控制软抓取器的电流变阀门的设计与性能探究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:甘文萱()女硕士助理工程师:.:./.控制软抓取器的电流变阀门的设计与性能探究甘文萱(香港城市大学 香港特别行政区)摘要:针对电流变流体驱动的软体机器人目前存在的如软体易损坏、复杂的腔体更换成本高、电流变液难以制得等诸多问题提出一种由电流变阀门控制的软抓取器 该软抓取器使用了模块化的思想将控制系统集中在了电流变流体控制阀中而软体手指则是标准件具有便于装配更换、控制系统简单的优点 电流变效应是指在外加电场作用下电流变流体会由自由流动状态瞬间变刚度呈现出凝固状态当外加电场消失又能迅速复原 为利用电流变效应去设计控制阀门系统进行了电流变流体变刚度性能试验通过试验讨论了不同影响因素对电流变流体变刚度能力的影响 试验结果表明电场强度、两电极板之间的距离、电极的长度、电极的宽度、硅油的黏度对电流变流体变刚度性能产生不同的影响 通过试验结果可以筛选出电流变流体工作的最优环境条件 此外由电流变阀门控制的软抓取器可以通过控制流体的流动方向来控制机械手的抓取模式 软抓取器样机试验验证了其对不同形状物品的抓取能力关键词:软执行器电流变效应电流变液变刚度电流变控制阀本文引用格式:甘文萱.控制软抓取器的电流变阀门的设计与性能探究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引言与传统的刚性机器人相比软体机器人具有一系列的优点如容易变形、耐磨损、安全地在人体周围工作、自由度高等 所谓软体机器人是指不含(或包含很少)刚性结构的机器人其身体基本上由柔软可扩展的材料(如硅橡胶)制成可以变形并吸收碰撞产生的大部分能量 这些软体机器人一般由流体、形状记忆合金、电介质弹性体、离子聚合物等方式驱动 其中流体驱动是目前最广泛的驱动类型之一 一般来说流体驱动软执行器的内腔是一个简单的、可变形的弹性结构可以依靠流体压力来使其膨胀或收缩 流体驱动分为气动和液动 然而由于空气的可压缩性气动泵的精度很难控制因此气动机器人需要一个比较复杂的管道系统 相比之下液动软执行器更适合于控制多个柔性结构有 种功能流体常用于驱动软体结构一种是磁流变液另一种是电流变液 这 种功能流体多用于直接驱动软体结构 磁流变液在磁场的作用下会随着磁场的增加而表现出屈服应力的增加 例如 等介绍了一种磁流变流体阀门它使用磁场来控制执行器内部的压力 这种阀门系统可以通过施加磁场简化流体控制的驱动方式使机器人能够增加自主性 电流变液在电场的作用下会随着电场的增加而增大表观黏度 例如 等介绍了一种集成了电流变微阀的多自由度软执行器可以灵活地在狭小场景中完成工作该软执行器将电流变微阀集成在了软体内部结构紧凑小巧运动灵活便捷 再例如 等展示了一种微操作手用于在狭窄的管道内工作该微操作手的软体结构中同样嵌入了电极板使得软体结构可以独立地控制运动方向和弯曲程度 等展示了一种基于 的微型电流变阀驱动器部分以悬臂的形式工作该微驱动器将流体通道嵌入悬臂内部 利用上述结构可以通过改变电场实现软体机器人的多种运动方式其具有控制系统简单、轻量化等优点 目前将电流变微阀集成在软体机器人内部是一种被广泛采用的方法虽然其结构紧凑但由于软体机器人的使用寿命普遍较低高度集成的结构更换成本更高并且可以适用的电流变液的制作难度也更高因此针对当前电流变液驱动的软体机器人存在的诸多问题如软体易损坏内含微阀门的复杂腔体使得更换成本高、电流变液难以制得等提出一种由电流变阀门控制的软抓取器 该软抓取器采用了模块化的思想不同于软体内部结合微阀门的方式它将阀门系统与软体部分分隔开来形成一个独立的电流变阀门系统以及 个软体手指具有结构简单、便于更换的优点并且可以独立控制 条流道以实现不同的抓取方式 此外本文中重点研究了多个不同的影响因素对淀粉 硅油混合悬浮液的电流变特性的影响分别是:电场强度、硅油黏度、两电极板之间的距离、电极板的长度和宽度 通过实验定量地对电流变流体变刚度的性能进行了验证为实现电流变液变刚度功能的最佳效果尽可能提供最优条件 软抓取器的结构设计图 是一个电流变液控制阀系统的原理图 这个阀门系统可以利用电流变效应控制电流变液的流动方向即输出方向 它有 个入口、个出口入口和出口之间有 个大小相同的流道 每个流道两侧都有尺寸和位置均相同的电极片 电流变效应是由外加电场引起的电流变液的结构和流变特性的变化 电流变液通常是一种固液分散系统它是由分散在低介电系数的液体绝缘介质中的微米或亚微米大小的易极化颗粒形成的复合悬浮液 电流变液在外加电场的作用下可以在几毫秒的时间内发生明显的、可逆的反应即表观黏度明显增加液体呈现类似于凝固的状态 当电流变液被送入阀门系统时通过改变施加电场的位置及强度可以改变流体的流动方向和流动能力:施加电场的流道中的流体会增大刚度并堵塞流道导致流体向未施加电场的方向流动 施加的电场越强流体变刚度后堵塞流道的能力就越强图 电流变液控制阀原理图.