基于IPMC材料的柔性抓捕機構設計

尹國校，岳英豪，于 敏，何青松，李宏凱，陳 萌

(1.南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所，南京200016；2.南京航空航天大學機電學院，南京200016；3.上海宇航系統工程研究所，上海201109)

1 引言

空間飛行器的在軌抓捕技術對解決失效衛星的在軌回收等問題具有重要意義。傳統抓捕方式一般采用具有機械傳動能力的空間抓捕執行器、剛性機械臂等載荷設備來實現對目標的抓捕，例如，孫沖等針對自由翻滾的故障衛星提出了一種外包絡抓捕方式，研究了機械臂的最優路徑規劃以及抓捕過程中關節角的約束問題[1]；介黨陽等提出一種空間網狀捕獲方式，提高了末端執行器的抓捕容差范圍[2]；Yoshida等提出一種利用柔性抓捕結構包裹失效衛星的方法，但此方法對小型衛星適用性較差[3]。由于抓捕執行器和機械臂多以金屬材料制造，采用電機、減速器和制動器等機構驅動傳動方式，整體質量慣性大，機構的構型及功能設計復雜[4-6]。隨著空間技術的發展，未來的服務航天器會逐步走向小型化、輕型化和智能化[7]。

離子聚合物金屬復合材料(Ionic Polymermetal Composite，IPMC)，是一種新型離子型電活性聚合物，構造類似于“三明治”結構，中間層是陽離子交換樹脂(通常采用杜邦公司的Nafion膜)，基膜兩側是利用化學鍍方法生成的貴重金屬電極(如 Pt，Au，Ag，Pd 等)。 與形狀記憶合金和壓電陶瓷材料相比，IPMC具有驅動電壓低、形變量大、反應迅速、質量輕、無噪音以及能量密度高等優點，因此又被稱為“人工肌肉”，具有巨大的應用潛力。Hubbard等利用IPMC作為魚鰭和魚尾研制出一款水下機器魚，其最大游速可達28 mm/s[8]；彭瀚旻等利用四片IPMC制作了小型抓取機構，在3 V直流電壓下能夠抓取1.6 g的物體[9]；美國國家航空航天局利用IPMC在交流電壓下能夠往復擺動的特點，將其作為除塵裝置應用在太空探測器相機鏡頭上，同時指出IPMC能夠適應高真空、低溫的空間環境[10]；Shahinpoor等利用四片IPMC制備了簡易的抓捕機構，在5 V的電壓下能夠抓起10.3 g的小石子[11]。

針對目前空間飛行器在軌捕獲機構存在傳動結構復雜、耗能較大、操作難度和維護成本高等缺點，本文基于IPMC功能復合材料設計一款結構簡單、操作方便、驅動電壓低、功耗小以及安裝儲存方便的柔性抓捕機構，面向空間非合作目標衛星的在軌柔性捕獲，旨在降低因采用傳統對接機構、機械臂等捕獲操作機構帶來的控制技術難度和發射重量成本問題[12-13]，為柔性抓捕機構的小型化和輕量化設計提供參考。

2 抓捕機構設計

2.1 IPMC工作機理

如圖1所示，IPMC材料內部主要包括固定陰離子、可遷移陽離子、水分子以及水合陽離子。當在IPMC兩側施加較低的電壓時(通常為1～5 V)，由于其內部的陰離子固定在高分子鏈上不會發生移動[10]，而可移動的陽離子在電場力的作用下會結合水分子形成水合陽離子并向陰極移動聚集，從而使得膜內兩側的水分子產生濃度差，導致陰極膨脹陽極收縮，宏觀上表現出彎曲現象。在交變電壓下IPMC可產生往復擺動。

圖1 IPMC驅動原理圖[14]Fig.1 Schematic diagram of IPMC driving[14]

