傳統(tǒng)的電流變流體(簡(jiǎn)......



傳統(tǒng)的電流變流體(簡(jiǎn)稱ERF)主要是1～100μm具有親水性半導(dǎo)體粒子或聚合材料的微觀粒子，它們懸浮在疏水性的非導(dǎo)電載液里，象礦物油、
硅油或合成碳?xì)浠衔锪黧w。對(duì)不同的應(yīng)用，許多ERF的組成往往是不同的。本研究對(duì)ERF性能要求主要集中在高電場(chǎng)下具有較高屈服應(yīng)力，較
寬的阻尼可控范圍，以及抗電擊穿性能和流體的穩(wěn)定性上。
盡管許多ERF可應(yīng)用在本領(lǐng)域，但它們?cè)谏鲜鲂阅埽绕涫乔?yīng)力上是不同的。我們利用礦物油作載液，硅膠作分散相配制ERF，對(duì)不同
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配比的樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，實(shí)驗(yàn)表明上述ERF是滿足本設(shè)計(jì)要求的。
1　基于電流變流體的指端設(shè)計(jì)
本研究設(shè)計(jì)的指端模型(見(jiàn)圖1)。最上一層是導(dǎo)電的硅橡膠皮膚，厚度0.5 mm，這種材料

圖1　指端模型
具有很好的導(dǎo)電性能和彈性；中間一層是厚度為3.5 mm的充滿ERF的泡沫橡膠。泡沫橡膠有兩個(gè)作用，一是使指端皮膚及指面具有很好的柔順
性，另一方面是防止ERF沉淀。無(wú)論是從軟/硬抓握控制角度，還是從減振能力及提升能力分析角度，在此指端軟抓握設(shè)計(jì)模型中使用充滿ERF
的泡沫橡膠層都是十分重要的，因?yàn)榭梢詫⒊錆MERF的泡沫層看作為一種均勻材料，它具有粘彈塑性，當(dāng)足夠電場(chǎng)作用在ERF上(通常大于幾
MV/m)時(shí)，中間層(充滿ERF的泡沫橡膠層)會(huì)變成具有較高屈服應(yīng)力的固體，從而實(shí)現(xiàn)硬抓握，第三層是在絕緣底座上的銅電極。應(yīng)該指出的是
在設(shè)計(jì)和建立模型之前應(yīng)該考慮好絕緣和密封問(wèn)題，因?yàn)樗鼤?huì)影響電極引線的安全。2握提升能力實(shí)驗(yàn)及結(jié)果了更好地理解ERF在提高抓握能力和實(shí)現(xiàn)軟硬抓握時(shí)的作用，我們做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，圖2為該實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。此裝置主要部分是
由一個(gè)具有兩個(gè)手指的平行移動(dòng)式機(jī)器人抓手，一個(gè)直徑為20 mm，長(zhǎng)15 mm的圓柱形被抓物體，通過(guò)一根理論上不可伸縮的細(xì)線將測(cè)力計(jì)連接
在一起，測(cè)力計(jì)另一端通過(guò)同樣的細(xì)線繞過(guò)一滑輪連接在一個(gè)法碼盤(pán)上。
圖2　抓握提升能力實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)方法如下：①讓機(jī)器人手指移動(dòng)到剛剛接觸被抓物體，記錄手指的位置，此時(shí)抓握力近似為0。②機(jī)器人抓手手指加力到一定數(shù)值，此時(shí)
記錄抓握力。③由于高壓電源關(guān)閉，此時(shí)在ERF上沒(méi)有施加電場(chǎng)，在天平上逐漸增加砝碼重量直到被抓物體開(kāi)始滑動(dòng)為止，記錄砝碼及砝碼盤(pán)
總量。④接通高壓電源，在ERF上施加電場(chǎng)，重復(fù)步驟1，2，3。⑤改變電場(chǎng)強(qiáng)度，重復(fù)步驟1，2，3，4。⑥改變抓握力或手指位置，重復(fù)以上
步驟。
3　提升能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖3)為不同抓握力下最大提升力隨電壓變化的曲線。從圖3得出結(jié)論：在任一抓握力下提升能力都隨著作用在ERF上的電場(chǎng)強(qiáng)
度的增加而顯著增加，并且近似線性關(guān)系。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)E等于0時(shí)，假使產(chǎn)生在滑輪上的摩擦力忽略不計(jì)，提升力僅僅等于物體與手指之間的摩擦力
，它明顯小于施加6 MV/m的場(chǎng)強(qiáng)時(shí)的提升力。如果采用其他高屈服應(yīng)力的ERF或此配方的高體積比的ERF，指端變硬及提升能力的改善將更加明
顯，從而可以給出實(shí)現(xiàn)柔順抓握控制和穩(wěn)定抓握的方法，即當(dāng)沒(méi)有電場(chǎng)加在指端ERF層時(shí)，指端是柔順的，從而在抓握時(shí)讓手指充分地順應(yīng)工
件的形狀，這種情況下，觸覺(jué)傳感器能夠獲得更多的接觸信息，這些信息可以幫助機(jī)器人作出抓握位置的決策，這種抓握稱為軟抓握，此時(shí)提
升物體或操作所需的抓握力是不夠的。一旦軟抓握完成，根據(jù)載荷大小在ERF層施加一足夠高電場(chǎng)，使得指端表面變硬從而將工件或被抓物體
