基于FSR嵌入的智能泡沫在气动夹爪的应用*

吴 凡，李东亚，杨文振，徐嘉文，刘 禹，芦 艾

（1.江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122；2.中国工程物理研究院 化工材料研究所，四川 绵阳 621900）

0 引 言

夹爪是一种用于抓放或操作物体的重要设备，根据其驱动方式一般可以分为电动和气动两种类型［1］。利用夹爪控制与易损物体之间的接触力是一项具有挑战的任务，夹爪既需要能感知夹持状态，还能维持一定恒力以保证能安全地夹持易损物体。在与物体的接触力控制方面，电动夹爪由于可以通过电机控制夹爪手指位置和速度而更加精确，但其价格昂贵。相同尺寸下，夹持力远小于气动夹爪，且存在执行速度慢、发热等问题。所以，实际在工业应用中，气动夹爪更受青睐。而一般的气动夹爪缺乏夹持力检测，不能很好利用气压对夹爪进行力的稳定控制。通常，可以利用机械结构或传感器及反馈控制来进行解决，如Chen C C等人［2］设计一种恒力机械结构，可以通过调节垫片厚度进行调控恒力值的大小，不需要使用任何传感器和反馈控制，但夹爪并不能监测到物体的夹持状态。Ottaviano E等人［3］在手指气缸上安装力传感器进行闭环反馈控制，但其夹爪手指指尖是刚性结构，不能保证安全地夹持表面不平的物体。Saadatzi M N等人［4］设计的一种安装在气动夹爪指尖的柔性应变传感器，利用传感器数据反馈可以控制力的大小，但其测量范围相对较小，不超过2 N。

目前也有着一些商业的触觉传感器，如基于压阻效应的力敏电阻器（force sensitive resistor，FSR）。FSR有着许多的优点，包括成本低、鲁棒性好、测力范围大、驱动简单、节能、易于维护和尺寸小［5］，可以用来检测指力［6］，控制假肢抓握力［7］，或监测足底压力［8］等。但是，FSR 也存在一些缺点。首先，如果FSR 直接与物体进行接触，在使用过程中可能容易磨损；其次，FSR与施加在有效区域的力的分布情况非常敏感，往往需要在有效区域有着集中且均匀的压力才能保证其可靠使用［9］。通常，在应用中，FSR上安装如塑料板［10］或半球形的橡胶［11］等以均匀分散施加的力。但是这些连接FSR的材料或结构，并不柔顺，不能很好地保护物体。而硅橡胶由于其生物相容性、化学稳定性、热稳定性等优点而成为常用的柔性基底材料［12］，可以利用硅橡胶制备用于连接FSR且具有一定柔性的结构。

本文利用简单、低成本的直书写3D 打印方式将FSR嵌入具有规则多孔结构的硅橡胶中得到智能泡沫，并安装在气动夹爪指尖，能够预估夹持力，且当气压超过阈值后在一定范围内波动，可以保证夹持力的恒定，从而避免由于气压不稳定而损坏物体的情况发生。

1 智能泡沫的制备

1.1 实验材料

所使用的硅橡胶材料和固化剂、缓固剂（3-丁炔-1-醇）质量配比为100∶10∶1，放入行星搅拌机（ZYMC-180 V，ZYE）内充分搅拌，设置转速1500 r／min，时间3 min；再将浆料放入针筒内，离心转速5000 r／min，时间5 min，去除气泡。所使用的商用FSR（IMS-C10 A，I-Motion）为圆形结构，有效传感直径为10 mm，总直径为16 mm，标称量程为0.05 ～2 kg。

1.2 制备过程

将装有均匀混合后的浆料的30 mL针筒安装在三轴线性运动系统的Z 轴平台上，运动系统的绝对定位精度为±5 μm，重复定位精度为1 μm。将内径为400 μm 的针嘴固定在针筒上。

如图1（a），所制备的硅橡胶结构是简单立方体结构，其层间组成为ABABAB…，A 层与B 层的圆柱体相互垂直［13］。通过控制运动平台的三轴位置，可以控制硅橡胶的沉积路径，利用气压模块将浆料从针筒中挤出。在室温下进行打印，设置打印速度为10 mm／s，线间距为4 mm，长宽均为20 mm，气压为200 kPa。

图1 智能泡沫制备过程

制备过程如图1 所示：首先，在基底上打印20 层的简单立方体结构；然后，将FSR轻放在其上，继续打印同样的硅橡胶结构，保证层数相同；打印完成后，放入烘箱进行固化。考虑到商用传感器正常工作的温度范围，所使用的固化温度为60 ℃，固化时间为10 h。

