变刚度弹性轴微颗粒嵌入与阻塞的机理分析与实验研究

许文智, 耿德旭, 王 霞, 彭 贺

(北华大学机械工程学院, 吉林吉林 132000)

引言

柔性机器人与传统的机器人相比质量轻、体积小、灵活性强,同时具有控制柔顺性好,人机交互安全性高等特点[1-4]。但是柔性机器人的刚度较低,驱动能力弱,不适用于较大负载的应用场合[5-8]。因此柔性机器人的变刚度设计成为当前的研究重点。

人事档案是事业单位各项人事信息的真实客观记录，是事业单位人才储备与发展的基础。优化人事档案管理水平和质量，对于人力资源配置的优化配置意义重大。当前事业单位人事档案管理中存在着比较突出的问题，具体包括如下方面：

目前,对于柔性机器人的变刚度原理主要有两大类,一类是通过增加材料之间的相互作用力,使机器人本体具有抵抗变形的能力,包括拮抗作用和阻塞作用等[9-12]。JIANG P等[13]基于差分驱动粒子干扰机构提出了一种变刚度抓手,主要有气压驱动腔体和充满颗粒的腔体组成,驱动腔获得高压时,两个腔体产生压力差,手指发生弯曲直至夹住物体。LI Y等[14]提出了一种基于粒子传输的变刚度柔性抓手,以粒子为介质,通过活塞推动粒子流动,进而控制机械手的弯曲,同时改变抓手的弯曲刚度。KIM Y J等[15]利用负压实现层干扰达到变刚度的原理,设计了一种可调弯曲刚度蛇形机械手,其变刚度范围小,可控性差。

1）法律法规、政策等文件方面：首先，国家法律法规层面：近些年出台的《中华人民共和国旅游法》《水土保持法》《野生动物保护法》《自然保护区条例》《环境保护法》等，在宏观上对环湖地区旅游的发展起到了指导作用。2、地方规章层面：2003年青海省人大常委会通过的《青海湖流域生态环境保护条例》，对环湖地区的生态环境保护起到引领性作用；2015年1月1日起实施的《青海湖景区管理条例》对景区规划、建设、景区管理以及景区保护等方面做出规定；2011年实施的《青海省旅游条例》，对全省旅游活动进行规定。

另一类是采用变刚度材料,如热敏功能材料、磁流变或电流变流体和介电弹性体[16]。AL-RUBAIAI M等[17]提出了一种利用导电聚乳酸材料实现变刚度和形状调节的柔性软体夹持器,其最大抓取重量为800 g,但是其响应速度慢,还不能满足实际应用需求。FIROUZEH A等[18]研发了一种基于形状记忆聚合物的可调刚度夹持器,变刚度层由可伸缩加热器、形状记忆聚合物和硅橡胶组成,在不同温度下具有显著的弯曲刚度变化,但是速度慢,抓取效率低。

国内研究大体呈现出以下局面：一、相关的学术文章数量少；二、介绍性文章居多，并主要集中在对西方翻译诗学的介绍；三、更注重翻译诗学的外围解释力，脱离诗歌翻译语境；四、对我们国家的翻译诗学理论关注不够。虽然田传茂、丁青（2006：64）对扎根于传统和实践沃土的中国当代译论话语进行了梳理，但也属于介绍性研究，所以他们在文中语重心长地指出，“原创性研究正是当前我国翻译理论研究所欠缺的。”

综上所述,当前变刚度柔性机器人在变刚度功能上存在范围不理想、响应速度慢、工作效率低等问题。因此在大负载场合中都不能进行实际应用。本研究基于颗粒嵌入和颗粒阻塞原理,设计了一种正压驱动的变刚度范围大、响应速度快的变刚度弹性轴。

1 变刚度弹性轴结构设计与金属螺旋管的制备

1.1 弹性轴结构设计

变刚度弹性轴如图1a所示。

3) 颗粒的大小对弹性轴刚度的影响

图1 变刚度弹性轴

如图1b所示,弹性轴由金属螺旋管、内外侧气囊、填充颗粒、上端盖、下端盖、上堵头、下堵头、气动接头和螺钉组成。弹性轴各零部件同轴心安装,内、外侧气囊两端分别与上堵头和下堵头固定连接以保持气密性;内侧气囊和外侧气囊间隙中放入填充颗粒;金属螺旋管套入外侧气囊,上、下端盖与上、下堵头固定连接;气动接头固定在下堵头通过通孔为内侧气囊输入气压。

