文 | 中史华纳

编辑 | 中史华纳

手动剪切拉胀技术的核心思想是结合了刚性和柔软材料的优点，通过 3D 打印制造出一种特殊的结构，使电动软机器人能够在需要时通过手动操作实现形状的调整和变化。

这种技术为机器人提供了额外的灵活性，使其可以适应不同的任务和环境。

01

原创 HSA 设计和制造

高拉胀超材料（HSA）是一类新型材料，被用于软机器人的驱动系统，与典型的拉胀超材料不同，HSA有意打破了对称性，只允许单一手性的剪切运动，而不是允许两种手性之间的切换。

为了制造左手和右手的HSA，可以采用细胞模式的简单反射方法，当将HSA置于圆柱体周围时，这种手性剪切运动会在旋转和伸展之间产生强大的耦合效应。

通过组合配对，使用相反旋向的气缸，可以创建软线性驱动器，从而每个气缸都能抵消另一个气缸的旋转运动。

要实现这些效果，HSA必须能够从关闭状态顺利打开，这使得其活动铰链的形式和机械性能对其拉胀行为至关重要。

HSA的超材料结构由许多单独的支柱组成，通过这些活动铰链相互连接，这些铰链的作用类似于销接头，因此它们必须足够薄、灵活，同时能够承受高应变。

不能适应高应变或太刚性的活动铰链将限制HSA上施加的净扭矩下的弯曲或屈服，从而分别导致致动器的受限或故障，所以最初选择了PTFE材料，因为它具有高断裂伸长率，约为300-500％。

HSA在伸长时，这使得活动铰链能够发生塑性变形并在平面外弯曲，而不必担心关节折断，PTFE也以管材的形式提供，使得HSA可以通过旋转激光切割来制造，以实现所需的薄特性，然而，对现有材料的依赖导致HSA行为存在显着差异。

挤压PTFE管的尺寸和旋转激光切割硬件的精度缺乏精密工程公差，这意味着接头和支柱尺寸无法精确标准化。

在设计HSA时，起点是使用PTFE圆柱体作为3D打印的原型，PTFE HSA通过使用直径为25.4毫米、壁厚为2.43毫米的PTFE管在具有旋转雕刻机附件的120瓦激光切割机上切割而成，基本的拉胀元素沿圆柱体的圆周重复出现三次。

弯曲执行器是通过将约束特征沿HSA图案的对角线放置，以限制其膨胀而创建的，这些技术的发展有望在软机器人和其他工程应用中发挥关键作用，为创新提供了新的机会。

02

3D打印HSA

高拉胀超材料（HSA）的重复单元形成一个网络，可以在驱动过程中实现拉胀行为，这些单元的几何形状保持不变，除非在某些变体中进行了缩放（分别为P1、P2和P3的原始尺寸的100%、50%或33%），而所有HSA的长度（L）均为101.6毫米。

HSA的拉伸和滞后行为通过拉伸和循环拉伸测试来进行表征，在这些测试中，HSA通过定制的3D打印适配器安装到Instron测试机上，适配器将HSA的一端固定，同时允许另一端自由旋转，在拉伸延伸试验中，HSA以1毫米/秒的速度线性延伸，直至发生失效。

在循环延伸测试中，HSA以10毫米/秒的速率循环延伸至50毫米，对于HSA，50毫米的延伸对应于约50%的拉伸应变，而10毫米/秒的延伸速率反映了基于HSA的软机器人操作中的典型驱动速率。

之前的电动软机器人使用了基于PTFE HSA的例子，包括4自由度平台和平行夹具，在这项工作中，介绍了使用FPU和EPU HSA的这些软平台和夹具的多种变体。

4-DoF平台由2x2配置的四个HSA组成，其中交替的HSA具有不同的旋向性，每个HSA的近端连接到伺服电机，而远端则通过3D打印固定在一起。

软夹具在其配置和HSA端与伺服端以及刚性端件的连接方面类似于软平台，软夹具中的HSA具有相反的旋向性，排列成2x1的配置并且两个HSA都添加了约束特征，以驱动手指定向弯曲以进行抓取。

总共组装了三个软HSA平台，分别由四个FPU和四个EPU HSA组成，其厚度分别为时间3和时间5，它们与由PTFE HSA构建的原始软平台（PTFE平台）进行了比较。

为了突出使用定制尺寸HSA构建器件的能力，还开发了第三个软平台，其中包括四组同心排列的三个FPU HSA（同心平台），其外径不同，但在时间2时保持了相同的厚度。

所有这些平台都由HS-785HB伺服系统驱动，由Pololu Micro Maestro 6通道USB伺服控制器控制。

还开发了两种软夹具，第一种由一个FPU HSA和两个具有相反方向的FPU HSA组成，其中包括一个手指（厚度时间3，HSA重复单元缩放p3），第二种是由EPU和FPU HSA组件组成的刚软混合夹具，外部HSA由EPU打印，而内部HSA由FPU打印，形成刚性内骨架。

混合夹具中EPU和FPU HSA的厚度分别为时间5和时间3，重复单元缩放p1，所有软夹具都旨在集成到之前使用PTFE HSA引入的多操作平台上，并由Arduino控制的HS-5585MH伺服驱动器来控制。

通过视觉比较平台的响应，对所有自由度上的相同控制序列进行了评估，包括垂直延伸和绕所有轴的旋转，在控制序列中的每个动作中，相同的位置命令被发送到伺服系统，以确保任何感知到的变化都是由材料差异引起的。

