设计和分析一个坚固，低成本，高度铰接的机械手通过颗粒介质的干扰外文翻译资料

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设计和分析一个坚固，低成本，高度铰接的机械手通过颗粒介质的干扰

摘要 - 由于分布式和体积庞大的执行器通常用于实现所需的精度和自由度，超冗余操纵器的脆性，昂贵性和灵活性受到限制。在这里，提出了一种操纵器，它是坚固的，高力的，低成本的和高度铰接的，而不使用安装在操纵器接头处的传统致动器。相反，局部可调谐刚度与脱离后轮马达和张力电缆耦合以实现复杂的机械手配置。可调节刚度通过粒状介质的可逆阻塞来实现，颗粒介质通过对封闭的颗粒施加真空 - 使晶粒在固体状态和液体状态之间转变。进行实验研究以鉴定具有高强度至重量性能的颗粒。机械手的原型呈现了性能分析，重点在于速度，强度和发音。这种用于机械手的新颖设计以及对机器人应用的干扰一般可能会极大地有益于诸如人机安全机器人和机器人需要展示高度灵活性以符合其环境的系统的应用。

A.介绍

-颗粒介质可以在流体状态和固体状态之间可逆地转换的机制，最近被证明是机器人和工业应用中的可变刚度机制。研究人员已经探讨了干扰作为创建易于定制的建筑结构的手段，在触觉界面中提供可变力反馈，创建了一个高度可变形的移动机器人，开发出可被动地符合的通用夹具掌握各种物体，并创建一个可变刚度内窥镜管。这些项目的结合强调了使用机器人技术的主要优点：与大多数技术相比，机器人能够更加人性化，便宜和稳定传统上被用于这种应用。

本文的目的是进一步利用和理解工程应用中的干扰。具体来说，我们介绍一种机器人操纵器的设计和分析，该机器人操纵器由1个串联模块组成，可通过卡住过程在刚性和柔性状态之间转换;沿着机械臂长度运行的拉伸电缆，其长度由后台马达控制。我们以前演示了这种具有全局驱动的耦合局部可调刚度的机器人结构，作为对软机器人的推力。这种系统的主要优点之一是，通过消除对整个机器人分布式和通常刚性和大体积的致动器的需求，系统可以更加坚固和灵活，从而使其更好地符合其环境。此外，机器人的成本可以大大降低。

图1

1. 第一个原型的可操纵机械手。
2. 可拆卸机械手的第二个原型。

在本文中，我们还开始研究颗粒性质如何影响卡住系统的性能。具体来说，我们力求最大化卡住系统的强度重量比。这是操纵器的重要品质因素，机器人除了有效载荷之外，还必须能够支持自身的重量。

由于颗粒系统本身在其非混合状态下本身缺乏机械结构，因此其灵活性和高自由度可以有益于超冗余机器人系统，如机械手。超冗余机器人技术中的大多数方法涉及采用分布式和刚性气动或电磁执行器。这方面的许多努力一直在开发蛇机器人，因为他们经常需要许多受控自由度。虽然这些传统的蛇机器人具有令人印象深刻的功能，并且在诸如搜索和救援的许多应用中是有用的，但是它们可能是复杂的，脆弱的和昂贵的。通常，这些类型的机器人使用一个传统的致动器，例如马达，每个自由度。一类寻求最大化机械依从性的超冗余机械手是静液压机器人技术，通常利用液压和气动作动力。这些类型的机器人通常被设计为模仿生物系统，因为许多应用可以极大地受益于具有诸如舌头，触手和树干的天然结构的强度和灵巧性的机器人。这样的系统是令人印象深刻的，尽管它们通常不能被动地符合其环境并且维护复杂的配置。电缆驱动系统可以由传统的执行器如电机控制，同时也具有很强的灵活性。这些机械手型系统通常发现在手术装置中，其通常太小而不能包括在车上致动器。虽然许多电缆驱动的机器人能够高度铰接，但是其中许多机器人无法将任意段锁定到位，从而使机器人的控制复杂化。