相对于现有柔性机器人采用负压驱动阻塞颗粒、磁流变等功能材料实现变刚度的方法,该弹性轴采用径向刚度较强的金属螺旋管进行约束,同时采用正压驱动,因此该弹性轴可充较大压力进而提升刚度;同时金属螺旋管独特的螺旋嵌套结构,使弹性轴在变刚度过程中填充颗粒嵌入到金属螺旋管内侧间隙上,阻碍其变形从而进一步提升刚度。

1.2 金属螺旋管的制备

如图2a所示,金属螺旋管由304不锈钢板绕制而成,不锈钢钢板截面为“S”形,其上、下限位面相互嵌套使金属螺旋管始终密闭。如图2b所示,金属螺旋管具有伸长、压缩与弯曲功能,其运动时金属螺旋管内部凹槽的间隙会产生变化。

图2 金属螺旋管

2 弹性轴变刚度机理分析原理分析

如图3所示,弹性轴的工作原理为:

图3 弹性轴基本工作原理

(1) 初始状态下,内侧气囊与大气相连,填充颗粒处于流动态,外侧气囊未嵌入金属管内壁凹槽内;

L5—— 受压一侧摩擦力Ff到弹性轴中性层的距离

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(3) 受径向外力状态充压时,内侧气囊充入气压,弹性轴弯曲伸长,此时填充颗粒处于阻塞态,同时外侧气囊和颗粒受内侧气囊挤压嵌入金属管内壁凹槽内,螺旋管受拉一侧的颗粒和外侧气囊嵌入金属管内壁凹槽较深,螺旋管受压一侧的颗粒和外侧气囊嵌入金属管内壁凹槽较浅,产生颗粒嵌入效应阻碍金属螺旋管弯曲变形,弹性轴弯曲刚度提升;

(4) 泄压后颗粒处于流动态,同时填充颗粒被外侧气囊弹性恢复力挤出金属管内壁凹槽,弹性轴恢复初始状态。

弹性轴的刚度根据中性层变化分为两种情况:

第1种情况如图4a所示。此时弹性轴充入压力后未完全伸长,受到外力F的作用发生弯曲此时中性层位于中心位置,弯曲时金属螺旋管受拉一侧螺旋管间隙变大,嵌入到螺旋管间隙内的填充颗粒产生推力Fc2推动弹性轴受拉一侧伸长;受压一侧的金属管间隙变小,嵌入到螺旋管间隙内的填充颗粒产生阻抗力Fc1阻碍弹性轴受拉一侧压缩;此时根据力矩平衡公式可得:

图4 弹性轴变刚度分析

式中, L1—— 末端推力F弹性轴下端盖的距离

(1)

F·L1=Fc1·L3-Fc2·L3+2Ff·L2

Ff—— 弹性轴充入压力后颗粒阻塞产生的摩擦力

(4)彰显原子结构和元素周期律(表)对无机物的性质和用途的理论支撑。原子的结构决定了元素在周期表中的位置,也决定了元素的性质,借助“结构—位置—性质”三者的神秘关系,可比较顺利地进行元素的推断。同理,常见元素的单质及其重要化合物的结构,也决定了相应物质的物理性质和化学性质,进而决定了相应物质的用途等。利用这层关系推断(或判断)物质的性质和用途的高考试题早已层出不穷。

L2—— 摩擦力Ff到弹性轴中性层的距离

L3—— 力Fc1,Fc2到中性层的距离

L6—— 力Fc1到中性层的距离

F·L1=Fc1·L6+Ff·L4+Ff·L5

(2)

式中, L4—— 受拉一侧摩擦力Ff到弹性轴中性层的距离

小儿先心病的临床发生率较高，约占先天性畸形的28%，患儿常出现反复呼吸道感染、生长发育受限和消瘦等症状，严重时可导致缺氧、休克甚至死亡。先心病患儿年龄相对较小，疾病耐受力差，在治疗过程中常出现不配合等情况，一定程度上影响治疗及预后。

(2) 自由状态充压时,内侧气囊充入气压,金属螺旋管在径向方向有约束作用,弹性轴伸长,此时填充颗粒处于阻塞态,同时外侧气囊和颗粒受内侧气囊挤压嵌入金属管内壁凹槽内产生颗粒嵌入效应阻碍金属螺旋管弯曲变形,弹性轴弯曲刚度提升;

第2种情况如图4b所示。此时弹性轴充入压力后完全伸长,受到外力的作用发生弯曲此时中性层位于受拉一侧,弯曲时金属螺旋管受拉一侧螺旋管间隙达到最大,嵌入到螺旋管间隙内的填充颗粒传递的力被螺旋管限位面吸收;受压一侧的金属管间隙变小,嵌入到螺旋管间隙内的填充颗粒产生阻抗力Fc1阻碍弹性轴受拉一侧压缩;此时根据力矩平衡公式可得:

1.满足现代企业管理制度的创新要求。国内经济形势千变万化，企业要想生存发展，也必须要有更为合理、高效的企业管理制度。而财务管理制度正是企业管理制度的一个部分。创新财务管理制度，可以更好地满足新时期企业管理和内部控制的要求，更好地为企业管理服务，更好地解决企业运行中的财务问题。

3 变刚度弹性轴性能实验

3.1 实验平台

变刚度弹性轴的弯曲刚度测量实验原理如图5a所示,实验装置如表2所示。由图中可以看出,变刚度弹性轴垂直向下放置,其下端盖通过夹具固定在竖直面的直线滑台上。数显式推拉力计水平放置,并固定在水平面的直线滑台上。激光位移传感器固定在实验平台上与上端盖处于同一水平面用来测量上端盖的位移。推拉力计可实现水平移动,外力施加在变刚度弹性轴上端盖处,弹性轴产生形变,激光位移传感器读取上端盖的位移L。根据实验原理搭建弹性轴弯曲刚度测量实验平台,如图5b所示。测量时变刚度弹性轴充入0～0.5MPa间隔为0.05MPa的压力,推拉力计推动弹性轴上端盖移动0～20mm,每次移动2.5mm,推拉测力计读数为弹性轴所承受末端推力F。测量弹性轴气压与末端推力之间的关系,重复5次,计算平均值。

表2 实验装置参数

图5 变刚度弹性轴弯曲刚度测试

表1为弹性轴结构参数其中内、外气囊均采用硅氟橡胶管,弹性模量1.116 MPa,剪切弹性模量0.372 MPa。金属螺旋管内壁凹槽最大宽度为4 mm深度为3.8 mm壁厚为0.2 mm;表2为性能测试的实验装置参数。

表1 变刚度弹性轴结构参数

3.2 弹性轴刚度测试

自由状态如图7a所示,下选取直径为1.2 mm的金刚砂颗粒作为填充物,设置充入压力p分别为0, 0.10, 0.20, 0.30, 0.40, 0.50 MPa,测量弹性轴在充入不同压力下末端力和位移之间的关系,其中末端位移为0～20 mm,每次移动2.5 mm,该实验重复5次,计算平均值,实验结果如图6a所示。可知相同位移下弹性轴充入压力越大,其末端力越大;弹性轴充入压力一定时,随着位移的增加,末端力的增量逐渐减少。

图6 自由状态弹性轴刚度变化

图7 不同状态弹性轴

设置弹性上端盖位移量L为10 mm,充入压力为0～0.5 MPa间隔为0.05 MPa的压力,测量弹性轴在10 mm位移下,末端力和压力之间的关系,实验结果如图6b所示。可知气压值与末端力成正相关,其中增幅为先增加后减小,出现这种情况的主要原因是,刚刚充入气压时弹性轴整体伸长,只有极少一部分压力作用在颗粒上,同时金属螺旋管内侧的间隙较小,颗粒难以嵌入,导致增幅较小;当弹性轴完全伸长时,颗粒受到压力的挤压力更大,同时金属螺旋管内侧的间隙增大,颗粒嵌入间隙内,阻碍弹性轴弯曲,使其增幅较大。

3.3 影响弹性轴刚度的因素分析

1) 金属螺旋管伸长状态对弹性轴刚度的影响

在金属螺旋管弯全伸长的状态下,考虑到实验选材的便捷性与稳定性分别选取直径均为1.2 mm的金刚砂、棕刚玉、白刚玉为填充颗粒,在0 MPa和0.5 MPa的压力下进行测试。实验结果如9a所示,装有棕刚玉颗粒的弹性轴充压后刚度效果最好,白刚玉次之,金刚砂最差。对弹性轴在10 mm位移下进行实验,如图9b所示,在0.5 MPa压力下,填充物为棕刚玉的弹性轴相较于填充物为金刚砂颗粒的弹性轴刚度提高了61.5%。

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实验结果如图8a所示。实验结果表明,金属螺旋管内侧间隙对弹性轴刚度有影响,间隙越大弹性轴刚度越强。对弹性轴在10 mm位移下进行实验,如图8b所示, 在0.5 MPa压力下完全伸长的弹性轴相对于完全压缩的弹性轴刚度提高了64.9%。

