電流變液及其器件在機器人領域中的應用

徐 衡，沈景鳳，謝景茂，張詩悅

(1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海材料研究所，上海 200437)

電流變液及其器件在機器人領域中的應用

徐 衡1,2，沈景鳳1，謝景茂2，張詩悅2

(1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海材料研究所，上海 200437)

電流變液作為一種智能材料，其流變特性在電場作用下能夠快速、連續地調節，因此在各工業領域具有廣泛的應用前景。在簡要介紹電流變液研究的基礎上，概述了電流變液器件國內外研究情況，并介紹了電流變液在機器人振動控制方面的研究應用，探討了電流變液及其阻尼裝置在機器人領域得以推廣應用需要解決的技術問題，并展望了電流變液技術在機器人振動控制中的應用前景。

電流變液；機器人；阻尼器

電流變液(Electrorheological Fluid, ERF)是由高介電常數、電導率的微納米顆粒分散于絕緣基液中混合而成的懸浮體系，是一種電響應的軟物質智能材料。在零電場下，顆粒在基液中呈無序隨機分布，電流變液具有良好的流動性，呈現出牛頓流體的性質；當施加外電場時，顆粒被極化，聚集成為有序的鏈狀或者柱狀排列，電流變液具有類似固體的抗剪切能力,呈現出賓漢流體的性質；撤除電場后，電流變液又恢復流動性[1-5],圖1為電場作用下的電流變液中導電微粒排列變化示意圖。電流變液這種可逆、能耗低、響應快(一般為ms級)、連續無級變化和“軟硬”可調的奇特性質在機電一體化的自適應控制工業領域應用前景廣泛，尤其適合于智能阻尼、減振裝置的制備，在機器人、車輛工程、精密加工等相關領域呈現出了良好的應用前景[6-10]。電流變液阻尼裝置具有響應速度快，結構簡單、易實現計算機控制、減震降噪能力強，是實現機器人機構智能化振動控制的新一代高性能裝置。電流變液及其振動控制方面的研究在20世紀80年代就已經掀起了熱潮，但在機器人振動控制方面應用研究較少，尤其在我國，這方面的研究基本上還處于空白階段。本文扼要介紹了電流變液基本特性，概述了電流變技術及其器件應用研究現狀并展望了在機器人領域的應用前景，希望以此來引起國內機器人領域的研究技術人員對電流變液技術的關注和重視。

圖1 導電微粒在電場作用下的排列變化示意圖

1 電流變液研究及特性

仿生智能材料是新材料領域正在形成的一門分支學科。其將高技術傳感器或敏感元件與傳統結構材料和功能材料結合在一起，賦予材料嶄新的性能，使無生命的材料變得似乎有了“感覺”和“知覺”。而電流變液則是一種性能獨特的智能流變材料，在外電場的作用下電流變液的表觀黏度發生巨大變化，這種現象稱之為電流變效應。在20世紀40年代，美國學者Winslow首次使用一種介電固體顆粒和絕緣性良好的基礎液制成電流變液[11]。在這之后國內外學者展開了對電流變液研制，并且相繼提出了“水橋理論”、“雙電層理論”、“介電極化”、“電導失配”等多種電流變液理論模型，但是這期間研制的電流變材料由于其剪切強度低、溫度工作范圍窄以及沉降穩定性低等缺點，未能達到工程應用的需求，阻礙了它的應用推廣。直到2003年，溫維佳教授建立新的“表面極化飽和”物理模型，并以此為理論基礎，通過用尿素包覆草酸氧鈦鋇顆粒研制出了稱為巨電流變液(GERF)的新型電流變材料，其電流變效應遠遠突破了傳統靜態屈服應力的理論預測上限，屈服強度超過100 kPa，如圖2所示[12]。同時該電流變液還具有溫度穩定性好(10～120 ℃)、響應時間快(<10 ms)、電流密度低、不沉淀以及化學穩定性好等諸多優點[13-15]。巨電流變液的成功研制，極大的推動了電流變液在工程各個領域的應用，使電流變材料及其阻尼器件的產品化和商業化逐步成為現實。

圖2 尿素包覆的草酸氧鈦鋇顆粒電流變液屈服強度與電場強度的關系

2 電流變液振動控制器件研究

電流變流體器件的主要優點在于能耗小、裝置簡單、成本低、響應速度快。其既可用于自適應結構，也可用于一般的阻尼器，配以控制系統可實現高精度的振動控制。圖3為電流變液器件工作原理圖。國外已經在電流變液用于振動控制的研究上做了大量的工作，早在20世紀80年代初就開始了采用電流變液為工作介質的可調阻尼懸架減振器的研究。圖4為Sung Ryong Hong等人設計的基于電流變液的阻尼器[16]。Murray Sturk等人研制的電流變減振器內部設置了5個鋁制同心導向套筒，整個套件以空心銅制活塞桿為軸，充當活塞[17]。Lubrizol公司研制的半主動電流變液汽車懸架系統在福特汽車公司進行了道路試驗，極大的改善了汽車的平穩性，取得了良好的效果。美國內華達大學已經研制出了可安裝在橋梁及高速公路支架下的電流變液減振器，以此來降低地震造成的損失。此外，國外學者曾提出，在高層建筑或核反應堆的基地中放置電流變液減振裝置陣列，在狂風中使電流變液固化，增強建筑物的抗風能力；地震時使電流變液液化，建筑物浮在上面，以獲得最好的抗震效果[18]。