在本文中，我们描述了一个操纵器。具有由含有颗粒材料的薄柔性膜组成的串联可分段。通过在段上施加真空以产生差分干扰压力来实现干扰。这种方法使操纵器可以坚固，低成本和高度铰接。

B机器人的材料选择。

干扰是机器人应用的有用的可变刚度机制，由于其简单性和组合的相对较快的激活时间（毫秒级）和在顺从状态和刚性的承载状态之间的转换能力。我们的目标是了解颗粒属性如何影响干扰，以便它们可以进行优化，以满足特定应用的功能需求。在卡住的系统中发生的有效相变类似于具有有吸引力的粒子相互作用的微观系统中观察到的。当达到有效的固相时，只能在颗粒密度超过阈值时发生干扰。如在微观尺度的许多材料中所看到的，当温度升高时时，系统可以变得不受干扰或达到有效的液相，或者当材料剪切足够导致颗粒相对于彼此移动。虽然在物理界已经做了大量工作来了解不同的晶粒参数，如形状和尺寸分布如何影响干扰过渡，研究人员最近才开始研究干扰机器人应用。为了在松散，流动的谷物和刚性之间过渡，互锁的是一个有趣的问题。因为颗粒间摩擦主要是基于恒定的物理颗粒参数，所以表现出相对较低的颗粒间摩擦的晶粒应该在非饱和状态下良好地流动，并且在阻塞状态下还应形成比具有较高的颗粒间摩擦的颗粒更弱的固体，之亦然。对于这里介绍的机械手应用，我们确定并比较了几种材料。

C实验背景

对几种轻质颗粒材料进行了压缩试验，假设这些材料在卡住状态下表现出高强度，但仍然能够在非卡住状态下容易地流动。 感兴趣的颗粒特征包括：孔隙率高，分布大，形状分布大。 已知后两者增加了颗粒的密度和互锁能力，从而增加了卡住系统的整体强度。 测试的材料是1）粗磨咖啡，2）精细研磨的咖啡，3）锯屑，4）硅藻土，和5）中空玻璃球（直径10-50微米）。 还包括实心玻璃球（直径100-200微米）作为比较，因为它们经常用作粒状研究的基准形状。 这些材料中的每一种的显微镜图像如图2所示。

图2

D显微镜图像的颗粒测试。

顶排，从左到右：粗磨咖啡，细磨咖啡，锯末;底排，从左到右：实心玻璃球，中空玻璃球和硅藻土。通过将颗粒松散包装成薄（约100微米厚）的胶乳膜来构建直径和高度分别为50mm和100mm的圆柱形试样。通过漏斗分配谷物并以圆周运动移动漏斗以实现均匀的打桩来实现松散的包装。在该过程中，通过在胶乳膜和外部刚性管之间施加真空压力来控制样品尺寸以保持圆柱形状。当对膜的内部施加真空以堵塞晶粒时，锯末和硅藻土样品倾向于显着地压实，因此在初始堆积密度方面对这些材料进行了例外以确保均匀的样品尺寸。对于所有压缩试验，差动干扰压力为75 kPa。

E实验结果与讨论。

图3给出了代表性的应力与应变曲线，表1包括了每种测试材料的密度和有效压缩模量数据。请注意，密度值适用于每次测试之前的材料，施加75 kPa差压干扰压力。应力 - 应变曲线的分析提供了有关材料的有价值的见解，这些材料不一定在单个参数中被捕获，例如材料的压缩模量或屈服应力。例如，当固体玻璃珠具有最大的有效模量时，它们的屈服应力几乎是粗磨咖啡的四分之一，其具有相对较大的有效模量，这使得后者在许多应用中是潜在的更好的选择。

