氣動軟體手爪的失蠟鑄造及試驗分析

張興隆， 馮楊倩， 華 超， 孫逸飛， 陳 昕

(南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

軟體機器人本體通常采用柔性材料制造而成，擁有多自由度和能夠連續(xù)變形的特點，與傳統(tǒng)剛性機器人相比具有更高的順從性，并且在人機交互方面也有著很大的優(yōu)勢?；谝陨咸卣鳎涹w機器人如今已被廣泛應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)[1]、醫(yī)療康復(fù)與保健[2]、軍事勘察和地震、火災(zāi)[3]等公共安全事故的救援[4]領(lǐng)域中。軟體機械手作為軟體機器人的一種典型代表，不僅具有軟體機器人多自由度、高順從性和人機交互能力強的特點，還具有彎曲、伸長、收縮、膨脹等變形的能力，近年已經(jīng)逐漸成為軟體機器人領(lǐng)域關(guān)注的熱點[5-8]。

軟體機械手的驅(qū)動方式主要有氣動驅(qū)動、拉線驅(qū)動、SMA/SMP驅(qū)動、EAP驅(qū)動四種[9]。其中氣動驅(qū)動有著質(zhì)量輕、易于制造安裝維護、不污染環(huán)境、成本低等優(yōu)點。由于是氣動驅(qū)動，所以軟體手內(nèi)部大多是封閉的腔體結(jié)構(gòu)，通常采用纖維約束[10]或者氣動網(wǎng)絡(luò)[11]兩種不同的思路來實現(xiàn)氣動軟體手爪的多種變形。

目前氣動軟體手爪的制造方法多使用分層鑄造[12-15]，再進行平面粘接，將兩層以上的硅膠材料粘接在一起，形成腔體，充氣使腔體變形來得到預(yù)期的相對運動。這種制造方法使手爪的每一層都需要單獨的一套模具來進行澆注，雖然有著澆注難度低、制作簡單、速度快等優(yōu)點，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以保證粘接處的強度以及氣密性。失蠟鑄造也是制造軟體機器人常用的方法之一[16]，使用這種方法可以鑄造復(fù)雜的腔室，并且可以采用一體式澆注，避免了粘接缺陷，可以提高氣動軟體機器人的氣密性、強度、壽命和安全性。同時，由于石蠟可多次回收利用，在綠色環(huán)保的同時可以降低軟體機器人制造成本。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究設(shè)計的氣動軟體手爪采用了多腔體氣動網(wǎng)格驅(qū)動，作為軟體機械手的一種典型驅(qū)動方式，具有輸出力度大、響應(yīng)速度快、體積小、變形效果顯著、人機交互能力良好、安全性能好等優(yōu)點。執(zhí)行單元剖面圖如圖1所示，多腔體氣動網(wǎng)格由一條通道連接多個腔體組成，從外側(cè)看是由7個半圓柱體氣囊和一個四分之一球體氣囊組合而成的驅(qū)動層和底部的限制層組成。

圖1 執(zhí)行單元剖面圖

當(dāng)通道被充入氣體時，驅(qū)動層的每個腔體都受到相同的壓強作用，引起氣囊變形膨脹，單個氣囊內(nèi)側(cè)受氣體壓力發(fā)生形變開始向四周膨脹，在壁厚相同的情況下，一般受壓面面積越大，膨脹愈明顯，因此單個腔體的側(cè)壁膨脹最為明顯。而驅(qū)動器是由7個腔體縱向排列組合而成，因此氣囊充氣會使相鄰的氣囊側(cè)壁發(fā)生膨脹擠壓，一個四分之一球體氣囊也受氣體壓力發(fā)生膨脹，半徑增大，縱向距離也同時增大，從而整個氣囊部分在沒有底部限制層的情況下，受氣體壓力作用會發(fā)生明顯的伸長變形。

而由于氣囊底部限制層的存在，整個氣囊的伸長形變受到了很大的約束。底部的限制層在氣體壓強的作用下只會發(fā)生很小的縱向形變，即在氣體壓力作用下，執(zhí)行單元驅(qū)動層伸長量遠(yuǎn)大于限制層的伸長量，從而導(dǎo)致整個執(zhí)行單元在這種情況下發(fā)生向下的彎曲變形，氣動網(wǎng)格驅(qū)動原理如圖2所示。

