变刚度杆轴向压缩力的实验研究

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 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，SMA）、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 = 0）和零应力（σ = 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