图 3 测试颗粒的压缩应力与应变数据

表 1颗粒的密度和有效压缩模量

锯屑的应力 - 应变曲线的凸形是典型的某些材料，例如柔性泡沫，其在致密化之前局部塌陷成为固体物质。这表明像木屑这样的材料如果不密集地堆积就可以非常柔软，这也可以消除锯末的多孔（低密度）特性，使其成为首选的理想选择。来自其他类型木材的锯屑可能产生更有利的结果。即使研磨的咖啡是像木屑这样的多孔和有机材料，它表现出更多的典型的材料响应 - 其包括有效的弹性状态，接着是在高压下压制，这表明颗粒比锯屑更坚硬，允许研磨咖啡以保持其在负载下的孔隙率。在所测试的材料中，研磨咖啡除了具有绝对强度之外，还产生了具有高强度重量比的最佳组合。为什么咖啡表现如此好的假说包括研磨咖啡具有显着的表面粗糙度和不规则的锯齿状特征，增加了颗粒间摩擦。同时释放真空压力相对于已经定性测试的许多材料，相对容易磨碎咖啡并且流动性好。未来的工作涉及量化和理解谷物性质如何影响卡住系统的强度和谷物堵塞/解开的容易程度。粗咖啡和精细咖啡研磨之间的强度差异可能归因于具有较大粒度分布的粗咖啡，如图1所示。当颗粒尺寸范围更大时，较小的颗粒倾向于填充较大颗粒的空隙，以使固体体积分数最大化，从而使颗粒的自由度最小化以引起卡住。

研磨咖啡和其他所测试材料之间的另一个显着差异在于其固有地含有一些水分（油），这可能由于颗粒之间有吸引力的毛细管力而有助于体积强度。

可控制操纵器原型设计。迄今为止，已经开发了两个原型机。两个原型都是由五个串联的可分段组成。使用的每个部分：粗磨咖啡作为颗粒介质，沿其长度的低刚度压缩弹簧和外部柔性膜。弹簧的主要目的是帮助限制每个节段的弯曲运动，以提高其精度，同时仍然足够柔软以保持机械手的整体灵活性。弹簧还作为力恢复元件，以帮助在不受干扰时将段返回中立位置。

每个段还包括刚性端盖，用于连接每个段的一个流体管线，并用于引导沿着整个操纵器的长度延伸的张紧电缆。所有流体管路连接到单个离板空气真空泵;每个段的流体管线也连接到离板电磁阀，以实现每个段的隔离干扰控制。这允许操纵器有效地实现times;自由度，其中是多少段，是每个段的自由度数。通过选择性地卡住/取消单独的段并且控制张力电缆的长度来执行位置控制。

如图4所示。机械手的第一个原型由五个相同的部分组成。设计操纵器部分以抵抗弯曲载荷的主要挑战之一是防止谷物从段的中间部分挤出，或者其中段最倾向于弯曲最多，因为这是最大强度需要支持卡住状态下的负载。将一个光滑的波纹管状外膜（1.5毫米厚）从硅胶中抛出，以防止膜在弯曲过程中屈曲，并有助于保持颗粒的均匀分布。机械手的总长度为355 mm。每个段的长度为50mm，每个段的最窄和最宽的内径（由于脊的形状）分别为20mm和30mm。在每段中实施了刚度为600N / m的直径为8mm的弹簧。该原型表明，干扰作为快速激活的可调节刚度机制是非常有效的，并且研磨咖啡提供了足够的刚度变化，以便容易地将未干扰的部分与卡住的部分分离，如图1所示。虽然这种原型展现出高度的灵活性，并且可以保持复杂的形状，但它几乎不足以支持自己的重量。机械手的总质量为190克。质量百分比分解为：23％的封顶和弹簧，36％的硅胶膜和41％的研磨咖啡。管和张力电缆的质量可忽略不计。

可分段设计-第二个原型的主要目标是提高机械臂的强度与重量级性能和有效载荷能力。为了实现这一点，进行了设计修改以减少系统中的不必要的质量。进行了以下改变：薄（150微米厚）胶乳片 - 被包裹并密封替代铸塑硅胶膜;机械手沿其长度逐渐变细;并且弹簧的外径等于它们所包含的片段的外径。市售的弹簧基于它们的相对尺寸（保持单个节段的纵横比并产生整体锥形形状）和最小的刚度来选择。因为膜不再像硅胶膜那样具有内置的限制结构，所以较大直径的弹簧用于在弯曲期间保持每个段的横截面面积的附加目的。