圖2 氣動網(wǎng)格驅(qū)動原理

2 制造工藝

目前氣動軟體手爪的制造工藝通常采用分層制造的方法，需要粘接成型，容易產(chǎn)生粘接缺陷，從而影響強度、氣密性、使用年限等。傳統(tǒng)的失蠟制造工藝雖然可以使氣動軟體手爪一體成型，但仍有液體硅膠流動性差、蠟芯容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)與傾斜問題。本工藝研究依據(jù)擴散理論，發(fā)現(xiàn)在鑄造過程中硅膠的固液界面會發(fā)生互相滲透互溶的現(xiàn)象，因此采用失蠟法加多步澆注的方式，既能使復(fù)雜的制造工藝得到簡化，降低模具的設(shè)計難度，又避免粘接，提高了氣動軟體手爪的密封性。

2.1 失蠟鑄造

失蠟法也稱“熔模法”，使用這種方法可以加工復(fù)雜的腔室，避免了粘接，在提高軟體機器人氣密性的同時，降低了軟體機器人的制造成本。原理是利用了石蠟材料與硅膠材料在不同溫度下的不同狀態(tài)進行鑄造。其制造過程為：先將石蠟熔化倒入蠟芯模制成氣動軟體手爪的內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)(蠟芯)，在之后進行的多步澆注中將蠟芯封入手爪中，待硅膠完全凝固后取出，最后將封入軟體硅膠手爪的蠟芯融化，使其流出?？梢圆捎盟〖訜岬姆椒ɑ蛘邔⒊善分糜?5 ℃恒溫箱中，待硅膠手爪中的蠟芯充分熔化流出，完成失蠟鑄造。失蠟法示意圖如圖3所示。

圖3 失蠟法示意圖

2.2 多步澆注

通過對傳統(tǒng)失蠟法鑄造氣動軟體手爪的工藝研究以及實際操作發(fā)現(xiàn)其制作工藝存在兩個方面的問題：①液態(tài)硅膠流動性差，易在澆注的過程中在蠟芯的下方形成氣體空腔。②氣動軟體手爪只存在單側(cè)氣孔，在蠟芯的固定過程中，由于重力、浮力的影響以及石蠟本身剛度的限制，無法避免地出現(xiàn)蠟芯的傾斜和偏移，導(dǎo)致手爪的內(nèi)部氣體空腔出現(xiàn)錯位。本研究針對這幾個問題采用多步澆注的方式，在底層硅膠成型后嵌入蠟芯再繼續(xù)倒入液態(tài)硅膠。依據(jù)擴散理論和實際實驗發(fā)現(xiàn)上層液態(tài)硅膠會和底層固態(tài)硅膠產(chǎn)生滲透互溶的現(xiàn)象，從而形成一個整體。既解決了蠟芯傾斜的問題，又降低了澆注難度，提高了手動澆注的容錯率。氣動軟體手爪多步澆注示意圖如圖4所示。

圖4 氣動軟體手爪多步澆注示意圖

依據(jù)擴散理論，液態(tài)硅膠與固態(tài)硅膠會在固液界面處相互擴散溶解，這種擴散是通過液態(tài)硅膠和固態(tài)硅膠互相滲透互溶進行的。擴散會使硅膠的固液界面形成過渡區(qū)，在過渡區(qū)內(nèi)硅膠的固體形態(tài)和液體形態(tài)共存并且交織在一起，當(dāng)液態(tài)硅膠緩慢固化，固液硅膠便形成了一個整體。影響兩種物質(zhì)相互擴散的因素有物質(zhì)的溶解度參數(shù)、相對分子質(zhì)量大小和界面張力等。兩者的溶解度參數(shù)值相差越小，相溶性越好，越有利于擴散作用的產(chǎn)生[17]。

3 模具設(shè)計及制作過程

氣動軟體手爪作為軟體機械手的執(zhí)行單元，目前多為中空結(jié)構(gòu)，主要由硅膠[18]、凝膠[19]、軟聚合物[20]等易變形、高彈性的材料構(gòu)成。本試驗采用3D打印的方式制作蠟芯模具及軟體手爪模具，選擇了美國Smooth-On公司的Dragon Skin 30系列高性能鉑金固化硅膠作為軟體手爪的制作材料。