2 智能泡沫的表征与标定

2.1 尺寸与质量

如图2所示，得到的智能泡沫由硅橡胶结构和被嵌入其中的FSR组成。利用光学显微镜（Leica DVM6 A，Leica Microsystems GmbH）测量线间距，钢尺测量样品的高度和矩形区域的长宽，分析天平测量总体质量，测量信息如表1。

表1 智能泡沫尺寸和质量

图2 制备得到的智能泡沫

2.2 力学性能

在万能材料试验机（GJ211S，Qing Ji）上对智能泡沫进行了3次单轴压缩实验。由于马林斯效应，在第2、3 加载阶段应力会变小。智能泡沫单轴压缩应力应变曲线如图3所示。可以从图3中看出：智能泡沫的压缩过程存在3 个阶段，分别是弹性阶段、应力平台区以及密实区。在线弹性阶段，应力随着应变线性增长，直到达到峰值，约0.04 MPa，此时压力约为16 N。随后进入了第2个阶段，即平台区，在该阶段随着应变增长，硅橡胶结构发生弹性屈曲，应力基本维持在一个稳定阶段。达到某一应变后，应力迅速上升，硅橡胶线条紧密接触，进入了密实化阶段。正是由于智能泡沫存在应力平台区，可以保证应变增加而应力基本不变。

图3 智能泡沫单轴压缩应力应变曲线

2.3 标 定

智能泡沫在使用前，需要对其进行标定。标定环境应与最终应用的场景紧密相关，所以直接在手指气缸上进行标定。一般而言，FSR的电导和压力呈近似线性关系，所以本文对智能泡沫的电导和压力进行标定。

标定系统的示意及实物分别如图4、图5，使用的手指气缸（MHZL2-20D，ZPCAC）可以通过换向阀（4V310-10，AirTAC）改变进气方向实现开闭，在夹爪手指之间放置弹簧，便可以通过控制气压，调控气缸的行程。利用SMC 比例阀（ITV2050-31F2L，SMC）控制气压，对智能泡沫输出一系列压力值。将压力传感器（ZNLBS-50KG，CHINO SENSOR）安装在气缸手指上，将其采集的压力数据用于标定。利用数字万用表（34465A，Keysight）采集智能泡沫输出的电阻，压力变送器采集压力信号。PC 上利用C＃编写的上位机与数字万用表USB通信，与压力变送器和气压模块串口通信。

图4 标定系统示意

图5 标定装置实物

由于应力平台区的初始压力约16 N，将16 N以后的一段区间认为是保护区域，即智能泡沫在此阶段下发生一定形变仍能保证压力基本不变。正常使用的线性区应在应力平台前面。如图6（a）所示，标定过程中压力在2 N左右，电阻值突然下降为1 MΩ 左右，此时对应的力为智能泡沫能测量的最小值。为了稳定性考虑，选择的智能泡沫的工作区间为4 ～12 N。对智能泡沫标定过程重复3 次，从图6（b）中可以看出，其重复性较好，线性拟合得到的R2达到0.963 1。

3 智能泡沫预估力与维持恒力

利用智能泡沫估测手指气缸的夹持力，并与真实力进行对比。此外还将智能泡沫和FSR 进行对比。如图7 所示，将智能泡沫和FSR分别粘接在手指气缸。

图7 手指气缸分别安装FSR和智能泡沫

调节气压从100 kPa 开始，步长为10 kPa，增加至600 kPa，同时记录气压值、压力值以及电阻值。利用电阻值和标定得到的公式，预估出夹持力。如图8（a）所示，在4 ～12 N的测量范围内，智能泡沫误差不超过1.5 N。如图8（b），气压在450 ～560 kPa 范围内，智能泡沫的夹持力几乎不变，维持在约14.6 N。而使用FSR 的情况，由于没有应力平台，随着气压的不断增加，夹持力一直在增大。

图8 智能泡沫预估力及与FSR对比

4 结 论

本文利用直书写3D打印方式将FSR嵌入在一定规则结构的硅橡胶中，得到了具有传感功能的智能泡沫。并在手指气缸上对智能泡沫进行标定，确定其工作范围为4 ～12 N，其电导和压力线性相关，利用得到拟合方程进行预估夹持力，误差不超过1.5 N。并且当气压在450 ～560 kPa内波动时，能维持夹持力在14.6 N。而未嵌入硅橡胶的FSR的压力则一直随着气压增大而增大，证明了智能泡沫一定程度上能够保护物体。