原创《变刚度杆轴向压缩力的实验》
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石晓磊,岳龙旺
（河南工业大学机电工程学院,河南 郑州 450001）
摘 要：提出基于散粒体阻塞技术的变刚度杆是柔性机器人实现变刚度的有效方法,阐述了散粒体阻塞理论和变刚度杆实现变刚度的工作原理,采用不同散粒体和硅胶膜构建了变刚度杆,并通过实验探究了不同形状散粒体颗粒对变刚度杆轴向压缩力的影响,实验结果表明：椭圆形散粒体颗粒比圆形散粒体颗粒组成的变刚度杆能承受更大的轴向压缩力；较小尺寸的散粒体颗粒能使变刚度杆产生较大的轴向抗压缩力,但散粒体颗粒的尺寸并不是越小越好.
关键词：机器人；柔性机器人；变刚度杆；散粒体；颗粒；阻塞；压缩力
中图分类号：TP24 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.08.091
随着机器人技术的快速发展,柔性机器人技术应运而生.柔性机器人就是由驱动机构和电机等构成的集中参数系统,与柔性构件分布参数系统所组成的混合系统.柔性机器人可以根据实际需要,任意改变自身刚度和尺寸,能够在更加复杂的环境下工作,应用更加广泛.与传统机器人相比,柔性机器人拥有更优异的共融性；同时,与传统机械臂相比,柔性机器人更安全、质量更小,并具有高度的顺从性和不需要显式控制等优势[1].
1 变刚度杆的研究背景与目的
理想的柔性机器人具有变刚度的特性,能够适应不同环境,在需要自由移动时表现为低刚度状态,而在需要应力或者移动物体时表现为高刚度状态[2].目前柔性机器人实现变刚度的技术方法有：形状记忆合金（Shape Memory Alloy,A）、电流变液（Electrorheological Fluids,ERF）、磁流变液（Magnetorheological Fluids,MRF）、腱绳驱动系统和散粒体阻塞[3].
由散粒体构建的变刚度杆是基于散粒体阻塞技术理论而形成的一种新型技术,具有更强的灵活性和更大的刚度等优点,已成为变刚度机构的研究热点.近年来,散粒体阻塞技术在柔性机器人领域迅速发展,国内外研究者进行了相关的研究工作.美国Blob bot机器人[4]利用真空泵控制“阻塞”单元之间的阻塞-非阻塞状态相互转换,并结合结构重力,实现整体滚动.美国O´HERN,SILBERT,LIU等[5]通过模拟无摩擦球体堆积,得到在零温度（T 等于 0）和零应力（σ 等于 0）下的堵塞转变点.美国CHENG,LOBOVSKY,KEATING等[6]利用散粒体阻塞技术,设计了一种新型机器人机械手,并实现了局部刚度控制.
变刚度机构既有刚性机构的稳定性和机械性能,又有柔性机构的操作灵活性和环境友好性,成为柔性机器人研究的重要方向.通过机器人技术的不断发展,基于散粒体阻塞技术的变刚度机构取得了一定的研究成果,但其相关研究还处于起步阶段.目前国内鲜有相关研究和应用,国际上相关研究多是通过实验方法进行,缺乏理论基础.因此,散粒体阻塞机构的基础理论发展滞后成为散粒体阻塞柔性机构研究的瓶颈.
笔者基于散粒体阻塞技术的理论,构建不同形状散粒体与硅胶膜结合的变刚度杆,并进行对应的轴向压缩实验,探究不同形状的散粒体对变刚度杆轴向压缩力的影响,以期望对基于散粒体阻塞技术的变刚度杆的刚度精准控制提供数据参考.
2 变刚度杆的工作原理
散粒体是几何尺寸基本属于同一量级的颗粒的集合体,如各种谷粒、饲料、面粉等都是散粒体[7].大量散粒体堆积形成的体系具有许多奇妙特性,可以引发许多奇特现象,例如巴西果效应、粮仓效应、自组织临界性、雷诺挤压膨胀、阻塞性等.在无序的散粒体间形成屈服应力或应力的弛豫时间超过正常实验时间尺度时,就会发生阻塞[8].散粒体具有不同于固体、液体和气体的独特物性,处于阻塞状态的散粒体表现出固体的特性,而处于非阻塞状态的散粒体则表现出流体的特性.
