随着全球工业的发展，工厂生产的产品急剧增加，然而对于易损物品的抓取方式及效率要求越来越高，在传统工厂的抓取作业中，目前普遍采用机械夹爪、真空吸盘等传统夹具对物品进行抓取，经常会受到产品不同形状、材质、位置的影响，导致无法顺利抓取^[1]。而近年兴起的基于柔性机器人技术的柔性夹爪，可以完美攻克这一工业难题。它不同于传统夹爪的刚性结构，柔性夹爪具有柔软的气动“手指”，能够自适应地包覆住目标物体，无需根据物体精准的尺寸、形状进行预先调整，摆脱了传统生产线要求生产对象尺寸均等的束缚^[2]。柔性夹爪应用广泛，适用于食品、汽车、日化、医疗、3C电子等多领域，可集成至智能装配、自动分拣、物流仓储和食品加工流水线中，也可以作为科研实验设备、智能娱乐设备或服务型机器人的功能性配件^[3]。
柔性夹爪具有特殊的气囊结构，随着气动控制器输入压力的不同会产生不同的动作。输入正压，夹爪将自适应物体外表体征，呈握紧趋势，完成抓取动作。输入负压，夹爪张开，释放物体，在某些场合也可起到内支撑抓取效果^[4]。目前，柔性夹爪正/负压下工作的压力流量特性研究还有很多不足，如正/负压下的功率和能耗量化研究。
本文首先提出了柔性夹爪在收缩和扩张时的压力与流量测试原理^[5]；然后采用工控机、空气压缩机、精密减压阀、电磁换向阀、压力变送器、流量计及柔性夹爪等搭建测量平台，测出装置的正压与流量，而后加入真空发生器，测出负压与流量，研究其压力流量等机械特性^[6]；最后研究了柔性夹爪在收缩与扩张过程中气动功率变化及其能耗问题^[7]。
1 柔性夹爪收缩与扩张特性测试 1.1 柔性夹爪收缩特性测试原理 图 1为柔性夹爪在收缩时的系统原理。


空气压缩机作为气源为系统提供动力^[8]。精密减压阀用于调节合适的输出压力，给出电磁换向阀的驱动电压信号后，电磁换向阀控制气体的流动与方向，进而控制柔性夹爪的收缩与恢复。压力变送器的压力信号传送到数据采集卡，安装在工控机上的数据采集卡调用上位机程序，采集压力变送器及流量计的信号^[9]。
1.2 柔性夹爪扩张特性测试原理 研究柔性夹爪扩张实验应用2种方法对其压力与流量进行测量。第一种是将流量计接在精密减压阀之后，测量柔性夹爪工作时整个系统的流量；第二种是将流量计接在柔性夹爪之前，测量流过柔性夹爪的流量。2种情况的系统原理分别如图 2(a)、(b)所示。


空气压缩机作为气源为系统提供动力。精密减压阀用于调节合适的输出压力，给出电磁换向阀的驱动电压信号后，电磁换向阀控制气体的流动与方向，空气快速流过真空发生器形成负压，进而控制柔性夹爪的扩张与恢复。压力变送器的压力信号传送到数据采集卡，安装在工控机上的数据采集卡调用上位机程序，采集压力变送器及流量计的信号。
1.3 柔性夹爪的压力流量特性实验研究
1.3.1 正压下柔性夹爪的压力和流量测量 在此次实验中，采用先储气后供气的方式：启动空气压缩机向储气罐中充气，待压缩空气达到一定压力后停止空气压缩机，由储气罐对外供气^[10]。
柔性夹爪收缩时，压力与流量数据采集流程如下：
1) 打开截止阀，向储气罐中充满0.6 MPa的压缩空气。
2) 开启精密减压阀进行减压，将压力调节为0.02 MPa。
3) 让电脑输出信号给电磁换向阀，电磁换向阀得电产生正压与流量，使柔性夹爪收缩。
4) 产生的压力与流量通过压力变送器与流量计以信号形式传入电脑，显示数据。
5) 通过在精密减压阀改变不同初始压力，每次增加0.02 MPa，重复步骤3)、步骤4)，获得多组数据。

