固化温度对E30杨氏模量的影响，可见样品的杨氏模量随着固化温度的升高而增大，达到一定温度后，E30能在短时间内迅速交联固化。

图4 固化工艺对E30样品硬度的影响Fig. 4 The effect of curing procedures on the Young’smodulus of E30

图4 (b)为固化时间对E30杨氏模量的影响，可见E30的固化交联反应程度与时间也有着紧密的联系，固化前期E30的杨氏模量随着固化时间的增长迅速提高；随着交联反应的进行，体系内反应基团不断被消耗，固化3 h后，体系内反应基团的浓度已大幅度降低，交联固化反应接近终点，杨氏模量的变化也因而趋缓，可以认为3 h后E30已充分固化。

图4(c)为2种预聚体组分配比对E30杨氏模量的影响。E30样条的杨氏模量随着组分A的质量占比的提高，呈现先平稳变化后下降的趋势。可见，E30的缩聚交联反应程度与其预聚体的配比同样有密切的关系：当某一组分含量过多时，缩聚交联所对应的反应基团必有一方相对浓度过低而降低交联反应速率，只有按照合适的反应基团比例来控制预聚体与固化剂的配比才能加快交联反应速率。本文研究中组分A与组分B的质量比为1 : 1时是一种比较理想的质量配比。

2.3 两种工艺下三明治结构样条的拉伸性能

按硬度最大的原则选择一种硅橡胶固化工艺制备样品并测试其拉伸性能。固化工艺为：PDMS中预聚体与固化剂质量配比10 : 1，固化温度为60 ℃，固化时间为20 h；E30中组分A与组分B的质量配比为1 : 1，固化温度为60 ℃，固化时间为3 h。同时分别采用全固化与半固化工艺制备了复合三明治结构样品，图5(a)中，样条I为全固化工艺制备的，样条II为半固化工艺制备的。

图5 三明治样品拉伸性能Fig. 5 The stress-strain characteristics of sandwich structure samples

如图5(b)所示，两种不同固化工艺制备的样条的断裂伸长率比较相近，但半固化工艺制备的样条的断裂强度明显高于全固化工艺制备的样条。半固化样品的拉伸强度最高达1.2 MPa，其断裂伸长率达470%；并且半固化工艺样品的断裂是相对整齐的，三层同时断裂，而全固化工艺样品是逐层断裂的。这是因为半固化工艺的样条中PDMS与E30界面层的结合作用要优于全固化工艺的样条，拉伸过程中半固化工艺的样条内部各组分之间有效分担了应力作用，其中作为骨架的PDMS部分提供了有效的支撑，因而半固化工艺所得样品的拉伸强度要高于全固化工艺样品的。

2.4 两种工艺下复合结构的界面特性

图6为E30/PDMS/E30全固化工艺及半固化工艺下三明治结构样品断面的扫描电镜照片。由全固化工艺制备的三明治结构样品断面形貌可以发现，PDMS与E30有着不同的微观形貌，层界面处存在一条清晰的界线，表明该工艺制备的样品中PDMS与E30在微观相界面处的相互作用以范德华力为主。由半固化工艺制备的三明治结构样品断面形貌可以发现，PDMS与E30层界面处存在过渡层，这是因为在半固化工艺中，下层硅橡胶未完全固化时，上层另一种硅橡胶预聚体混合物就已浇铸至其表面，混合物分子链在不同层之间扩散，使得固化时两种硅橡胶的分子链之间发生化学连接。过渡层能够增强PDMS与E30之间的相互作用，增大材料的断裂强度，因此半固化工艺制备的三明治样品相对于全固化工艺制备的样品具有较高的拉伸强度和断裂伸长率。

图6 三明治样品断面扫描电镜照片Fig. 6 The SEM cross-sectional images of sandwich structure samples after different curing procedures

3 柔性抓捕样件的气动特性

3.1 柔性机械触手样件的制备

参照1.2节中描述的固化工艺过程，选用最佳工艺参数制备E30/PDMS/E30复合材料柔性机械触手样件。首先将E30混合液倒入图7(a)、(b)所示的模具内，得到触手样件外层；外层固化完成后将芯层模具取出，再将制备好的PDMS混合液浇铸于模具芯层；样品完全固化后，取下模具，即可获得硅橡胶柔性机械触手样件（见图7(e)）。此外，可根据测试需要在触手样件的圆柱底端采用E30封端。