位于北领地西北部靠近达尔文市东南的Pine河地区，主要分布有Cosmo Howley(已闭坑)、Mount Todd(已闭坑)等大型、超大型金矿及中小型金矿共28处，以及无数的金矿化点。当前本区的Crocodile矿区据JORC标准可开采约150.82t黄金，目前正在投产。除此之外已启动废弃矿区Cosom深部的地质勘探工作，经过工作Cosom深部矿床JORC指示的矿石资源量530万吨，金品位为4.6×10-6，推测的矿石资源量565万吨，金品位为3.7×10-6。

图8 伸长、压缩状态对弹性轴刚度影响分析

2) 颗粒的种类对弹性轴刚度的影响

弹性轴刚度的强弱,金属螺旋管内侧间隙、颗粒的种类和大小均对其有影响。分析金属螺旋管内侧间隙对弹性轴的影响。如图7b、图7c所示将填充颗粒为1.2 mm金刚砂的弹性轴的初始状态分别设置为金属螺旋管完全压缩和完全伸长的状态,其中完全压缩状态下的弹性轴中心固定连接柔丝,防止充入压力后弹性轴伸长导致间隙变化影响实验结果。对两根弹性轴在0 MPa和0.5 MPa的压力下进行测试。

图9 不同材质填充物对弹性轴刚度影响分析

2.2.1 SBM应答率 治疗1周，治疗组的应答率为50.00%，对照组为36.52%，率差的95%置信区间（95%CI）为13.48%（0.75%，26.21%）。两组比较，差异有统计学意义（P＜0.05），FAS、PPS分析结论一致。FAS数据集结果见表1。

在金属螺旋管弯全伸长的状态下,分别选取直径为0.4, 1.2, 2.0 mm的金刚砂为填充颗粒,测量0, 0.5 MPa情况下末端力与末端位移之间的关系。由图10a可知颗粒大小对弹性轴刚度有影响,且颗粒越小弹性轴刚度越大。对弹性轴在10 mm位移下进行实验,如图10b所示,在0.5 MPa压力下,填充物直径为0.4 mm的弹性轴相较于为2.0 mm的弹性轴刚度提高了36.6%。

图10 不同尺寸颗粒对弹性轴刚度影响分析

如表3～表5所示,对实验数据进行统计,得到了末端位移为10 mm时,在充入压力为0.5 MPa和0 MPa 条件下, 不同影响因素弹性轴的末端推力刚度变化之比。由表可知:

表3 金属螺旋管不同状态下弹性轴刚度

表4 颗粒种类不同条件下弹性轴刚度

(1) 弹性轴金属螺旋管内侧间隙对弹性轴刚度有影响,间隙越大弹性轴刚度越强。位移10 mm、气压为0.5 MPa时,弯曲伸长的弹性轴相对于完全压缩的弹性轴刚度提高了64.9%;

(2) 填充颗粒材质对弹性轴刚度有影响。其中填充物为棕刚玉颗粒的弹性轴刚度最好。位移10 mm、气压为0.5 MPa时,填充物为棕刚玉的弹性轴相较于填充物为金刚砂颗粒的弹性轴刚度提高了61.5%;

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(3) 颗粒大小对弹性轴刚度有影响,且颗粒越小弹性轴刚度越大。位移10 mm、气压为0.5 MPa时,填充物直径为0.4 mm金刚砂的弹性轴相较于2.0 mm金刚砂的弹性轴刚度提高了36.6%。其中在完全伸长状态下,填充物为直径1.2 mm白刚玉的弹性轴,在0.5 MPa和0 MPa压力下刚度之比最大为56.1。

4 结论

(1) 结合颗粒嵌入和颗粒阻塞机构的优势,提出了一种正压驱动的变刚度弹性轴,分析了弹性轴不同状态下的变刚度机理,设计并制造了变刚度弹性轴样机;

5.2.3 环境卫生管理。食品收货区域地面、天花板、灭蝇灯、接收的容器、运输车辆、接收工具应定期清洁，保持干净无破损，并做好卫生巡检记录。

(2) 搭建了弹性轴刚度实验平台,通过实验分析不同因素对弹性轴刚度影响。实验结果表明:弹性轴自由状态,弹性轴充入压力越大,其刚度越大;弹性轴充入压力一定时,随着位移的增加,刚度的增量逐渐减少。金属螺旋管内侧间隙越大弹性轴刚度越强。填充颗粒的种类和大小对弹性轴刚度有影响,且颗粒越小弹性轴刚度越大;

(3) 该弹性轴具有变刚度范围广的优点。弹性轴完全伸长填充物为直径1.2 mm白刚玉时,变刚度效果最好可提高56.1倍。该研究可为变刚度柔性机器人设计提供新的技术支持。