定量地通过阻挡力测试来表征具有和不具有两个内部HSA的同心平台，在这些实验中，通过将平台的远端压在静态英斯特朗测力传感器上来测量阻挡力。

伺服器从0度开始旋转，每次增加5度，最多旋转180度，将平台延伸到负载传感器上，然后再旋转到180度，最后再返回到0度，阻挡力是根据去除致动过渡期后在每个伺服旋转角度保持5秒的平均测量值确定的。

对于软夹具，抓取力的特性是通过测量从夹具中拉出3D打印球体所需的力来确定的，在这些实验中，以5毫米/秒的速度从软夹具的夹具中拉出球体，同时英斯特朗称重传感器测量作为延伸函数的力的大小。

这些实验对于评估不同HSA构建和组装方式对于软机器人性能的影响非常有帮助，提供了宝贵的数据和见解。

03

3D 打印手动剪切拉胀

使用3D打印方法相较于激光切割，提供了更为简便的制造方式，能够轻松制造更复杂的设计，数字投影光刻方法也适用于迅速制造3D形式的高拉胀超材料（HSA）。

与以前只能使用聚四氟乙烯（PTFE）圆柱体制作的HSA不同，现在我们可以轻松地使用RPU、FPU和EPU树脂来进行3D打印HSA。

此外，3D打印方法还可以实现定制的HSA设计，包括具有不同形状的同心HSA（φ）以及通过将FPU HSA内骨骼插入EPU HSA内部而组装的混合HSA（φ3），这种方法还能够产生更为可靠和可重复的HSA。

相比之下，激光切割通常限制在特定的库存材料和格式上，这迫使用户手动调整每种库存材料的切割参数，从而增加了制造错误的可能性。

这些问题在HSA的激光切割中尤为突出，特别是因为PTFE管通常具有可变的形状和轮廓，导致制造结果的不一致性。

3D打印技术提供了更为一致的制造过程，尤其对于需要薄且精细约束特征的HSA手指弯曲，这使得打印具有磷3重复单元缩放的HSA成为可能，而这在激光切割HSA中从未实现过。

在机械性能方面，文章提供了PTFE、RPU、FPU和EPU HSA在拉伸和循环延伸测试中的数据，原始的PTFE HSA在拉伸延伸测试中表现出三个阶段的变形。

HSA从初始关闭状态开始打开，活动铰链适应了支柱向外扩张产生的拉胀行为，这种打开行为只需要很小的力（约0到80毫米膨胀）。

当HSA打开时，支柱在拉伸方向上对齐，结构变得有效地更加坚硬，拉伸载荷现在主要作用在支柱上，并且力迅速增加，形成J形响应，直到延伸约90毫米。

支柱发生塑性变形，直至最终失效，其他拉胀结构也表现出类似的变形反应，这些数据解释了为何拉长HSA需要更大的力，这与驱动HSA所需的更高扭矩有关。

大多数RPU、FPU和EPU HSA表现出与原始PTFE HSA相似的拉胀行为，具体来说，RPU HSA因其高刚度而在较高的力下伸长，而FPU HSA在0到100毫米的伸长范围内表现出与PTFE HSA最为接近的行为。

值得注意的是，Time 3和Time 4的FPU HSA能够承受更大的塑性变形，EPU HSA表现出最大的延伸能力和最低的所需力，与PTFE HSA相似。

循环延伸测试数据显示，即使在适度的HSA延伸下，PTFE HSA仍然表现出高度的滞后，通过重复的拉伸-延伸循环，HSA的性能更加可重复。

在这些实验中，RPU HSA表现出较差的鲁棒性，因为它们在几个循环后就失效，尤其是在1毫米/秒的较慢伸长率下，而FPU HSA显示出更明显的滞后行为，而EPU HSA的滞后行为较小，这很可能是由于FPU HSA的弹性变形引起的。

04

软机器人性能

4自由度（4-DoF）的HSA平台是一种软机器人系统，能够执行复杂的运动任务，适用于各种机动和潜在的机械任务，这个平台使用了PTFE、FPU（时间3）和EPU（时间5）的HSA（均为φ1）。

PTFE HSA平台能够实现各种复杂的运动，包括顺时针（CW）和逆时针（CCW）的扭转运动、伸长、收缩和有向弯曲等，具体来说，PTFE HSA平台具有非常广泛的运动范围，包括以上提到的各种类型的运动。

由FPU HSA构建的平台实现了相同类型的运动，并且拥有相似的运动范围，尽管EPU平台的刚度较低，但其性能与FPU HSA平台相似，在极端变形情况下，我们观察到EPU HSA平台出现了弯曲并限制了整个运动范围。

之前已经证明，由弹簧钢制成的同心组装HSA具有有趣的承载能力，现在随着3D打印技术的发展，可以制造定制的HSA设计，研究人员渴望探索同心组装的圆柱形HSA如何为HSA平台带来新的机遇。

尽管较厚的HSA可以产生更大的力，但它们也需要更强大的伺服系统来产生更高的扭矩，研究人员假设同心组装的薄HSA足以产生更高的阻挡力。

两个平台都由四个单独的FPU HSA和四个同心FPU HSA组成，这些平台通过推动重量传感器来驱动，并且产生的阻挡力与伺服旋转角度之间存在一定的关系。

同心HSA平台产生的最大阻挡力大约是单个HSA平台的3倍，在超过一定的伺服旋转角度后，平台产生的阻挡力会减小，这是因为HSA在较高的旋转角度下发生屈曲。

通过将定制尺寸的HSA嵌套在一起，可以提高基于HSA的软机器人的性能，这种方法允许在不增加太多复杂性的情况下增加阻挡力，从而扩展了软机器人的应用范围。