鎖定在兩指之間，完成其他操作，而當(dāng)出現(xiàn)滑動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置將及時(shí)調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度，最終使抓握達(dá)到穩(wěn)定。3　指端接觸模型與仿真
根據(jù)圖1所示的指端結(jié)構(gòu)及ERF的性能，將橡膠皮膚及泡沫材料在指面的法向上簡(jiǎn)化為一定常系數(shù)的彈性體，ERF簡(jiǎn)化為理想的Bingham材料
，其模型為阻尼器與摩擦器并聯(lián)組成。理想情況下手指與指端間的力傳感器(以Ks與Ns表示)及物體(或環(huán)境)均為Kelvin粘彈模型。圖4為兩自
由度指端系統(tǒng)的模型，F(xiàn)a為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)c為接觸力。
圖4　兩自由度手指接觸模型
對(duì)此兩自由度系統(tǒng)，Nt和F0是電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)，且Ft是非連續(xù)函數(shù)，因此它的動(dòng)力學(xué)方程十分復(fù)雜且為非線性。幾乎求不出它的解析解，這對(duì)
研究ERF性能對(duì)指端接觸過(guò)程的影響十分不利。因此本研究對(duì)此模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化，圖5為簡(jiǎn)化后的單自由度模型。這種假設(shè)基于Ks比Kt大得多，
而Ns比Nt小得多，且接觸物體模型可在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置成具有足夠剛性的物體
圖5　簡(jiǎn)化后的單自由度模型
實(shí)際上圖5的單自由度模型，由于Ft的存在，模型仍具有很強(qiáng)的非線性，且阻尼系數(shù)Nt及摩擦器參數(shù)Ft都是電場(chǎng)強(qiáng)度及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的函數(shù)，
求解析解仍十分困難。為此，本研究利用微分方程數(shù)值解法進(jìn)行接觸過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真。
參考圖5物理模型中的坐標(biāo)，采用相對(duì)位移δ=x-u(指面接觸形變)作為廣義坐標(biāo)，建立如下運(yùn)動(dòng)方程：
(1)
其中m=mf+mt。按照庫(kù)侖摩擦原理，將Ft近似表示為
(2)
ERF的現(xiàn)有研究成果表明［1～3］，ERF的電粘度近似正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方，而又近似與剪切速率成反比。因此用阻尼系數(shù)與粘度相對(duì)應(yīng)
，將電場(chǎng)強(qiáng)度E及指端接觸變形速率引入阻尼系數(shù)Nt中得到如下關(guān)系：
Nt=N0+AE2/　(3)
式中，N0為無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)柔順指端的本底阻尼常數(shù)，一般在10 Ns/m左右；A為定常比例系數(shù)；E為形變?chǔ)臅r(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度。由于本文給出的指端
模型為平面指端，且假設(shè)接觸形式為平面接觸，若在ERF層加一固定直流電壓，則在形變?yōu)棣臅r(shí)，按均勻電場(chǎng)分布計(jì)算得到ERF層上的電場(chǎng)強(qiáng)度
E=V/(δ0－δ）=E0δ0／（δ0－δ）　(4)
式中，E0為所加初試電場(chǎng)強(qiáng)度；δ0為未接觸時(shí)流體層的厚度，本實(shí)驗(yàn)給出的指端δ0=4 mm。
同樣可以將F0近似表示為
F0=BE2　(5)
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式中，B為常數(shù)。
采用非線性微分方程的數(shù)值解法，即龍格一庫(kù)塔方法研究此模型的時(shí)間響應(yīng)。計(jì)算對(duì)應(yīng)接觸力的公式為
Fc=Nt+Ktδ+Ft　(6)
給定初始參數(shù)Fa=2　N，m=0.14 kg；Kt=1000 N/m，N0=12 Ns/m，0=0.2 m/s，A=1.4,B=0.05。改變電場(chǎng)強(qiáng)度，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。
圖6　位移時(shí)間曲線
圖7　接觸力時(shí)間曲線
4　分析及結(jié)論
仿真結(jié)果表明，由于電場(chǎng)引起的電流變效應(yīng)，使得指端接觸過(guò)程表現(xiàn)出不同的壓變穩(wěn)定值及接觸力的過(guò)沖，指面變形隨電場(chǎng)強(qiáng)度增大而減