2.2 IPMC制備

IPMC柔性抓捕機構抓取物體時，首先通過IPMC的彎曲變形包裹被抓物體，然后依靠其端部輸出力抓取物體，因此IPMC若要成功抓取物體就需要有足夠的彎曲變形和輸出力。根據課題組前期工作研究[15]，增加Nafion基膜厚度可以有效提高IPMC的端部輸出力，而退火溫度能有效控制基膜剛度。本文利用化學鍍方法在Nafion基膜表面生成金屬電極，其制備過程大致如下：①基膜澆鑄：將Nafion溶液和DMF(N，N-二甲基甲酰胺)溶液混合均勻放入70℃真空干燥箱中固化成膜，隨后退火消除基膜內應力；②基膜粗化：提高基膜粗糙度，增加電極和基膜的接觸面積，有利于Pt顆粒沉積；③離子吸附：將基膜浸泡在鉑氨溶液中完成Pt+離子吸附；④主化學鍍：利用NaBH4還原劑將基膜內的Pt+還原為鉑金屬顆粒沉積在基膜表面；⑤次化學鍍：為了降低表面電阻，提高鉑電極層厚度需要進行次化學鍍，方法和主化學鍍類似；⑥離子交換：將化學鍍后的樣品浸泡于鋰溶液 2天，使 Li+取代 H+；⑦將制備的IPMC存放于去離子水中備用。

按照上述步驟，本文制備了長為25 mm、寬為5 mm、厚為0.5 mm的IPMC試樣。

2.3 抓捕機構模型設計及導線排布

為了提高抓捕機構的適用范圍，考慮被抓物體形狀的多樣性，分別設計了三指、四指和五指抓捕機構，并對這三種抓捕機構進行了測試分析(詳見第3.3節)。結果發現：圓周方向均勻分布的五指抓捕機構能夠包裹更多形狀的物體，更容易完成物體的抓取，提高抓捕機構的適用范圍。圖2所示為3D打印的五指抓捕機構模型，此模型在圓周方向上均勻分布五個凹槽用于抓捕機構IPMC驅動部件的組裝和拆卸。

圖2 抓捕機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of gripper

合理的導線排布能有效降低IPMC柔性抓捕機構的安裝、操作難度，提高抓捕機構的可行性。因此，為方便安裝超柔細導線(導線直徑為0.3 mm)，在設計和打印抓捕機構模型時，在其內部留出直徑為0.6 mm的線孔，將超柔細導線排布其中，此方法有效避免了導線之間的纏連，也便于排查每根導線的連通情況。

2.4 IPMC端部修飾

抓捕機構的單指由IPMC和指端結構兩部分組成，兩者粘合后的長度即單指的工作長度。指端結構兩側分別安裝勾爪和粘附材料，如圖3所示。

圖3 IPMC端部修飾圖Fig.3 Schematic diagram of end-modified IMPC

抓捕機構抓取物體時其單指要有足夠的長度來包裹物體，若僅增加IPMC的長度則會導致其端部剛度下降；其次，若IPMC直接抓取物體，被抓物體可能會出現滑落現象。因此，在保證IPMC總長度不變的情況下，通過端部修飾添加指端結構來增加單指工作長度和摩擦力并保證其端部剛度。

IPMC的端部修飾主要通過以下途徑實現：①在IPMC端部連接3D打印的指端結構來增加單指長度和端部接觸面積，圖3(a)、(b)中IPMC端部的白色部分即是3D打印的指端結構；②在指端結構兩側分別安裝勾爪和粘附材料，勾爪能使IPMC向外彎曲時勾取物體，粘附材料能有效提升IPMC與被抓物體之間的摩擦力，避免被抓物體滑落。組裝后的抓捕機構可以安裝在移動平臺(機械臂)上，如圖3(b)所示。

3 試驗分析

利用測試平臺對單指IPMC的端部輸出力、位移以及電流特性進行相關分析，之后對端部修飾的兩指和三指抓捕機構進行抓取試驗分析以檢驗端部修飾效果，最后組裝五指抓捕機構并進行相關試驗分析。

3.1 測試平臺

IPMC測試平臺如圖4所示，主要包括工作臺、信號發生器、位移傳感器模塊、力測試模塊、電性能測試模塊和計算機等。測試條件為大氣環境，測試時將IPMC一端夾持在工作臺上的電極中，另一端自由放置。自由端一側接觸力傳感器，另一側放置激光位移傳感器，激光位移傳感器激光點與IPMC自由端相距10 mm。

圖4 IPMC測試平臺示意圖Fig.4 Schematic diagram of IPMC test platform

當在IPMC兩端施加電壓信號時，其位移、端部輸出力、電流、電阻和功率等信號可通過計算機采集處理獲得。

3.2 單指性能測試與分析

利用上述測試平臺可以測得單指IPMC工作時的電流I、電阻R、功率P、輸出力F以及位移d的變化情況。圖5表示單指IPMC在直流電壓U為3 V時，其位移、輸出力、電流、電阻和功率隨工作時間的變化規律。