1.3.2 负压下柔性夹爪的压力和流量测量 柔性夹爪扩张时，压力与流量数据采集流程如下：
1) 打开截止阀，向储气罐中充满0.6 MPa的压缩空气。
2) 开启精密减压阀进行减压，将压力调节为0.05 MPa。
3) 让电脑输出信号给电磁换向阀，电磁换向阀得电产生压力与流量。空气快速通过真空发生器，产生负压，使柔性夹爪扩张。
4) 产生的压力与流量通过压力变送器与流量计以信号形式传入电脑，显示数据。
5) 通过在精密减压阀改变不同初始压力，每次增加0.02 MPa，重复步骤3)、步骤4)，获得多组数据。

1.3.3 实验主要元器件的型号和参数 表 1为主要元器件的型号和参数。其中，FESTO的SFAH流量计，其测量方式是热传导，基于能量守恒传热计算，通过获得瞬时的温度、压力信号进而得到瞬态流量，测量精度较高。
表 1 主要元器件的型号和参数 Table 1 Models and parameters of main components


表选项







1.3.4 柔性夹爪收缩与扩张控制系统实验平台 柔性夹爪收缩与扩张控制系统的实验平台如图 3所示。压力/流量/温度等传感器的信号通过NI 6358数据采集卡的接线端子板，送入工控机系统；利用LabVIEW在工控机上编写程序控制系统，实现柔性夹爪的压力流量等测试数据的汇总^[11]。


2 柔性夹爪采集数据的分析 2.1 柔性夹爪收缩时数据分析 将实验平台按图 1进行搭建，分别测出柔性夹爪收缩时的不同输出压力与流量，并将其测出数据运用SigmaPlot进行绘制成图，如图 4所示。图中：0.02 MPa等为实验时给的初始压力。


从图 4(a)可知，当输出的压力越大时，产生的正压压力越大，其柔性夹爪的收缩力度越大；压力的输入与柔性夹爪工作时的压力相差不大；在柔性夹爪抓取物品时，只要输入与物品能承受的相同初始压力就能完成物品的抓取。由图 4(b)可以看出，流量的输出与输入比较稳定，都是瞬间产生，说明柔性夹爪的抓取比较稳定，并且夹取动作是瞬时完成的。
2.2 柔性夹爪扩张时数据分析 将实验平台按图 2 (a)进行连接，分别测出柔性夹爪扩张时的不同输出压力与流量，并将其测出数据运用SigmaPlot进行绘制成图，如图 5所示。


由图 5(a)可以看出，在初始压力为0.05 MPa时，柔性夹爪的输出压力很小，这是由于真空发生器在形成真空时的消耗，但随着初始压力按照等差数值增加时，其夹爪产生压力呈现的增加幅度逐渐减小。
将实验平台按图 2 (b)进行连接，分别测出柔性夹爪扩张时的不同输出压力与流量，并将其测出数据运用SigmaPlot进行绘制成图，如图 6所示。


由图 5(a)、图 6(a)可知，在柔性夹爪进行扩张实验时，其工作时的压力与输入的初始压力相差较大。通过计算，其工作压力约占初始压力的24%；在同是负压的情况下，图 5(b)表示整个系统的总流量，图 6(b)表示柔性夹爪在扩张时的流量。对比初始压力为0.1 MPa与0.2 MPa时柔性夹爪扩张时的流量，其占比约是系统总流量的37%。
2.3 柔性夹爪压力的滞环特性 根据测量的柔性夹爪收缩时的压力，绘出初始压力为0.02 MPa和0.04 MPa时的压力滞环特性图，以及根据测量的柔性夹爪扩张时的压力，绘出初始压力为0.1 MPa和0.2 MPa时的压力滞环特性图，如图 7所示。


