控制軟抓取器的電流變閥門的設計與性能探究

甘文萱

(香港城市大學, 香港特別行政區(qū) 999077)

0 引言

與傳統(tǒng)的剛性機器人相比,軟體機器人具有一系列的優(yōu)點,如容易變形[1]、耐磨損[2]、安全地在人體周圍工作[3]、自由度高等[4]。所謂軟體機器人是指不含(或包含很少)剛性結(jié)構(gòu)的機器人,其身體基本上由柔軟可擴展的材料(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。其中流體驅(qū)動是目前最廣泛的驅(qū)動類型之一。一般來說,流體驅(qū)動軟執(zhí)行器的內(nèi)腔是一個簡單的、可變形的彈性結(jié)構(gòu),可以依靠流體壓力來使其膨脹或收縮。流體驅(qū)動分為氣動和液動[10]。然而,由于空氣的可壓縮性,氣動泵的精度很難控制,因此氣動機器人需要一個比較復雜的管道系統(tǒng)[11]。相比之下,液動軟執(zhí)行器更適合于控制多個柔性結(jié)構(gòu)。

有2種功能流體常用于驅(qū)動軟體結(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)動軟體結(jié)構(gòu)。磁流變液在磁場的作用下會隨著磁場的增加而表現(xiàn)出屈服應力的增加。例如,McDonald等[12]介紹了一種磁流變流體閥門,它使用磁場來控制執(zhí)行器內(nèi)部的壓力。這種閥門系統(tǒng)可以通過施加磁場簡化流體控制的驅(qū)動方式,使機器人能夠增加自主性。電流變液在電場的作用下會隨著電場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,運動靈活便捷。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)可以獨立地控制運動方向和彎曲程度。Kim等[16]展示了一種基于MEMS的微型電流變閥,驅(qū)動器部分以懸臂的形式工作,該微驅(qū)動器將流體通道嵌入懸臂內(nèi)部。利用上述結(jié)構(gòu),可以通過改變電場實現(xiàn)軟體機器人的多種運動方式,其具有控制系統(tǒng)簡單、輕量化等優(yōu)點。目前,將電流變微閥集成在軟體機器人內(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,針對當前電流變液驅(qū)動的軟體機器人存在的諸多問題,如軟體易損壞,內(nèi)含微閥門的復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)合微閥門的方式,它將閥門系統(tǒng)與軟體部分分隔開來,形成一個獨立的電流變閥門系統(tǒng)以及4個軟體手指,具有結(jié)構(gòu)簡單、便于更換的優(yōu)點,并且可以獨立控制4條流道,以實現(xiàn)不同的抓取方式。此外,本文中重點研究了多個不同的影響因素對淀粉-硅油混合懸浮液的電流變特性的影響,分別是:電場強度、硅油黏度、兩電極板之間的距離、電極板的長度和寬度。通過實驗,定量地對電流變流體變剛度的性能進行了驗證,為實現(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)設計

圖1是一個電流變液控制閥系統(tǒng)的原理圖。這個閥門系統(tǒng)可以利用電流變效應控制電流變液的流動方向,即輸出方向。它有1個入口、4個出口,入口和出口之間有4個大小相同的流道。每個流道兩側(cè)都有尺寸和位置均相同的電極片。電流變效應是由外加電場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合懸浮液。電流變液在外加電場的作用下,可以在幾毫秒的時間內(nèi)發(fā)生明顯的、可逆的反應,即表觀黏度明顯增加,液體呈現(xiàn)類似于凝固的狀態(tài)。當電流變液被送入閥門系統(tǒng)時,通過改變施加電場的位置及強度,可以改變流體的流動方向和流動能力:施加電場的流道中的流體會增大剛度并堵塞流道,導致流體向未施加電場的方向流動。施加的電場越強,流體變剛度后堵塞流道的能力就越強。

圖1電流變液控制閥原理圖

圖1中說明了電流變閥的3種不同情況。當電場施加在4組電極中的3組時,施加電極的流道被阻斷,未施加電場的流道允許流體自由流動,因此該流道連接的一根手指可以彎曲。當對4組電極中的相對2組施加電場時,未施加電場的2條流道允許流體流入,對應的2個手指可以彎曲,實現(xiàn)夾持功能。當不施加電場時,所有4個通道都可以流入流體,因此4個手指可以同時彎曲,實現(xiàn)4指抓取功能。

由上述原理設計出了電流變控制閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示,上中下3個零件組成一個內(nèi)部有4條流道的閥門系統(tǒng),可控制流體向4個不同方向流動。將閥門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 閥門結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 軟抓取器整體結(jié)構(gòu)示意圖與實物圖

2 電流變效應理論及流體堵塞能力的探究

2.1 電流變效應理論

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說明了電流變效應的原理。當不施加電場時,固體顆粒在絕緣油中隨機分布,電流變流體類似于普通的牛頓流體;但當施加電場時,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)或團狀結(jié)構(gòu)并穩(wěn)定下來,產(chǎn)生屈服應力。表觀粘度會瞬間增加,在去除電場后又會瞬間恢復到原來的狀態(tài)。

