顆粒物傳動的機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計及實驗測試

小顆粒物（particles,granular material）是我們生活中很常見的事物，工地上的沙礫，家中的大米，綠豆，還有咖啡豆，咖啡粉等，不勝枚舉。顆粒物有著很多獨特的性質(zhì)，它們可以變得猶如巖石一般堅硬，也可以變得像液體一樣四處“流動”?；陬w粒物的物理特性，香港大學(xué)的陳永華教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊提出了“顆粒物傳動（particle transmission）”的概念，并基于“顆粒物傳動“原理設(shè)計開發(fā)了“雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)”和“軟體機(jī)械手”，兩個研究成果均于去年發(fā)表在國際頂級刊物《IEEE機(jī)電一體化學(xué)報》（IEEE Transactions onMechatronics）。這種新的傳動方法啟發(fā)自液壓或者氣壓傳動，并且和后兩者相比有著它獨特的優(yōu)勢：1. 不需要專用的密封，不容易泄露；2. 對溫度變化不敏感；3. 可以有剛度的大范圍變化4. 吸收震動等。

1.顆粒物傳動和它在機(jī)器人中的應(yīng)用

顆粒物在我們生活中非常常見，家中儲存的谷物豆類，咖啡豆咖啡粉，大街上的泥土沙礫，都屬于顆粒物的范疇。討論到顆粒物在機(jī)器人中的應(yīng)用，就不得不提下面這個機(jī)器貓“機(jī)械手”。小編當(dāng)初真的被這款用咖啡末和氣球做的“抓手”所震驚和吸引到。今天先不展開講述它的原理了，文末附有相關(guān)論文可以參考。

小編向大家介紹顆粒物在機(jī)器人中的另一個有趣并且有實用價值的應(yīng)用，顆粒物在“流動”狀態(tài)下可以代替液壓和氣動來作為傳動介質(zhì)，設(shè)計由顆粒物驅(qū)動的“雙足機(jī)器人”和“軟體抓手”。

類似機(jī)器貓手的”萬能抓手”

液壓和氣壓傳動都是機(jī)器人中常見的傳動方式，它是以流體（液體，氣體）為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和控制的一種傳動方式，這種傳動方式的優(yōu)點是設(shè)備執(zhí)行端的重量可以很輕，響應(yīng)速度快，傳輸力大等。Boston dynamic的人形機(jī)器人Atlas采用的就是精妙設(shè)計的液壓系統(tǒng)驅(qū)動28個關(guān)節(jié)，另外大家熟悉的軟體抓手則利用了壓縮氣體驅(qū)動。

液壓驅(qū)動和氣動的例子

顆粒物是一種很特別的物質(zhì)，雖然每一顆單拎出來都是固體，但是一群顆粒物在松散的狀態(tài)下具有像液體一樣的流動性。比如我們抓一把沙子，一把豆子，平攤手掌的話會從指縫流走。同時，如果對松散的顆粒物施加壓力，那么顆粒物之間便會產(chǎn)生一種“阻塞（jamming）”效應(yīng)，相互擠壓，使得顆粒物整體的又呈現(xiàn)固體的狀態(tài)。我們生活中常見的真空包裝綠豆可以很好的展示顆粒物的特性。

真空包裝的“阻塞”的綠豆和“流動”的綠豆

來自香港大學(xué)陳永華教授團(tuán)隊聯(lián)想到了是否可以借助顆粒物的流動性，將它作為媒介，達(dá)到類似于液壓傳動或者氣體傳動的效果，從而進(jìn)行動力的傳遞。應(yīng)用顆粒物傳動設(shè)計了兩種機(jī)器人，行走機(jī)器人和軟體抓手，兩篇文章均于去年發(fā)表于機(jī)械工程頂刊《IEEE機(jī)電一體化學(xué)報》（IEEETransactions on Mechatronics）。

顆粒物傳動設(shè)計的基本原理

當(dāng)然僅僅能夠模擬液壓或者氣壓傳動的效果還不夠，研究者分析了顆粒物傳動的一些特點：

1. 和氣體液體傳動相比，顆粒物傳動不需要過于嚴(yán)格的密封，因此可以簡化傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

2. 通過“阻塞（jamming）”效應(yīng)，顆粒物傳動可以進(jìn)行剛度變化。

3. 顆粒物對于溫度和壓強(qiáng)的敏感程度低，更適用于嚴(yán)苛的環(huán)境。

4. 顆粒物傳動可以起到減震的效果。

研究者們設(shè)計了兩款具體的應(yīng)用，來驗證顆粒物傳動這種想法的可行性，包括一個“小型雙足機(jī)器人”和“軟體機(jī)械手”。在這兩款設(shè)計中，均采用了顆粒物傳動的設(shè)計。今天小編就幫大家解讀一下顆粒物傳動是如何被應(yīng)用于設(shè)計這兩種機(jī)器人系統(tǒng)的。

顆粒物傳統(tǒng)設(shè)計的雙足機(jī)器人和軟體抓手

我們可以先看一下顆粒物驅(qū)動的這兩個應(yīng)用的展示，下一部分會帶大家了解具體的設(shè)計。文末附有相關(guān)論文的題目，鏈接，以及完整版視頻。