由图 7(a)可以看出，柔性夹爪收缩时，其压力的增加量与压力的减小量随着初始压力的增大而增大，滞环误差也越大，此时能耗也越大。由图 7(b)可以看出，柔性夹爪在扩张时，其压力的增加量与压力的减小量随着初始压力的增大，增大效果不明显，滞环误差也相差不大。另外，柔性夹爪不管是收缩还是扩张，其压力的滞环特性误差最大值均在运动位移的中点。
3 柔性夹爪收缩与扩张时的气动功率 3.1 气动功率 气动系统中，压缩空气的有效能定义为: 以大气温度和压力状态为外界基准, 压缩空气具有的对外做功能力^[12]。该有效能是相对于大气状态基准的相对量，是建立在气动系统都工作在大气环境下这样一个事实基础上。有效能在大气温度下可表达为^[13]

式中：V为空气体积；p为空气绝对压力；p_a为大气绝对压力。
空气流动时，空气流束所含的有效能表现为动力形式，称之为气动功率。由于空气温度变化50 K时，气动功率的变化不足3%^[14]，忽略空气温度后，其计算公式为^[15]

式中：Q为压缩状态下的体积流量；Q_a为换算到大气状态下的体积流量。
查资料可得^[16]，温度20℃、相对湿度56%时的状态称为空气的标准状态，即101.32 kPa。
3.2 柔性夹爪收缩时的气动功率 在原理图 1的情况下，将在测量柔性夹爪收缩时压力与流量的数据代入式(2)获得柔性夹爪收缩时的气动功率，用SigmaPlot绘制成图，如图 8所示。可以看出，改变初始压力时，初始压力越大，在减小相同压强时其能量损失越大。


3.3 柔性夹爪扩张时的气动功率 在图 2(a)的情况下，将测得柔性夹爪扩张时的压力流量数据代入式(2)获得柔性夹爪扩张时的气动功率，用SigmaPlot绘制成图，如图 9所示。可以看出，随着初始压力的逐渐增大，其相对能耗减小。


在图 2(b)的情况下，将测得柔性夹爪扩张时的压力与流量数据代入式(2)获得柔性夹爪扩张时的气动功率，用SigmaPlot绘制成图，如图 10所示。可以看出，此时柔性夹爪扩张时的能量损耗在较大的初始压力时，改变压力大小，其能量损耗较小；在较小的初始压力时，改变压强大小，其能量损耗较大。


由图 8~图 10可以得到，在柔性夹爪做收缩或扩张动作时，只要在满足工作要求的情况下，应选择较大的初始压力，这样在保证安全抓取物品的情况下可以减少功能损耗。
此外，通过图 9、图 10可以求得，柔性夹爪扩张时，在初始压力为0.1 MPa和0.2 MPa时柔性夹爪的气动功率占总系统的百分比，如图 11所示。


由图 11可知，当获得初始压力越大时，柔性夹爪瞬间扩张时所占总系统的气动功率越大，因此，在满足工作条件的情况下，应选择较大的初始压力增大能量利用率；柔性夹爪扩张时的能耗较高，在柔性夹爪工作时，应尽量减少使用扩张动作来运送物品。
4 结论 本文对柔性夹爪收缩与扩张过程中的压力流量及功率消耗进行研究，使用的空气压缩机是定量的恒压源泵，与系统的功率特性相匹配。
1) 在对柔性夹爪做收缩实验时，柔性夹爪工作时压力与给定初始压力相差不大，能量的利用率较高，气动功率损耗较小。
2) 在对柔性夹爪做扩张实验时，提供的初始压力与柔性夹爪产生压力相差较大，如果需要柔性夹爪达到规定压力需要提供更大的初始压力，能量利用率较低，能耗较大。
3) 柔性气爪在收缩时，随着初始压力的增大，其产生的压力滞环误差越大，相对能耗也越大。
4) 在柔性夹爪的运用中多使用收缩动作，收缩与扩张达到相同压力时，扩张需要的初始压力较大，此时的能耗就较大。

参考文献