图 4 机械手的横截面图

机械手的总长度为380毫米。每个段设计为具有2：1的长径比。这些细分还被设计成线性缩放以产生总体锥形形状，尽管最终原型受到商业可用性的限制，最大的两个部分最终达到相同的尺寸。弹簧的刚度约为180N / m。机械手的总质量为345克（无机电组件）。机械手的第二个原型的质量百分比击穿是：43％的端盖和弹簧，7％的胶乳膜和50％的研磨咖啡。通过减少膜的不必要质量，研磨咖啡的相对质量增加，从而增加机器人的强度重量比。然而，端盖和弹簧的相对质量不仅因为使用较大的弹簧而增加，而且因为端帽设计以较大的代价改善，从而能够实现比第一原型更加模块化的设计。第二个原型可以在水平位置卡住时轻松支撑自身的重量。

系统组件。用于控制电缆长度的电机和用于控制每个段的气流的电磁阀的机械手的第二个原型系统是完整的。虽然由任意数量的段组成的操纵器只需要三组间隔120°的电动机和电缆，以控制每个段的三个自由度（包括压缩/延伸），因此为机械手四个电动机创建任意的任意整体形状被使用，间隔90°，以简化控制。使用最大101.3kPa（1atm）真空压力的真空泵阻塞段。与泵一起添加真空储罐以增加空气的短期体积流量。

原型性能与分析。速度在本节中，我们强调了所提出的机械手架构的独特功能。这里提出的结果来自使用机械手的第二个原型执行的测试。感兴趣的速度参数是机械手在卡住状态和未卡住状态之间转换所需的时间，因为这会影响机械手带宽及其对其环境的响应能力。用于确定机械手的干扰速度的测试是通过将操纵器（具有一个固定端）从未干燥的，直的水平位置落下并记录在电磁阀被激活之间的时间和当操纵器卡住并达到完全刚性时进行的仍然位置。由于转换时间很快，这是通过记录测试的视频并通过解析单个视频帧来确定速度来完成的。堵塞机械手所需的时间为0.2秒。注意，根据空气的体积流量，这个时间可以根据给定的系统而变化。进行类似的测试以确定非混合速度，其为0.1秒。

许多操纵器应用需要系统拾取和传输有效载荷，从而需要来自可燃段的足够强度。如前所述，有可能进一步了解颗粒性质如何影响干扰，使设计师和工程师能够指定颗粒性质以满足给定应用的功能要求。通常，甚至可以支持高压缩载荷的卡住的颗粒介质具有最小的拉伸强度;对于真空系统，拉伸强度预期由施加的真空压力决定，因为晶粒通常不互锁以抵抗拉伸载荷。因此，卡住系统的弯曲强度预计受到差动干扰压力的限制。

这里介绍的操纵器系统的一个重要优点是电缆可以提供显着的拉力。图5表示出了用于确定具有和不使用张紧电缆的卡住机械手的刚度和强度的数据。在这些测试中，机械臂以卡住的方式悬臂悬挂，重量从其自由端悬挂下来，记录尖端位移。两种情况似乎都具有有效的线性弹性状态和屈服点。无张力电缆，屈服载荷为80克;用拉力电缆，屈服载荷为740克。后一个结果表明，机械手能够支持等于其自身重量的200％以上的有效载荷（无机电组件）;相比之下，许多工业操纵器可以支持只有自己重量的一部分的有效载荷。

图 5机械手的刚度和强度

用张力电缆进行一次测试以提供张力，而另外一个测试没有它们。虚线表示前一种情况下的表观弹性状态的线性拟合。当没有使用张力电缆时，当将有效载荷添加到卡住的水平操纵器的自由端时，观察到的故障模式是与光滑刚性端盖分离的卡住的颗粒。这种效果可以通过粗糙化或向端板添加突出特征来缓解。

敏捷和简单的控制。可口可乐操纵器与传统系统相比，其最大的优点在于其灵活性和能够

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