基于散粒体阻塞技术的理论,变刚度杆由散粒体和柔性硅胶膜制成.它实现变刚度的工作原理为：当变刚度杆内部真空度为0时,变刚度杆内部散粒体颗粒表现为流体性质,整个变刚度杆表现为柔性杆；然而当变刚度杆内部真空度不为0时,变刚度杆内部散粒体颗粒之间及散粒体颗粒与外膜之间相互作用,致使变刚度杆变得坚硬,从而使得整个变刚度杆表现为刚性杆.通过调节变刚度杆内部真空度的值,可以改变变刚度杆的刚度值,实现变刚度调节.基于散粒体阻塞技术的变刚度杆,其刚度的变化过程就像人类肌肉状态的变化过程（从肌肉放松到肌肉紧张）一样,从一个被动的状态（低刚度状态）转变到一个活跃的状态（高刚度状态）[9].
3 变刚度杆轴向压缩力的实验研究
为了探究不同形状的散粒体颗粒对变刚度杆轴向压缩力的影响,笔者构建了整个实验装置,见图1.该实验装置由变刚度杆、手动真空泵、气管、直线位移传感器、DD-7测力传感器、JGC-1S静刚度测试仪、支架系统组成.其中,手动真空泵用于提供变刚度杆内的真空度,直线位移传感器用于检测变刚度杆的变形量,DD-7测力传感器用于检测施加在变刚度杆上的作用力,JGC-1S静刚度测试仪用于读取并显示测力传感器的作用力,支架系统用于支撑变刚度杆、固定DD-7测力传感器和施加作用力.
按照散粒体颗粒的不同,将实验分为3组,每组实验进行3次,取3次平均值为实验数据.每组实验包括下压和抬升2个阶段.考虑到实验选材的便捷性和实用性,3组变刚度杆内部的散粒体颗粒分别选用：直径7 mm的大豆（圆形）,长轴7 mm、短轴5 mm的豇豆（椭圆形）,长轴5 mm、短轴4 mm的绿豆（椭圆形）.为了获得较大的刚度值,并减小初始值误差,实验中外包膜选用内部直径38 mm、厚度3 mm的硅胶管,制作长度200 mm的变刚度杆,变刚度杆塑性变形量范围为3～17 mm的实验区间,真空条件-39.99 kPa（即-300 mmHg）.在实验区间内,每隔2 mm保持5 s并记录对应的压缩位移和压力的数值.
根据实验数据,绘制不同形状散粒体颗粒的变刚度杆的位移与负载力关系的散点图,见图2.
从图2可以看出,圆形黄豆散粒体颗粒组成的变刚度杆在下压阶段和抬升阶段受到的负载力最小,椭圆形豇豆散粒体颗粒组成的变刚度杆受到的负载力最大.散粒体颗粒越小,变刚度杆的容积率越大,同时内部的散粒体颗粒接触面积越大.然而,对比豇豆实验组曲线和绿豆实验组曲线,可知并不是散粒体颗粒越小,变刚度杆承受的轴向压缩力就越大.
3组实验下压阶段的负载力与位移存在线性关系.由于内部的散粒体颗粒出现滑移,在15 mm位移时,黄豆实验组的负载力突然减小.
3组实验抬升阶段的曲线变化比较一致.在
3 mm位移时,变刚度杆受到的负载力都变为0,与下压阶段初始位置时受到的负载力相差很大,这是由变刚度杆在恢复塑性变形时硅胶外膜产生塑性形变而未能恢复引起的.
4 结论
笔者构建了散粒体颗粒阻塞变刚度杆,并基于散粒体阻塞技术的理论,对不同形状的散粒体颗粒对变刚度杆轴向压缩力的影响进行了实验探究.通过实验数据的对比分析,可以得到以下3个方面的结论.
1）在相同条件下,椭圆形散粒体颗粒组成的变刚度杆能够承受更大的轴向压缩力.
2）较小的散粒体颗粒能够提升变刚度杆轴向抗压缩力,但散粒体颗粒的尺寸并不是越小越好,在该实验中豇豆散粒体颗粒的尺寸为最优.
3）实验后变刚度杆不可恢复的塑性形变与硅胶外膜物理性能有关,减小外膜厚度和增大外膜弹性可以减小此类形变.
实验研究论文参考资料：
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