Dragon Skin 30為高性能鉑金固化硅膠，擁有卓越的物理性能和柔韌性，可用于醫(yī)療假肢和緩沖應(yīng)用場合。因此，使用這種材料制作軟體手爪能使其柔性和安全性得以保障，確保了在與人接觸或長時間存放過程中不會危害人的身體健康。Dragon Skin 30硅膠的使用溫度范圍為-53 ℃～+232 ℃，因此可以使用失蠟法進行鑄造。其高彈性使其能通過更大的氣壓獲取更大的彎曲角度和末端抓持力，并且保證了在高氣壓下材料的穩(wěn)定性，不會輕易破損。除此以外，制作軟體手爪的材料理論上理想為沒有塑性屈服的彈性材料，而Dragon Skin 30硅膠具有不可壓縮性，所以其變形是可以恢復(fù)的彈性變形。Dragon Skin 30系列硅膠參數(shù)見表1。

表1 Dragon Skin 30系列硅膠參數(shù)

3.1 蠟芯鑄造

蠟芯模具結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用3D打印的方式制作，對蠟芯模具進行了改進及優(yōu)化。針對傳統(tǒng)蠟芯模具為一個整體而導(dǎo)致石蠟脫模難的問題，本研究將蠟芯模具沿對稱軸一分為二，該結(jié)構(gòu)在蠟芯脫模時使得石蠟與模具更容易分離，從而降低脫模難度。由于3D打印機存在誤差，為了使一分為二的蠟芯模具能準(zhǔn)確地鎖合，模具上設(shè)計了定位凸臺，并且一側(cè)模具的兩個圓柱凸臺有 5°的拔模斜度，方便裝拆。

圖5 蠟芯模具結(jié)構(gòu)

蠟芯制作時需要先將石蠟加熱到75 ℃，因為石蠟屬于非晶體，沒有固定的熔點且熔化過程中存在軟化過程，所以一定要在石蠟完全液化后再進行澆注。澆注時應(yīng)從一側(cè)均勻連續(xù)地倒入液化后的石蠟，以便排出模具中的空氣，防止石蠟在室溫中凝固過快出現(xiàn)斷層，并在石蠟液面與模具上表面齊平時停止?jié)沧?。等待大約15～20 min后即可進行脫模，這時的石蠟雖然已經(jīng)凝固，但質(zhì)地較軟，存在一定的韌性，不易發(fā)生斷裂，在減少脫模難度的同時降低了因操作不當(dāng)而破壞蠟芯的風(fēng)險。若澆注時液面高出了模具上表面，則可以在脫模前用美工刀對石蠟腔體的上表面進行出模前的修繕處理。

3.2 軟體手爪鑄造

氣動軟體手爪的硅膠模具采用3D打印的方式制作，總共分為四塊，由一個底座模具、一個墊片模具和兩塊蓋板組成。本制作需要分兩次澆注液體硅膠，每次澆注都需要用到底座，通過定位銷配合不同的蓋板來進行氣動軟體手爪的分步制造。

在硅膠模具的設(shè)計中，針對液體硅膠流動性差的問題，在硅膠模具的設(shè)計上避開了懸空頂板設(shè)計，采用蓋板按壓成型設(shè)計，每塊蓋板模具上都留有16個直徑2 mm的小孔，小孔可以在蓋板蓋下時迅速排出蓋板下的空氣，從而減少產(chǎn)生氣泡的可能性。按壓成型時，由于小孔的存在，也會使模具中多余的液體硅膠通過小孔排出。此外，由于3D打印機存在誤差，如果設(shè)計凸臺和相對應(yīng)大小的孔進行定位會導(dǎo)致制作軟體手爪時產(chǎn)生較大的偏差，甚至于模具與模具的接觸面存在較大空隙。本工藝采用4個直徑為5 mm的精密圓柱銷用于定位，因此每塊模具都在四個角落處設(shè)計了定位圓孔，使得模具能夠準(zhǔn)確鎖合。

硅膠手爪鑄造過程1如圖6所示，先將底座與插銷組裝好，然后將Dragon Skin 30系列A、B組硅膠以質(zhì)量比1∶1的比例混合均勻，抽真空處理，將混合均勻的液態(tài)硅膠緩慢倒入模具中，注入硅膠時應(yīng)均勻連續(xù)往返多次注入直至液面與底座上表面平齊，隨后將蓋板A通過定位孔緩緩向下平移，此時需注意會有液體硅膠從蓋板模具的小孔處流出。按壓緊實放置一段時間后，待硅膠固化后將模具分開，將制作成型的硅膠手爪驅(qū)動層部分取出，將邊緣處多余的硅膠裁剪至平整。脫模時，先拔掉四根圓柱形插銷，然后再將底座與蓋板分離開來。

