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颗粒物传动的机器人关节的设计及实验测试

日期:2020-08-21 03:30 

  小颗粒物(particles,granular material)是咱们存在中很常睹的事物,工地上的沙砾,家中的大米,绿豆,另有咖啡豆,咖啡粉等,不堪列举。颗粒物有着良众奇特的本质,它们能够变得犹如岩石平常坚硬,也能够变得像液体相通随地“滚动”。基于颗粒物的物理性情,香港大学的陈永华熏陶指导的钻探团队提出了“颗粒物传动(particle transmission)”的观念,并基于“颗粒物传动“道理策画开荒了“双足机械人合节”和“软体手”,两个钻探成绩均于客岁揭晓正在邦际顶级刊物《IEEE机电一体化学报》(IEEE Transactions onMechatronics)。这种新的传动伎俩发动自或者气压传动,而且和后两者比拟有着它奇特的上风:1. 不需求专用的密封,禁止易显露;2. 对温度变动不敏锐;3. 能够有刚度的大范畴变动4. 摄取动荡等。

  颗粒物正在咱们存在中尽头常睹,家中蓄积的谷物豆类,咖啡豆咖啡粉,大街上的土壤沙砾,都属于颗粒物的周围。商榷到颗粒物正在机械人中的操纵,就不得不提下面这个机械猫“刻板手”。小编当初真的被这款用咖啡末和气球做的“抓手”所震恐和吸引到。这日先不睁开讲述它的道理了,文末附有干系论文能够参考。

  小编向民众先容颗粒物正在机械人中的另一个兴味而且有适用价钱的操纵,颗粒物正在“滚动”状况下能够庖代液压和气动来行动传动介质,策画由颗粒物驱动的“双足机械人”和“软体抓手”。

  液压和气压传动都是机械人中常睹的传动体例,它是以流体(液体,气体)为事情介质举办能量转达和驾御的一种传动体例,这种传动体例的利益是设置实践端的重量能够很轻,反应速率速,传输力大等。Boston dynamic的人形机械人Atlas采用的便是精细计画的液压体例驱动28个合节,其余民众熟练的软体抓手则愚弄了压缩气体驱动。

  颗粒物是一种很奇特的物质,固然每一颗单拎出来都是固体,然则一群颗粒物正在松散的状况下具有像液体相通的滚动性。比方咱们抓一把沙子,一把豆子,平摊手掌的话会从指缝流走。同时,假若对松散的颗粒物施加压力,那么颗粒物之间便会爆发一种“停滞(jamming)”效应,互相挤压,使得颗粒物具体的又大白固体的状况。咱们存在中常睹的真空包装绿豆能够很好的展现颗粒物的性情。

  来自香港大学陈永华熏陶团队联思到了是否能够借助颗粒物的滚动性,将它行动前言,抵达仿佛于液压传动或者气体传动的功效,从而进动作力的转达。操纵颗粒物传动策画了两种机械人,行走机械人和软体抓手,两篇著作均于客岁揭晓于刻板工程顶刊《IEEE机电一体化学报》(IEEETransactions on Mechatronics)。

  当然仅仅也许模仿液压或者气压传动的功效还不足,钻探者明白了颗粒物传动的少许特征:

  1. 和气体液体传动比拟,颗粒物传动不需求过于厉酷的密封,因而能够简化传动构造的策画。

  钻探者们策画了两款全部的操纵,来验证颗粒物传动这种思法的可行性,包罗一个“小型双足机械人”和“软体刻板手”。正在这两款策画中,均采用了颗粒物传动的策画。这日小编就助民众解读一下颗粒物传动是何如被操纵于策画这两种机械人体例的。

  咱们能够先看一下颗粒物驱动的这两个操纵的展现,下一个人会带民众体会全部的策画。文末附有干系论文的标题,链接,以及完好版视频。

  假若将颗粒物填入一段关闭的腔体中,正在一侧给一个输入力,那么力能够通过颗粒物传到到另一侧。钻探者给出了四种榜样的策画计划,除去最根本的直线传动计划,通过分歧的构造策画,颗粒物传动还能够实行90度,180度,以及直线到转动运动的传动。

  颗粒物传动比平凡状况下是小于1的,因而具有肯定的缓冲功效,也许省略输出端的压力,抵达懦弱输出的功效。通过实习测试得知,颗粒物传动比跟着输入力的速率增补而增大,同时,通过分歧角度的传动测试,颗粒物传动受到重力的影响较量小。

  钻探者策画的颗粒物传动合节如图,正在一个U形管中填入肯定的颗粒物(比方小玻璃珠),然后用两个活塞密封它。活塞联贯到一个输出轴。两个活塞由一个输入的凸轮举办周期性的上下运动,从而发动输出轴转动,这个转动运动即能够被用作机械人的合节。

  当颗粒物传动策画的合节正在遭遇外界的大打击的时辰,颗粒物之间会被相互挤压,“滚动”的颗粒物便会切换为“固态”,从而抵达停滞(jamming)-自锁(self locking)的功效。钻探者以为这种效应能够助助机械人合节抵御外界的打击,而且提拔合节的刚度。钻探者们愚弄颗粒物传动合节策画了一个双足行走机械人,轻易展现了这种传动体例操纵于机械人的可行性。

  颗粒物传动的另一个操纵便是软体抓手了。守旧的气动软体手指由压缩气体驱动,根本道理便是,气囊的底部是范围膨胀层,上面是弹性层,因而正在气压的增大效率下,软体手指会朝着范围层弯曲。假设把一个个的气体分子具化,增大的压强能够看作是气体分子看待气囊内壁的打击力增大了。

  基于仿佛的道理,当把藐小的颗粒物行动介质用外力推入具有相像策画的弹性气囊中,用一个外力去不时胀动外界的颗粒物进入气囊,跟着颗粒物的体积的增补,气囊壁收到的颗粒物的压力越来越大,由此便会爆发像是气动软体手指相通的弯曲。然则比拟于气动,颗粒物驱动的软体手指不需求很厉苛的密封,而且跟着弯曲角度的增补,气囊壁对颗粒物的反效率压力也慢慢增大,从而颗粒物会产生停滞效应(jamming),软体手指的刚度也会成倍的增补。

  通过一系列的抓取实习测试,颗粒物驱动的软体抓手也有着自符合的抓取才华,能够抓取众种物体。同时,因为颗粒物的停滞效应使得软体手指正在最终状况的刚度变动较量大,因而这款软体抓手能够抓取较量重的物体。

  为了更切确的探求颗粒物传动的软体手指刚度变动处境,钻探者愚弄三种分歧的前言举办了测试,即气氛,水和颗粒物。愚弄活塞推动相像体积的介质,能够看到,跟着挤压体积的增补,正在后期颗粒物传动的软体手指的刚度要远远优于水和气体驱动的。

  把颗粒物作为水,作为气体来行动传动介质的思法真的很充满联思力,这也恰是科学钻探的魅力,透过气象看本色,就能够挖掘少许正本毫无干系的事物之间居然有着某种底层的相合。

  擅长推敲的钻探者们基于少许尽头根源的物理气象,比而今天所探求的颗粒物的滚动性和停滞效应,能够开荒策画出具有立异的构造,乃至有少许抢先守旧伎俩的利益。

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