圖5 IPMC在3 V直流電壓下的輸出特性Fig.5 Output characteristics of IPMC at 3 V DC voltage

從圖5(a)可以看出IPMC在直流3 V電壓下，其位移先迅速增大后緩慢減小，最大形變位移為6.85 mm，工作18 min后位移衰減至3.37 mm。這是因為IPMC工作時其內部水分會發生電解揮發和擴散散失，使基膜內的水分減少，IPMC開始出現蠕變現象，導致位移下降。IPMC的工作相當于放電過程，因此IPMC的工作電流隨著工作時間的增加會逐漸減小。由公式P＝IU可知，由于IPMC的工作電壓不變，工作電流逐漸減小，其功率會出現和電流相同趨勢的下降；由公式P＝I2R和圖5(b)可以看出，IPMC在驅動過程中，其電阻會逐漸增大。當在IPMC兩側施加電壓信號時，隨著其內部離子的遷移，IPMC端部的輸出力會逐漸增加，由于離子的遷移需要遷移時間，因此其輸出力會在一個時間段(0～14 s)內逐漸增大，如圖5(c)所示。

綜上可知：此抓捕機構驅動電壓低、功耗小，在3 V直流電壓下工作18 min，其位移仍保持3.37 mm左右，而功率僅0.17 W左右。

3.3 五指抓捕結果與分析

將端部修飾后的兩指、三指和五指分別安裝于抓捕機構的凹槽中，并將此抓捕機構固定在機械臂上進行抓捕試驗分析，測試端部處理效果。

圖6表示端部修飾后的兩指和三指能有效抓起設定的物體，其中：(a)、(b)表示端部修飾后的兩指成功抓起泡沫圓柱體；(c)、(d)表示端部修飾后的三指成功抓起乒乓球和紙杯。從圖6(a)、(c)可以看出，端部連接的粘附材料有效增加了抓捕機構端部與被抓物體之間的摩擦力，降低了被抓物體滑落的可能。從圖6(b)、(d)可以看出，端部連接的勾爪使抓捕機構具有勾取物體的能力，拓展了抓捕機構的抓取方式。與兩指抓取相比，三指抓取更加平穩、抓捕物體適用范圍更廣，能夠抓取體積(或質量)相對較大的物體。

圖6 端部修飾后的抓取效果Fig.6 Grabbing by two fingers after end modification

綜上可知：IPMC經端部修飾后，增加了抓捕機構的可靠性，保證了其端部剛度，有效避免了被抓物體滑落的可能，使得抓捕機構的適用范圍大幅提高。

圖7表示五指抓捕機構利用內收方式成功抓取球形、不規則柔軟體和紙杯形物體。其中：(a)表示抓捕機構五指張開靠近被抓物體(+3 V)；(b)表示抓捕機構五指內收緊緊抓牢物體(-3 V)；(c)表示物體被成功抓起。同理不規則柔軟體和紙杯形物體也是類似抓取原理。

圖7 抓捕機構內收抓取過程Fig.7 The inward grasping process of the gripper

圖8 抓捕機構外翻抓取過程Fig.8 The outward grasping process of the gripper

圖8 表示抓捕機構利用外翻勾取方式勾起框形物體。具體抓取過程如下：(a)表示抓捕機構五指內收靠近被抓物體，此時施加-3 V的電壓使五指向內彎曲，避免刮擦被抓物體；(b)表示抓捕機構五指全部張開勾取物體，此時施加+3 V電壓；(c)表示框形物體被成功抓起。

上述可知：此柔性抓捕機構結構簡單，操作方便，通過控制電壓信號(±3 V)能有效控制抓捕機構的張開和閉合狀態，實現了內收和外翻兩種不同方式的抓取。

4 結論

針對空間飛行器在軌抓捕機構存在整體質量慣性大、結構復雜、操作維護成本高等缺點，利用電活性聚合物IPMC研制出一款結構簡單、操作方便、功耗小、驅動電壓低的五指柔性抓捕機構。

單指測試表明，抓捕機構在直流3 V電壓下的最大彎曲位移為 6.85 mm，工作時間可達18 min，功率僅0.17 W左右。

五指抓捕結果表明，IPMC經端部修飾后，有效提升了抓捕機構的可靠性，保證了其端部剛度，有效避免了被抓物體滑落的可能，使得抓捕機構的適用范圍大幅提高，實現了內收和外翻兩種不同方式的抓取功能。

未來隨著IPMC材料輸出性能的不斷優化和改善，基于IPMC驅動的柔性抓捕有望應用于空間飛行器的在軌捕獲，以解決目前傳統機械抓捕存在的問題。