傳統的電流變流體(簡......



傳統的電流變流體(簡稱ERF)主要是1～100μm具有親水性半導體粒子或聚合材料的微觀粒子，它們懸浮在疏水性的非導電載液里，象礦物油、
硅油或合成碳氫化合物流體。對不同的應用，許多ERF的組成往往是不同的。本研究對ERF性能要求主要集中在高電場下具有較高屈服應力，較
寬的阻尼可控范圍，以及抗電擊穿性能和流體的穩定性上。
盡管許多ERF可應用在本領域，但它們在上述性能，尤其是屈服應力上是不同的。我們利用礦物油作載液，硅膠作分散相配制ERF，對不同
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配比的樣品進行了實驗測定，實驗表明上述ERF是滿足本設計要求的。
1　基于電流變流體的指端設計
本研究設計的指端模型(見圖1)。最上一層是導電的硅橡膠皮膚，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，在此指端軟抓握設計模型中使用充滿ERF
的泡沫橡膠層都是十分重要的，因為可以將充滿ERF的泡沫層看作為一種均勻材料，它具有粘彈塑性，當足夠電場作用在ERF上(通常大于幾
MV/m)時，中間層(充滿ERF的泡沫橡膠層)會變成具有較高屈服應力的固體，從而實現硬抓握，第三層是在絕緣底座上的銅電極。應該指出的是
在設計和建立模型之前應該考慮好絕緣和密封問題，因為它會影響電極引線的安全。2握提升能力實驗及結果了更好地理解ERF在提高抓握能力和實現軟硬抓握時的作用，我們做了一個簡單的實驗，圖2為該實驗裝置的示意圖。此裝置主要部分是
由一個具有兩個手指的平行移動式機器人抓手，一個直徑為20 mm，長15 mm的圓柱形被抓物體，通過一根理論上不可伸縮的細線將測力計連接
在一起，測力計另一端通過同樣的細線繞過一滑輪連接在一個法碼盤上。
圖2　抓握提升能力實驗裝置
實驗方法如下：①讓機器人手指移動到剛剛接觸被抓物體，記錄手指的位置，此時抓握力近似為0。②機器人抓手手指加力到一定數值，此時
記錄抓握力。③由于高壓電源關閉，此時在ERF上沒有施加電場，在天平上逐漸增加砝碼重量直到被抓物體開始滑動為止，記錄砝碼及砝碼盤
總量。④接通高壓電源，在ERF上施加電場，重復步驟1，2，3。⑤改變電場強度，重復步驟1，2，3，4。⑥改變抓握力或手指位置，重復以上
步驟。
3　提升能力實驗結果
實驗結果(見圖3)為不同抓握力下最大提升力隨電壓變化的曲線。從圖3得出結論：在任一抓握力下提升能力都隨著作用在ERF上的電場強
度的增加而顯著增加，并且近似線性關系。當場強E等于0時，假使產生在滑輪上的摩擦力忽略不計，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的場強時的提升力。如果采用其他高屈服應力的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，從而可以給出實現柔順抓握控制和穩定抓握的方法，即當沒有電場加在指端ERF層時，指端是柔順的，從而在抓握時讓手指充分地順應工
件的形狀，這種情況下，觸覺傳感器能夠獲得更多的接觸信息，這些信息可以幫助機器人作出抓握位置的決策，這種抓握稱為軟抓握，此時提
升物體或操作所需的抓握力是不夠的。一旦軟抓握完成，根據載荷大小在ERF層施加一足夠高電場，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，而當出現滑動時，驅動裝置將及時調整電場強度，最終使抓握達到穩定。3　指端接觸模型與仿真
根據圖1所示的指端結構及ERF的性能，將橡膠皮膚及泡沫材料在指面的法向上簡化為一定常系數的彈性體，ERF簡化為理想的Bingham材料
，其模型為阻尼器與摩擦器并聯組成。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(或環境)均為Kelvin粘彈模型。圖4為兩自
由度指端系統的模型，Fa為驅動力，Fc為接觸力。
圖4　兩自由度手指接觸模型
對此兩自由度系統，Nt和F0是電場強度的函數，且Ft是非連續函數，因此它的動力學方程十分復雜且為非線性。幾乎求不出它的解析解，這對
研究ERF性能對指端接觸過程的影響十分不利。因此本研究對此模型進一步簡化，圖5為簡化后的單自由度模型。這種假設基于Ks比Kt大得多，
而Ns比Nt小得多，且接觸物體模型可在實驗中設置成具有足夠剛性的物體
圖5　簡化后的單自由度模型
實際上圖5的單自由度模型，由于Ft的存在，模型仍具有很強的非線性，且阻尼系數Nt及摩擦器參數Ft都是電場強度及運動參數的函數，
求解析解仍十分困難。為此，本研究利用微分方程數值解法進行接觸過程的動態仿真。
參考圖5物理模型中的坐標，采用相對位移δ=x-u(指面接觸形變)作為廣義坐標，建立如下運動方程：
(1)
其中m=mf+mt。按照庫侖摩擦原理，將Ft近似表示為
(2)
ERF的現有研究成果表明［1～3］，ERF的電粘度近似正比于電場強度的平方，而又近似與剪切速率成反比。因此用阻尼系數與粘度相對應
，將電場強度E及指端接觸變形速率引入阻尼系數Nt中得到如下關系：
Nt=N0+AE2/　(3)
式中，N0為無外加電場時柔順指端的本底阻尼常數，一般在10 Ns/m左右；A為定常比例系數；E為形變δ時的電場強度。由于本文給出的指端
模型為平面指端，且假設接觸形式為平面接觸，若在ERF層加一固定直流電壓，則在形變為δ時，按均勻電場分布計算得到ERF層上的電場強度
E=V/(δ0－δ）=E0δ0／（δ0－δ）　(4)
式中，E0為所加初試電場強度；δ0為未接觸時流體層的厚度，本實驗給出的指端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。
采用非線性微分方程的數值解法，即龍格一庫塔方法研究此模型的時間響應。計算對應接觸力的公式為
Fc=Nt+Ktδ+Ft　(6)
給定初始參數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。改變電場強度，仿真結果見圖6和圖7。
圖6　位移時間曲線
圖7　接觸力時間曲線
4　分析及結論
仿真結果表明，由于電場引起的電流變效應，使得指端接觸過程表現出不同的壓變穩定值及接觸力的過沖，指面變形隨電場強度增大而減