甘文萱

(香港城市大學(xué), 香港特別行政區(qū) 999077)

0 引言

與傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人相比,軟體機(jī)器人具有一系列的優(yōu)點(diǎn),如容易變形[1]、耐磨損[2]、安全地在人體周?chē)ぷ鱗3]、自由度高等[4]。所謂軟體機(jī)器人是指不含(或包含很少)剛性結(jié)構(gòu)的機(jī)器人,其身體基本上由柔軟可擴(kuò)展的材料(如硅橡膠)制成,可以變形并吸收碰撞產(chǎn)生的大部分能量[5]。這些軟體機(jī)器人一般由流體[6]、形狀記憶合金[7]、電介質(zhì)彈性體[8]、離子聚合物[9]等方式驅(qū)動(dòng)。其中流體驅(qū)動(dòng)是目前最廣泛的驅(qū)動(dòng)類(lèi)型之一。一般來(lái)說(shuō),流體驅(qū)動(dòng)軟執(zhí)行器的內(nèi)腔是一個(gè)簡(jiǎn)單的、可變形的彈性結(jié)構(gòu),可以依靠流體壓力來(lái)使其膨脹或收縮。流體驅(qū)動(dòng)分為氣動(dòng)和液動(dòng)[10]。然而,由于空氣的可壓縮性,氣動(dòng)泵的精度很難控制,因此氣動(dòng)機(jī)器人需要一個(gè)比較復(fù)雜的管道系統(tǒng)[11]。相比之下,液動(dòng)軟執(zhí)行器更適合于控制多個(gè)柔性結(jié)構(gòu)。

有2種功能流體常用于驅(qū)動(dòng)軟體結(jié)構(gòu),一種是磁流變液,另一種是電流變液。這2種功能流體多用于直接驅(qū)動(dòng)軟體結(jié)構(gòu)。磁流變液在磁場(chǎng)的作用下會(huì)隨著磁場(chǎng)的增加而表現(xiàn)出屈服應(yīng)力的增加。例如,McDonald等[12]介紹了一種磁流變流體閥門(mén),它使用磁場(chǎng)來(lái)控制執(zhí)行器內(nèi)部的壓力。這種閥門(mén)系統(tǒng)可以通過(guò)施加磁場(chǎng)簡(jiǎn)化流體控制的驅(qū)動(dòng)方式,使機(jī)器人能夠增加自主性。電流變液在電場(chǎng)的作用下會(huì)隨著電場(chǎng)的增加而增大表觀黏度[13]。例如Sudhawiyangkul等[14]介紹了一種集成了電流變微閥的多自由度軟執(zhí)行器,可以靈活地在狹小場(chǎng)景中完成工作,該軟執(zhí)行器將電流變微閥集成在了軟體內(nèi)部,結(jié)構(gòu)緊湊小巧,運(yùn)動(dòng)靈活便捷。再例如Yoshida等[15]展示了一種微操作手,用于在狹窄的管道內(nèi)工作,該微操作手的軟體結(jié)構(gòu)中同樣嵌入了電極板,使得軟體結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立地控制運(yùn)動(dòng)方向和彎曲程度。Kim等[16]展示了一種基于MEMS的微型電流變閥,驅(qū)動(dòng)器部分以懸臂的形式工作,該微驅(qū)動(dòng)器將流體通道嵌入懸臂內(nèi)部。利用上述結(jié)構(gòu),可以通過(guò)改變電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的多種運(yùn)動(dòng)方式,其具有控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、輕量化等優(yōu)點(diǎn)。目前,將電流變微閥集成在軟體機(jī)器人內(nèi)部是一種被廣泛采用的方法,雖然其結(jié)構(gòu)緊湊,但由于軟體機(jī)器人的使用壽命普遍較低,高度集成的結(jié)構(gòu)更換成本更高,并且可以適用的電流變液的制作難度也更高。

因此,針對(duì)當(dāng)前電流變液驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人存在的諸多問(wèn)題,如軟體易損壞,內(nèi)含微閥門(mén)的復(fù)雜腔體使得更換成本高、電流變液難以制得等,提出一種由電流變閥門(mén)控制的軟抓取器。該軟抓取器采用了模塊化的思想,不同于軟體內(nèi)部結(jié)合微閥門(mén)的方式,它將閥門(mén)系統(tǒng)與軟體部分分隔開(kāi)來(lái),形成一個(gè)獨(dú)立的電流變閥門(mén)系統(tǒng)以及4個(gè)軟體手指,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于更換的優(yōu)點(diǎn),并且可以獨(dú)立控制4條流道,以實(shí)現(xiàn)不同的抓取方式。此外,本文中重點(diǎn)研究了多個(gè)不同的影響因素對(duì)淀粉-硅油混合懸浮液的電流變特性的影響,分別是:電場(chǎng)強(qiáng)度、硅油黏度、兩電極板之間的距離、電極板的長(zhǎng)度和寬度。通過(guò)實(shí)驗(yàn),定量地對(duì)電流變流體變剛度的性能進(jìn)行了驗(yàn)證,為實(shí)現(xiàn)電流變液變剛度功能的最佳效果盡可能提供最優(yōu)條件。