圖4 電流變效應原理圖

2.2 電流變流體變剛度堵塞能力實驗

為了更好地測試電流變效應發(fā)生之后流體變剛度能產(chǎn)生多大的堵塞壓降,制作了一個簡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個統(tǒng)一的入口和2個獨立的出口,其中一端與一個小型力傳感器相連,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Arduino開發(fā)板將數(shù)據(jù)上傳至計算機。在實驗過程中,在自由端一側(cè)的流道施加電場,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被突破,這樣就可以獲得最大的堵塞壓力。實驗中,使用淀粉-硅油懸浮液作為電流變液,通過實驗,量化了影響電流變液堵塞能力的不同因素,分別是電場強度、電極板之間的距離、電極的長度、電極的寬度、硅油的黏度。并對實驗結(jié)果進行了分析。

圖5 電流變流體控制閥系統(tǒng)

2.3 實驗結(jié)果

2.3.1電場強度對流體堵塞能力的影響

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

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,電場強度分別取1、2、3、4、5 kV來進行本實驗。從圖6中可以看出,當電場強度增加時,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系

2.3.2硅油黏度對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,在本實驗中,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的一個影響因素。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系。取10、50、100 cs等3種黏度的硅油,在電場強度為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系

2.3.3兩電極板間的距離對流體堵塞能力的影響

電極間的距離是電流變效應強度的重要影響因素之一。如圖8所示,圖8中說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系。用黏度為50 cs的硅油制作電流變懸浮液,在電場強度為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進行試驗。結(jié)果顯示當電極之間的間距增加時,突破堵塞物所需的最小壓力就會降低,這意味著電流變液體的剛度會降低。

圖8 兩電極的間距與壓力差值之間的關系

2.3.4電極板長度對流體堵塞能力的影響

電極長度是影響電流變效應強度的重要因素。如圖9所示,圖9中顯示了電極長度與突破堵塞物所需最小壓力之間的關系。用50 cs黏度的硅油制作電流變懸浮液,在電場強度為5 kV、電極寬度為2 mm、兩電極間距為3 mm的條件下,取電極長度為20、24、28、32、36 mm。從圖9中可以看出,當電極長度增加時,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。這是因為當電極長度增加時,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 電極長度與壓力差值之間的關系

2.3.5電極板寬度對流體堵塞能力的影響

電極寬度也會影響電流變效應的強度。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系。用黏度為50 cs的硅油制作電流變懸浮液,在電場強度為5 kV、電極長度為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,當電極寬度增加時,突破堵塞物所需的最小壓力并沒有明顯變化。這是因為盡管當電極寬度增加時,電流變液變剛度部分的體積增加,按照常理,這應該使得堵塞能力顯著增加。然而,當電極寬度增加時,通過單位截面的流量也會增加,所以這2種影響相互抵消,堵塞能力沒有明顯變化。

圖10 電極寬度與壓力差值之間的關系

3 軟抓取器抓取性能驗證

3.1 彎曲能力分析

有限元分析是對復雜結(jié)構(gòu)進行力學分析的有效方法。在本節(jié)中,使用有限元分析軟件Abaqus來研究基于Yeoh模型的軟指的機械性能。

通過施加0.002、0.004、0.006、0.008、0.010、0.012、0.014 MPa的壓力進行計算,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系。

圖11 有限元分析結(jié)果

3.2 抓取性能驗證

本文設計的由電流變流體控制閥控制的軟體機器人如圖12所示,可以分別用1根手指勾住1個環(huán)狀物體,用2根手指夾起1個扁平物體以及用4根手指抓取1個物體。在這個實驗中,抓取的物品是圓環(huán)、扁平紙板和乒乓球,都是常見的物品。

實驗開始時,一個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。閥門的4組電極也被單獨控制。

圖12 樣機示意圖

3.2.1單根手指勾取圓環(huán)的實驗

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。打開注射泵的自動輸入,將電流變懸浮液送入實驗裝置。此時,電場作用下的3個流道發(fā)生了電流變效應,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不施加電場的流道進入與其相連的手指。手指隨著流體的流入而慢慢彎曲,并勾住了環(huán)狀物。具體實驗結(jié)果如圖13所示。

圖13 單指操作實驗

3.2.22根手指夾持平板實驗

高壓電源連接到電流變閥中相對的2組電極,電壓強度為5 kV,另外2組電極不與電源連接。打開注射泵的自動輸入,將電流變懸浮液送入實驗裝置。此時,施加電場的2條流道中的電流變液會變硬產(chǎn)生堵塞,所以電流變液只能通入未施加電場的流道連接的2個軟指。隨著流體的流入,手指慢慢彎曲,并緊緊夾在平板上。具體實驗結(jié)果見圖14。

圖14 2指操作實驗

3.2.34根手指抓取球體實驗

電流變閥的4組電極均未施加電場。打開注射泵的自動輸入,將電流變懸浮液送入實驗裝置。此時,電流變液被同時注入4個手指中。手指隨著液體的流入慢慢彎曲,抓住球體。具體的實驗結(jié)果見圖15。

圖15 4指操作實驗

4 結(jié)論

本文中設計了一種用于控制軟抓取器的新型電流變閥門。該電流變閥門采用模塊化的設計思想,具有便于裝配更換,控制系統(tǒng)簡單等優(yōu)點。

通過試驗本文中還討論了不同因素對電流變流體變剛度能力的影響。試驗表明,電場強度、兩電極板之間的距離、電極的長度、電極的寬度、硅油的黏度均對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) 電場強度增加,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,利用試驗結(jié)果,設計了一款由電流變閥門控制的軟抓取器,并驗證了其對不同形狀物品的抓取能力。該項試驗對電流變閥控制的軟抓取器設計具有重要意義。后續(xù)應繼續(xù)開展更全面的電流變流體的制備及特性分析。