圖6 硅膠手爪鑄造過程1

硅膠手爪鑄造過程2如圖7所示，將鑄造好的驅(qū)動層放入底座模具中，再將提前制作好的蠟芯嵌入半成品中，這時底座、驅(qū)動層和蠟芯的上表面應(yīng)處于同一平面。隨后將插銷固定，將墊片放置在底座上方，注意定位銷插入銷孔時墊片的方向。將Dragon Skin 30系列A、B組硅膠以質(zhì)量比1∶1的比例混合均勻，抽真空處理，隨后將混合均勻的液態(tài)硅膠緩慢注入到模具中，注入硅膠時應(yīng)均勻連續(xù)往返多次注入直至液面與墊片上表面平齊，隨后將蓋板B通過定位孔緩緩向下平移，此時需注意會有液體硅膠從蓋板模具的小孔處流出。按壓緊實后放置一段時間，待硅膠固化后先拔掉四根圓柱形插銷，然后再依次分離蓋板、墊片和底座，之后裁剪邊緣部分的多余硅膠即可。

圖7 硅膠手爪鑄造過程2

最后將封入軟體硅膠手爪的蠟芯融化，使其流出。可以采用水浴加熱的方法，使成品沉入水底，因為石蠟在75 ℃時就會開始融化，且密度小于水，所以融化的石蠟會從氣孔流出漂浮于水面，達到失蠟的目的。也可以將成品置于75 ℃恒溫箱中，將軟體手爪懸空倒置，底下放置燒杯用于盛放融化滴落的石蠟，待硅膠手爪中的蠟芯充分熔化流出后，便得到一個完整的氣動軟體手爪成品。

4 仿真與試驗

對于氣動軟體手爪而言，彎曲角度與驅(qū)動氣壓的關(guān)系反應(yīng)了其實際應(yīng)用場景與完成任務(wù)的能力。因此，為了驗證該制作工藝的可行性，本文采用ABAQUS仿真軟件對氣動軟體手爪的彎曲變形進行仿真分析，并對本工藝鑄造的氣動軟體手爪進行了彎曲試驗。通過仿真分析與試驗數(shù)據(jù)的對比來驗證該制作工藝下的氣動軟體手爪是否滿足使用要求[21-24]。

利用ABAQUS軟件對氣動軟體手爪進行有限元分析的主要步驟為：①首先將繪制的氣動軟體手爪的三維模型導(dǎo)入到ABAQUS軟件里面；②在property模塊下對材料屬性進行設(shè)置，并將材料屬性賦予實體；③建立分析步，并定義邊界條件和施加的載荷；④對氣動軟體手爪進行網(wǎng)格劃分；⑤提交作業(yè)進行仿真分析。

氣動軟體手爪彎曲試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的比較如圖8所示，氣動軟體手爪在不同氣壓下的彎曲角度如圖9所示。試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果存在一定誤差，其誤差產(chǎn)生原因主要有兩點，一是在abaqus仿真時選擇的材料參數(shù)與實際情況有誤差，二是在實際制作氣動軟體手爪時產(chǎn)生的制作誤差。由圖可知，在相同氣壓下，氣動軟體手爪彎曲角度的試驗結(jié)果略大于仿真試驗結(jié)果。因此，該制作工藝下的氣動軟體手爪滿足使用要求。

圖8 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

5 結(jié)論

本文提出了一種氣動軟體手爪的新型失蠟法鑄造工藝，在傳統(tǒng)鑄造工藝上進行了改進，采用失蠟法加多步澆注制造工藝，在避免粘接，確保氣密性的同時降低了澆注難度，并且對模具設(shè)計及制造過程進行了優(yōu)化。最后，通過仿真結(jié)果與試驗對比，驗證了該制造工藝的可行性。本文旨在為氣動軟體機器人的制造工藝提供一種新的思路與方法，該工藝可以用在軟體機器人許多不同部件的制造上，可以將原本復(fù)雜的制造過程簡單化，有效降低模具的設(shè)計難度，在降低成本的同時確保了成品功能性，為軟體機器人的制造提供了新思路。