1 軟抓取器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1是一個(gè)電流變液控制閥系統(tǒng)的原理圖。這個(gè)閥門(mén)系統(tǒng)可以利用電流變效應(yīng)控制電流變液的流動(dòng)方向,即輸出方向。它有1個(gè)入口、4個(gè)出口,入口和出口之間有4個(gè)大小相同的流道。每個(gè)流道兩側(cè)都有尺寸和位置均相同的電極片。電流變效應(yīng)是由外加電場(chǎng)引起的電流變液的結(jié)構(gòu)和流變特性的變化。電流變液通常是一種固液分散系統(tǒng),它是由分散在低介電系數(shù)的液體絕緣介質(zhì)中的微米或亞微米大小的易極化顆粒形成的復(fù)合懸浮液。電流變液在外加電場(chǎng)的作用下,可以在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)生明顯的、可逆的反應(yīng),即表觀黏度明顯增加,液體呈現(xiàn)類(lèi)似于凝固的狀態(tài)。當(dāng)電流變液被送入閥門(mén)系統(tǒng)時(shí),通過(guò)改變施加電場(chǎng)的位置及強(qiáng)度,可以改變流體的流動(dòng)方向和流動(dòng)能力:施加電場(chǎng)的流道中的流體會(huì)增大剛度并堵塞流道,導(dǎo)致流體向未施加電場(chǎng)的方向流動(dòng)。施加的電場(chǎng)越強(qiáng),流體變剛度后堵塞流道的能力就越強(qiáng)。

圖1電流變液控制閥原理圖

圖1中說(shuō)明了電流變閥的3種不同情況。當(dāng)電場(chǎng)施加在4組電極中的3組時(shí),施加電極的流道被阻斷,未施加電場(chǎng)的流道允許流體自由流動(dòng),因此該流道連接的一根手指可以彎曲。當(dāng)對(duì)4組電極中的相對(duì)2組施加電場(chǎng)時(shí),未施加電場(chǎng)的2條流道允許流體流入,對(duì)應(yīng)的2個(gè)手指可以彎曲,實(shí)現(xiàn)夾持功能。當(dāng)不施加電場(chǎng)時(shí),所有4個(gè)通道都可以流入流體,因此4個(gè)手指可以同時(shí)彎曲,實(shí)現(xiàn)4指抓取功能。

由上述原理設(shè)計(jì)出了電流變控制閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示,上中下3個(gè)零件組成一個(gè)內(nèi)部有4條流道的閥門(mén)系統(tǒng),可控制流體向4個(gè)不同方向流動(dòng)。將閥門(mén)的輸出端口和手指連接,這樣,由電流變閥控制的軟體抓手的完整結(jié)構(gòu)就可以構(gòu)建完成了,如圖3所示。

圖2 閥門(mén)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 軟抓取器整體結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)物圖

2 電流變效應(yīng)理論及流體堵塞能力的探究

2.1 電流變效應(yīng)理論

電流變液是一種極化固體顆粒分散在絕緣介質(zhì)油中形成的懸浮液。圖4說(shuō)明了電流變效應(yīng)的原理。當(dāng)不施加電場(chǎng)時(shí),固體顆粒在絕緣油中隨機(jī)分布,電流變流體類(lèi)似于普通的牛頓流體;但當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí),顆粒瞬間被極化成電偶極子,顆粒間的相互作用使固體顆粒形成鏈狀結(jié)構(gòu)或團(tuán)狀結(jié)構(gòu)并穩(wěn)定下來(lái),產(chǎn)生屈服應(yīng)力。表觀粘度會(huì)瞬間增加,在去除電場(chǎng)后又會(huì)瞬間恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。

圖4 電流變效應(yīng)原理圖

2.2 電流變流體變剛度堵塞能力實(shí)驗(yàn)

為了更好地測(cè)試電流變效應(yīng)發(fā)生之后流體變剛度能產(chǎn)生多大的堵塞壓降,制作了一個(gè)簡(jiǎn)單的電流變流體控制閥系統(tǒng),如圖5所示。該系統(tǒng)由2流道組成。流道有1個(gè)統(tǒng)一的入口和2個(gè)獨(dú)立的出口,其中一端與一個(gè)小型力傳感器相連,另一端為自由端。自由端流道兩側(cè)的電極大小和位置均相同。傳感器通過(guò)Arduino開(kāi)發(fā)板將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,在自由端一側(cè)的流道施加電場(chǎng),電極所處位置的電流變液體瞬間變成凝固狀,并堵塞流道。然后慢慢增加入口壓力,觀察自由端流道的堵塞何時(shí)被突破,這樣就可以獲得最大的堵塞壓力。實(shí)驗(yàn)中,使用淀粉-硅油懸浮液作為電流變液,通過(guò)實(shí)驗(yàn),量化了影響電流變液堵塞能力的不同因素,分別是電場(chǎng)強(qiáng)度、電極板之間的距離、電極的長(zhǎng)度、電極的寬度、硅油的黏度。并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