甘文萱:控制软抓取器的电流变阀门的设计与性能探究 图 中说明了电流变阀的 种不同情况 当电场施加在 组电极中的 组时施加电极的流道被阻断未施加电场的流道允许流体自由流动因此该流道连接的一根手指可以弯曲 当对 组电极中的相对 组施加电场时未施加电场的 条流道允许流体流入对应的 个手指可以弯曲实现夹持功能 当不施加电场时所有 个通道都可以流入流体因此 个手指可以同时弯曲实现 指抓取功能 由上述原理设计出了电流变控制阀的结构如图 所示上中下 个零件组成一个内部有 条流道的阀门系统可控制流体向 个不同方向流动 将阀门的输出端口和手指连接这样由电流变阀控制的软体抓手的完整结构就可以构建完成了如图 所示图 阀门结构示意图.图 软抓取器整体结构示意图与实物图.电流变效应理论及流体堵塞能力的探究.电流变效应理论电流变液是一种极化固体颗粒分散在绝缘介质油中形成的悬浮液 图 说明了电流变效应的原理 当不施加电场时固体颗粒在绝缘油中随机分布电流变流体类似于普通的牛顿流体但当施加电场时颗粒瞬间被极化成电偶极子颗粒间的相互作用使固体颗粒形成链状结构或团状结构并稳定下来产生屈服应力 表观粘度会瞬间增加在去除电场后又会瞬间恢复到原来的状态图 电流变效应原理图.电流变流体变刚度堵塞能力实验为了更好地测试电流变效应发生之后流体变刚度能产生多大的堵塞压降制作了一个简单的电流变流体控制阀系统如图 所示 该系统由 流道组成 流道有 个统一的入口和 个独立的出口其中一端与一个小型力传感器相连另一端为自由端 自由端流道两侧的电极大小和位置均相同 传感器通过 开发板将数据上传至计算机 在实验过程中在自由端一侧的流道施加电场电极所处位置的电流变液体瞬间变成凝固状并堵塞流道 然后慢慢增加入口压力观察自由端流道的堵塞何时被突破这样就可以获得最大的堵塞压力 实验中使用淀粉 硅油悬浮液作为电流变液通过实验量化了影响电流变液堵塞能力的不同因素分别是电场强度、电极板之间的距离、电极的长度、电极的宽度、硅油的黏度 并对实验结果进行了分析图 电流变流体控制阀系统.实验结果.电场强度对流体堵塞能力的影响电场强度是影响电流变液改变刚度能力的一个重要因素 随着电场强度的增加电流变液的变刚度能力也会增加这体现在突破其堵塞所需的压力也会增加 如图 所示说明了电场强度和突破堵塞所需最小压力之间的关系 本文中采用硅油黏度为 电极尺寸为 电极间距为 电场强度分别取、来进行本实验 从图 中可以看出当电场强度增加时突破堵塞物所需的最小压力也增加兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 施加电压与压力差值之间的关系.硅油黏度对流体堵塞能力的影响电流变悬浮液由易极化的固体颗粒和绝缘油组成在本实验中以淀粉作为易极化颗粒用硅油作为绝缘液体 那么硅油的黏度也是电流变效应的一个影响因素 如图 所示图 中展示了硅油的黏度与冲破堵塞物所需的最小压力之间的关系 取、等 种黏度的硅油在电场强度为 、电极尺寸为 、电极间距为 的条件下测试 从图 中可以看出随着硅油黏度的增加突破堵塞物所需的最小压力也慢慢增加图 硅油黏度与压力差值之间的关系.两电极板间的距离对流体堵塞能力的影响电极间的距离是电流变效应强度的重要影响因素之一如图 所示图 中说明了电极板之间的距离与突破堵塞物所需的最小压力之间的关系 用黏度为 的硅油制作电流变悬浮液在电场强度为 、电极尺寸为 的条件下取电极间距离为、进行试验 结果显示当电极之间的间距增加时突破堵塞物所需的最小压力就会降低这意味着电流变液体的刚度会降低图 两电极的间距与压力差值之间的关系.电极板长度对流体堵塞能力的影响电极长度是影响电流变效应强度的重要因素 如图 所示图 中显示了电极长度与突破堵塞物所需最小压力之间的关系 用 黏度的硅油制作电流变悬浮液在电场强度为 、电极宽度为 、两电极间距为 的条件下取电极长度为、从图 中可以看出当电极长度增加时突破堵塞物所需的最小压力增加这意味着电流变液的可变刚度增加 这是因为当电极长度增加时电流变液变刚度部分的体积增加所以堵塞能力明显增加图 电极长度与压力差值之间的关系.