图7 柔性机械触手的模具设计及实物外观形貌Fig. 7 The mould for the pneumatic soft actuator

3.2 柔性机械触手气动特性测试

柔性机械触手的气动特性测试过程见图8。测试前（见图8(a)），机械触手自然垂挂于气动平台的支架上，触手与水平面垂直。触手的每个气动管道均通入一根外径2 mm、内径1.2 mm的PE软气管。在平行于触手方向固定2台摄像头，这2台摄像头的拍摄方向相互垂直，以获取柔性触手运动时不同向度中的位置信息。

图8 气动柔性触手气动特性测试过程（样品长度21.7 cm）Fig. 8 Pneumatic test of the soft actuator of 21.7 cm in length

为了对柔性机械触手的运动进行分析，本文对其进行模型化。以触手样件的固定点为坐标原点，分别建立图8(b)所示的x轴和z轴，并选取触手气动管道末端端点作为表征触手运动的运动对象点。2台摄像头分别捕获了运动对象点在2个投影平面上的运动状态，通过视频图像的截取，可以确定触手在某一时刻在两平面上所反映的运动状态，再对截取的图像进行比例转换、距离测量及归一化处理，可得出运动对象点的空间位移和运动速度等参数。

为简化分析，提出以下假设：1）单气道充气时柔性触手只在二维平面内运动，不发生扭曲、旋转等其他运动形式；2）柔性触手充气时只发生弯曲形变，伸缩形变忽略不计。理论计算与实验结果均表明，在较小输入气压以及较小形变程度下，本文所制备的气动柔性机械触手可近似看作理想软体机械手。

气动柔性机械触手的运动受到其制备工艺以及实际操作中充入气压的调控。本文选择2种不同制备工艺的触手并通过改变气动平台气压的大小与循环来调控触手的运动。图9所示为该样件在单气道控制下的连续变形图，状态监控的时间间隔为1 s，气动测试平台向柔性机械触手管道中施加的气压（绝对压力）为58 500 Pa。由图9观察到，触手气动管道末端最先发生运动，并带动触手下端向上发生卷曲变形，卷曲形变的程度随着时间的延长而增大，最终达到弯曲角度为180°的稳定状态。

图9 柔性气动样品终端对象点的连续变化（时间间隔1 s）Fig. 9 The response of pneumatic soft actuator under inflating(sampling interval is 1 s)

充气响应过程中气动柔性机械触手所受到的应力极小，产生的形变量较小，可以认为此时的触手符合理想软体机械手模型，对运动对象点进行运动学轨迹分析。从柔性触手静止状态开始，施加一定气压后，运动对象点卷曲地向上缠绕，在小角度形变运动时运动轨迹近似为半径为2 cm的半圆。由于采样时间间隔相同，所以可根据相邻两点之间的距离来确定运动对象点的运动速度。在绝对压力为58 500 Pa时，如图10所示，运动对象点运动时的角速度基本呈现先加速后减速的运动特点，其平均角速度为 0.4 rad/s，最大角速度为0.8 rad/s。

图10 柔性气动触手运动对象点的角速度Fig. 10 The angular velocity of the motion object for semicuring process actuator

4 结束语

采用PDMS和E30两种硅橡胶材料制备出柔性触手样件，通过对两类材料固化工艺的研究，得到了不同工艺参数对材料硬度及力学性能的影响。结果表明在一定范围内，随着固化温度的升高和固化时间的延长，两种材料的杨氏模量均逐步提高；随着组分中固化剂占比的提高，杨氏模量呈先上升后下降的趋势。半固化工艺所得样品具有明显的界面过渡层和较高的拉伸强度（最高达1.2 MPa），断裂伸长率达460%，因此，半固化工艺更适合作为气动柔性机械手的制备工艺。采用最佳工艺制备的柔性触手在绝对压力为58 500 Pa时的最大卷曲角速度为0.8 rad/s，可以完成180°的弯曲变形，从而实现对目标物体的抓取。