圖5 電流變流體控制閥系統(tǒng)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)流體堵塞能力的影響

電場(chǎng)強(qiáng)度是影響電流變液改變剛度能力的一個(gè)重要因素。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,電流變液的變剛度能力也會(huì)增加,這體現(xiàn)在突破其堵塞所需的壓力也會(huì)增加。如圖6所示,說(shuō)明了電場(chǎng)強(qiáng)度和突破堵塞所需最小壓力之間的關(guān)系。

本文中采用硅油黏度為50 cs,電極尺寸為28 mm×2 mm,電極間距為3 mm,電場(chǎng)強(qiáng)度分別取1、2、3、4、5 kV來(lái)進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)。從圖6中可以看出,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí),突破堵塞物所需的最小壓力也增加。

圖6 施加電壓與壓力差值之間的關(guān)系

2.3.2硅油黏度對(duì)流體堵塞能力的影響

電流變懸浮液由易極化的固體顆粒和絕緣油組成,在本實(shí)驗(yàn)中,以淀粉作為易極化顆粒,用硅油作為絕緣液體。那么,硅油的黏度也是電流變效應(yīng)的一個(gè)影響因素。如圖7所示,圖7中展示了硅油的黏度與沖破堵塞物所需的最小壓力之間的關(guān)系。取10、50、100 cs等3種黏度的硅油,在電場(chǎng)強(qiáng)度為5 kV、電極尺寸為28 mm×2 mm、電極間距為3 mm的條件下測(cè)試。從圖7中可以看出,隨著硅油黏度的增加,突破堵塞物所需的最小壓力也慢慢增加。

圖7 硅油黏度與壓力差值之間的關(guān)系

2.3.3兩電極板間的距離對(duì)流體堵塞能力的影響

電極間的距離是電流變效應(yīng)強(qiáng)度的重要影響因素之一。如圖8所示,圖8中說(shuō)明了電極板之間的距離與突破堵塞物所需的最小壓力之間的關(guān)系。用黏度為50 cs的硅油制作電流變懸浮液,在電場(chǎng)強(qiáng)度為8 kV、電極尺寸為28 mm×2 mm的條件下,取電極間距離為2、3、4、5 mm進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果顯示當(dāng)電極之間的間距增加時(shí),突破堵塞物所需的最小壓力就會(huì)降低,這意味著電流變液體的剛度會(huì)降低。

圖8 兩電極的間距與壓力差值之間的關(guān)系

2.3.4電極板長(zhǎng)度對(duì)流體堵塞能力的影響

電極長(zhǎng)度是影響電流變效應(yīng)強(qiáng)度的重要因素。如圖9所示,圖9中顯示了電極長(zhǎng)度與突破堵塞物所需最小壓力之間的關(guān)系。用50 cs黏度的硅油制作電流變懸浮液,在電場(chǎng)強(qiáng)度為5 kV、電極寬度為2 mm、兩電極間距為3 mm的條件下,取電極長(zhǎng)度為20、24、28、32、36 mm。從圖9中可以看出,當(dāng)電極長(zhǎng)度增加時(shí),突破堵塞物所需的最小壓力增加,這意味著電流變液的可變剛度增加。這是因?yàn)楫?dāng)電極長(zhǎng)度增加時(shí),電流變液變剛度部分的體積增加,所以堵塞能力明顯增加。

圖9 電極長(zhǎng)度與壓力差值之間的關(guān)系

2.3.5電極板寬度對(duì)流體堵塞能力的影響

電極寬度也會(huì)影響電流變效應(yīng)的強(qiáng)度。如圖10所示,圖10中展示了電極寬度與突破堵塞物所需最小壓力之間的關(guān)系。用黏度為50 cs的硅油制作電流變懸浮液,在電場(chǎng)強(qiáng)度為5 kV、電極長(zhǎng)度為28 mm、兩電極間距離為3 mm的條件下,電極寬度分別為1、2、3、4、5 mm。從圖10中可以看出,當(dāng)電極寬度增加時(shí),突破堵塞物所需的最小壓力并沒(méi)有明顯變化。這是因?yàn)楸M管當(dāng)電極寬度增加時(shí),電流變液變剛度部分的體積增加,按照常理,這應(yīng)該使得堵塞能力顯著增加。然而,當(dāng)電極寬度增加時(shí),通過(guò)單位截面的流量也會(huì)增加,所以這2種影響相互抵消,堵塞能力沒(méi)有明顯變化。