顆粒物傳動關(guān)節(jié)設(shè)計

顆粒物傳動的機(jī)器人關(guān)節(jié)

呆萌的雙足機(jī)器人

顆粒物傳動的軟體抓手抓取

2. 顆粒物傳動的應(yīng)用設(shè)計及實驗測試

2.1顆粒物傳動的機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計

如果將顆粒物填入一段封閉的腔體中，在一側(cè)給一個輸入力，那么力可以通過顆粒物傳到到另一側(cè)。研究者給出了四種典型的設(shè)計方案，除去最基本的直線傳動方案，通過不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，顆粒物傳動還可以實現(xiàn)90度，180度，以及直線到旋轉(zhuǎn)運動的傳動。

顆粒物傳動的幾種變化

顆粒物傳動比通常狀態(tài)下是小于1的，因此具有一定的緩沖效果，能夠減少輸出端的壓力，達(dá)到柔順輸出的效果。通過實驗測試得知，顆粒物傳動比隨著輸入力的速度增加而增大，同時，通過不同角度的傳動測試，顆粒物傳動受到重力的影響比較小。

顆粒物傳動的測試

研究者設(shè)計的顆粒物傳動關(guān)節(jié)如圖，在一個U形管中填入一定的顆粒物（例如小玻璃珠），然后用兩個活塞密封它?；钊B接到一個輸出軸。兩個活塞由一個輸入的凸輪進(jìn)行周期性的上下運動，從而帶動輸出軸旋轉(zhuǎn)，這個旋轉(zhuǎn)運動即可以被用作機(jī)器人的關(guān)節(jié)。

基于顆粒物傳動的機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計

當(dāng)顆粒物傳動設(shè)計的關(guān)節(jié)在遇到外界的大沖擊的時候，顆粒物之間會被互相擠壓，“流動”的顆粒物便會切換為“固態(tài)”，從而達(dá)到阻塞（jamming）-自鎖（self locking）的效果。研究者認(rèn)為這種效應(yīng)可以幫助機(jī)器人關(guān)節(jié)抵御外界的沖擊，并且提升關(guān)節(jié)的剛度。研究者們利用顆粒物傳動關(guān)節(jié)設(shè)計了一個雙足行走機(jī)器人，簡單展示了這種傳動方式應(yīng)用于機(jī)器人的可行性。

雙足機(jī)器人行走步態(tài)

2.2顆粒物傳動的軟體抓手

顆粒物傳動的另一個應(yīng)用便是軟體抓手了。傳統(tǒng)的氣動軟體手指由壓縮氣體驅(qū)動，基本原理就是，氣囊的底部是限制膨脹層，上面是彈性層，因此在氣壓的增大作用下，軟體手指會朝著限制層彎曲。假設(shè)把一個個的氣體分子具化，增大的壓強(qiáng)可以看作是氣體分子對于氣囊內(nèi)壁的沖擊力增大了。

顆粒物傳動的軟體致動器原理

基于類似的原理，當(dāng)把細(xì)小的顆粒物作為介質(zhì)用外力推入具有相同設(shè)計的彈性氣囊中，用一個外力去不斷推動外界的顆粒物進(jìn)入氣囊，隨著顆粒物的體積的增加，氣囊壁收到的顆粒物的壓力越來越大，由此便會產(chǎn)生像是氣動軟體手指一樣的彎曲。但是相比于氣動，顆粒物驅(qū)動的軟體手指不需要很嚴(yán)苛的密封，并且隨著彎曲角度的增加，氣囊壁對顆粒物的反作用壓力也逐漸增大，從而顆粒物會發(fā)生阻塞效應(yīng)（jamming），軟體手指的剛度也會成倍的增加。

通過一系列的抓取實驗測試，顆粒物驅(qū)動的軟體抓手也有著自適應(yīng)的抓取能力，可以抓取多種物體。同時，由于顆粒物的阻塞效應(yīng)使得軟體手指在最終狀態(tài)的剛度變化比較大，因此這款軟體抓手可以抓取比較重的物體。

顆粒物傳動的軟體抓手抓取

為了更準(zhǔn)確的探討顆粒物傳動的軟體手指剛度變化情況，研究者利用三種不同的媒介進(jìn)行了測試，即空氣，水和顆粒物。利用活塞推進(jìn)相同體積的介質(zhì)，可以看到，隨著擠壓體積的增加，在后期顆粒物傳動的軟體手指的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于水和氣體驅(qū)動的。

顆粒物傳動軟體手指的剛度和水，氣體的比較

3. 總結(jié)和展望

把顆粒物當(dāng)作水，當(dāng)作氣體來作為傳動介質(zhì)的想法真的很充滿想象力，這也正是科學(xué)研究的魅力，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，就可以發(fā)現(xiàn)一些原本毫無關(guān)聯(lián)的事物之間竟然有著某種底層的聯(lián)系。

善于思考的研究者們基于一些非?；A(chǔ)的物理現(xiàn)象，比如今天所探討的顆粒物的流動性和阻塞效應(yīng)，可以開發(fā)設(shè)計出具有創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)，甚至有一些超過傳統(tǒng)方法的優(yōu)點。
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