电极板宽度对流体堵塞能力的影响电极宽度也会影响电流变效应的强度 如图 所示图 中展示了电极宽度与突破堵塞物所需最小压力之间的关系 用黏度为 的硅油制作电流变悬浮液在电场强度为 、电极长度为、两电极间距离为 的条件下电极宽度分别为、从图 中可以看出当电极宽度增加时突破堵塞物所需的最小压力并没有明显变化 这是因为尽管当电极宽度增加时电流变液变刚度部分的体积增加按照常理这应该使得堵塞能力显著增加 然甘文萱:控制软抓取器的电流变阀门的设计与性能探究而当电极宽度增加时通过单位截面的流量也会增加所以这 种影响相互抵消堵塞能力没有明显变化图 电极宽度与压力差值之间的关系.软抓取器抓取性能验证.弯曲能力分析有限元分析是对复杂结构进行力学分析的有效方法在本节中使用有限元分析软件 来研究基于 模型的软指的机械性能通过施加.、.、.、.、.、.、的压力进行计算结果如图()图()所示在手指的内腔中注入液体后内腔的每一段都会膨胀从而相互挤压使手指的底部慢慢弯曲压力越大弯曲的角度越大从而验证出软体手指弯曲能力和内部电流变液所施加的压力的关系图 有限元分析结果.抓取性能验证本文设计的由电流变流体控制阀控制的软体机器人如图 所示可以分别用 根手指勾住 个环状物体用 根手指夹起 个扁平物体以及用 根手指抓取 个物体 在这个实验中抓取的物品是圆环、扁平纸板和乒乓球都是常见的物品实验开始时一个注射器泵用于连接电流变流体控制阀系统并将淀粉和硅油的混合悬浮液泵入其中 阀门的 组电极也被单独控制图 样机示意图.单根手指勾取圆环的实验电流变阀 组电极中的 组与电压为 的高压电源相连而另一组电极则不与电源相连 打开注射泵的自动输入将电流变悬浮液送入实验装置 此时电场作用下的 个流道发生了电流变效应电流变液已经变成固体状堵塞了流道所以电流变液只能通过不施加电场的流道进入与其相连的手指 手指随着流体的流入而慢慢弯曲并勾住了环状物 具体实验结果如图 所示图 单指操作实验.根手指夹持平板实验高压电源连接到电流变阀中相对的 组电极电压强度为 另外 组电极不与电源连接 打开注射泵的自动输入将电流变悬浮液送入实验装置 此时施加电场的 条流道中的电流变液会变硬产生堵塞所以电流变液只能通入未施加电场的流道连接的 个软指 随着流体的流入手指慢慢弯曲并紧紧夹在平板上 具体实验结果见图 兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 指操作实验.根手指抓取球体实验电流变阀的 组电极均未施加电场 打开注射泵的自动输入将电流变悬浮液送入实验装置 此时电流变液被同时注入 个手指中 手指随着液体的流入慢慢弯曲抓住球体 具体的实验结果见图 图 指操作实验.结论本文中设计了一种用于控制软抓取器的新型电流变阀门 该电流变阀门采用模块化的设计思想具有便于装配更换控制系统简单等优点通过试验本文中还讨论了不同因素对电流变流体变刚度能力的影响 试验表明电场强度、两电极板之间的距离、电极的长度、电极的宽度、硅油的黏度均对电流变流体变刚度能力产生不同的影响具体体现为:)电场强度增加电流变流体变刚度能力增加)两电极板之间的距离增加电流变流体变刚度能力降低)电极的长度增加电流变流体变刚度能力增加)电极的宽度增加电流变流体变刚度能力变化不明显)硅油黏度增加电流变流体变刚度能力增加因此利用试验结果设计了一款由电流变阀门控制的软抓取器并验证了其对不同形状物品的抓取能力 该项试验对电流变阀控制的软抓取器设计具有重要意义 后续应继续开展更全面的电流变流体的制备及特性分析参考文献:.():.():.:.():.(/):.():.:.():.“”.():.():.:.():.():.(下转第 页)甘文萱:控制软抓取器的电流变阀门的设计与性能探究.():.吕艳妮曹雪娟伍燕.环氧树脂/聚氨酯/硅微粉复合材料的力学性能研究.重庆理工大学学报(自然科学)():./.()():.徐鹏王永欢.粉煤灰漂珠/聚氨酯复合泡沫铝材料压缩性能与本构关系研究.测试科学与仪器():./.():.王超安振涛甄建伟等.玻璃纤维/玻璃微珠混杂增强聚氨酯泡沫铝压缩性能研究.材料导报():./.():.赖强.浇注型纳米 聚氨酯复合材料的制备与性能研究.上海:上海交通大学.:.张冰冰赵金安薛仲卿等.漂珠聚氨酯复合泡沫力学特性及本构模型研究.振动与冲击():.():.张英琦乐贵高马大为等.适配器新型基体材料热粘超弹本构模型研究.兵器装备工程学报():.():.科学编辑 杨继森 博士(重庆理工大学 教授)责任编辑 徐佳忆(上接第 页).:.():.():.().():.科学编辑 楚中毅 博士(北京航空航天大学 教授)责任编辑 徐佳忆兵 器 装 备 工 程 学 报:/./