圖10 電極寬度與壓力差值之間的關(guān)系

3 軟抓取器抓取性能驗(yàn)證

3.1 彎曲能力分析

有限元分析是對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析的有效方法。在本節(jié)中,使用有限元分析軟件Abaqus來(lái)研究基于Yeoh模型的軟指的機(jī)械性能。

通過(guò)施加0.002、0.004、0.006、0.008、0.010、0.012、0.014 MPa的壓力進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖11(a)—圖11(g)所示,在手指的內(nèi)腔中注入液體后,內(nèi)腔的每一段都會(huì)膨脹,從而相互擠壓,使手指的底部慢慢彎曲,壓力越大,彎曲的角度越大,從而驗(yàn)證出軟體手指彎曲能力和內(nèi)部電流變液所施加的壓力的關(guān)系。

圖11 有限元分析結(jié)果

3.2 抓取性能驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)的由電流變流體控制閥控制的軟體機(jī)器人如圖12所示,可以分別用1根手指勾住1個(gè)環(huán)狀物體,用2根手指夾起1個(gè)扁平物體以及用4根手指抓取1個(gè)物體。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,抓取的物品是圓環(huán)、扁平紙板和乒乓球,都是常見(jiàn)的物品。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí),一個(gè)注射器泵用于連接電流變流體控制閥系統(tǒng),并將淀粉和硅油的混合懸浮液泵入其中。閥門(mén)的4組電極也被單獨(dú)控制。

圖12 樣機(jī)示意圖

3.2.1單根手指勾取圓環(huán)的實(shí)驗(yàn)

電流變閥4組電極中的3組與電壓為5 kV的高壓電源相連,而另一組電極則不與電源相連。打開(kāi)注射泵的自動(dòng)輸入,將電流變懸浮液送入實(shí)驗(yàn)裝置。此時(shí),電場(chǎng)作用下的3個(gè)流道發(fā)生了電流變效應(yīng),電流變液已經(jīng)變成固體狀堵塞了流道,所以電流變液只能通過(guò)不施加電場(chǎng)的流道進(jìn)入與其相連的手指。手指隨著流體的流入而慢慢彎曲,并勾住了環(huán)狀物。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 單指操作實(shí)驗(yàn)

3.2.22根手指夾持平板實(shí)驗(yàn)

高壓電源連接到電流變閥中相對(duì)的2組電極,電壓強(qiáng)度為5 kV,另外2組電極不與電源連接。打開(kāi)注射泵的自動(dòng)輸入,將電流變懸浮液送入實(shí)驗(yàn)裝置。此時(shí),施加電場(chǎng)的2條流道中的電流變液會(huì)變硬產(chǎn)生堵塞,所以電流變液只能通入未施加電場(chǎng)的流道連接的2個(gè)軟指。隨著流體的流入,手指慢慢彎曲,并緊緊夾在平板上。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖14。

圖14 2指操作實(shí)驗(yàn)

3.2.34根手指抓取球體實(shí)驗(yàn)

電流變閥的4組電極均未施加電場(chǎng)。打開(kāi)注射泵的自動(dòng)輸入,將電流變懸浮液送入實(shí)驗(yàn)裝置。此時(shí),電流變液被同時(shí)注入4個(gè)手指中。手指隨著液體的流入慢慢彎曲,抓住球體。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖15。

圖15 4指操作實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

本文中設(shè)計(jì)了一種用于控制軟抓取器的新型電流變閥門(mén)。該電流變閥門(mén)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,具有便于裝配更換,控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)試驗(yàn)本文中還討論了不同因素對(duì)電流變流體變剛度能力的影響。試驗(yàn)表明,電場(chǎng)強(qiáng)度、兩電極板之間的距離、電極的長(zhǎng)度、電極的寬度、硅油的黏度均對(duì)電流變流體變剛度能力產(chǎn)生不同的影響,具體體現(xiàn)為:

1) 電場(chǎng)強(qiáng)度增加,電流變流體變剛度能力增加;

2) 兩電極板之間的距離增加,電流變流體變剛度能力降低;

3) 電極的長(zhǎng)度增加,電流變流體變剛度能力增加;

4) 電極的寬度增加,電流變流體變剛度能力變化不明顯;

5) 硅油黏度增加,電流變流體變剛度能力增加。

因此,利用試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)了一款由電流變閥門(mén)控制的軟抓取器,并驗(yàn)證了其對(duì)不同形狀物品的抓取能力。該項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)電流變閥控制的軟抓取器設(shè)計(jì)具有重要意義。后續(xù)應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展更全面的電流變流體的制備及特性分析。