圖3 電流變體器件工作原理圖

圖4 基于電流變液的阻尼器

在國內，孟光對電流變阻尼器用于懸臂轉子振動控制進行了實驗研究，發現振幅隨電場強度的增加而減少，電流變液阻尼器的剛度隨電壓的增大而增大。魏宸官等在工程減振及汽車風扇的柔性聯軸器應用方面進行了研究，并申請了兩項電流變減振器專利。李天劍、高晶敏等研制了三筒式結構的電流變減振器。邱泉水等研究了電流變液減振器在深孔顫振控制中的減振作用，通過試驗驗證發現鉆桿的振動和被加工孔的表面粗糙度值都明顯減小。

3 電流變液在機器人振動控制的應用

機器人柔性關節及臂桿的低頻振動大大降低了位置控制或力控制精度，降低了機器人控制的穩定性、可靠性和工作效率，同時可能頻繁激發系統共振，促使結構過早疲勞破壞，影響結構使用壽命，所以柔性機器人振動控制的解決方法一直以來就是國內外機器人技術研究的熱點和重點。

機器人關節和臂桿的振動控制采用主動和被動兩種模式。目前主動控制主要是建立在控制對象的模型及控制算法的基礎上，通過外部能量的輸入以獲得期望的阻尼、剛度特性，最終抑制柔性機器人的動態響應，這種控制模式對于動作簡單，振動源單一等工況非常適合，對于機器人的復雜動作無法建立精確的數學模型，計算結果與實際振動輸出相差甚遠，無法單獨滿足機器人機械臂的抑振控制。被動控制則是通過選用耗能或儲能材料，建立抑振結構系統，吸收振動能，達到降低柔性體彈性變形、控制結構振動的目的[19-21]。電流變液阻尼器在機器人振動控制的應用可以說是一種結合主動和被動的振動控制模式，它是利用填充在其中的電流變液在電場作用下表觀出黏度變化，使阻尼力實現無級調節，從而可以根據機器人振動狀態，自動調節阻尼器的結構參數或阻尼器的振動狀態，能夠有效的抑制機械臂不同工況下多個頻率的振動[22-27]。同時由于電流變液具有響應速度極快的特點，電流變液阻尼器可以快速高效地抑制機器人柔性關節所產生的振動，實現機器人高度精確的位置控制。這樣還可以在技術上解決在機器人結構設計時所面臨的既要保證機器人振動控制的可靠性要求和又要實現機器人輕型化、精密化目標的矛盾。在20世紀80年代末期，國外的Gandhi[28]等人就曾將電流變體應用于柔性機器人的振動控制，通過實驗驗證發現機器人末端執行器的運動精度得到了明顯提高。最近，北京航空航天大學的黃冉等人對基于電流變液的單一自由度機械臂進行了半閉環控制系統的研究[29]。圖5為電流變液柔性驅動控制示意圖。該系統的基本控制系統包括：驅動電機、減速裝置、電流變阻尼器和操縱設備，電流變液阻尼器下部連接操縱設備，上部連接固定外框。通過仿真計算得出電流變液作為可變阻尼可明顯的抑制機械臂的共振現象，并將這種新型的控制系統與傳統的PD控制系統進行對比分析可以看出與傳統的PD系統相比頻率響應特性明顯改善，特別在反共振頻率段，同時電流變液控制的響應速度優于傳統PD控制，而且殘余振動得到了良好地抑制。

圖5 基于電流變阻尼柔性驅動圖[29]

4 應用前景

隨著中國制造2025戰略規劃的出臺，智能制造將取代中國傳統的加工制造模式，引發國內新一輪的工業革命，其中機器人發揮著重要作用，因此在規劃中明確提出了工業機器人發展的要求：“圍繞汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業機器人、特種機器人，以及醫療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人應用需求，積極研發新產品，促進機器人標準化、模塊化發展，擴大市場應用。突破機器人本體、減速器、伺服電機、控制器、傳感器與驅動器等關鍵零部件及系統集成設計制造等技術瓶頸”。

可以看到，電流變液作為一種性能優越的智能材料，并且基于電流變液阻尼器的阻尼無級可調，響應速度快這一特點，其將具有廣泛的應用前景。通過國內外電流變液阻尼器的應用研究描述，表明了其在機器人振動控制方面的應用具有可行性，尤其是巨電流變液成功研制，推進了電流變液技術在機器人等工業領域的應用。目前，不管性能如何的電流變液材料及其器件裝置，大都停留在實驗室的科研階段，真正能夠在機器人振動控制中應用的幾乎沒有，本文認為電流變液阻尼裝置得以在機器人領域得到成功應用甚至得以推廣，需要解決以下幾點技術問題：(1)機器人會在高溫等較為惡劣的環境條件下工作，高溫會使熱穩定性不夠的電流變液失效，從而影響機器人的振動控制，所以需要進一步完善電流變效應的機理，研發熱穩定性更好的電流變液；(2)為了能夠和機械臂結構耦合匹配，滿足機器人的最佳抑振要求，還要針對電流變液的特性開展阻尼裝置的結構、反饋系統以及電子控制系統設計；(3)出于現代機器人輕型、緊湊、高精密的發展趨勢要求，體積小、重量輕的小型高壓電源的設計制造以及在機器人上的配置方式也是需要亟待解決的問題。

5 結束語

電流變液技術相對于傳統材料技術新穎，性能突出，電流變液阻尼系統裝置適用于柔性關節機器人機械臂各種振動狀態，同時相對其他的振動控制響應迅捷，控制精確。電流變液阻尼系統裝置在柔性關節機器人上的運用，可以大幅提高當前機器人作業能力，降低機器人制造企業制造成本，提升機器人機械臂等關鍵部件的疲勞壽命，縮短機器人應用企業的設備維修時間和設備長期投資成本，提升制造行業的核心競爭力。

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Application of Electrorheological Fluid and Its Devices in Robots

XU Heng1,2,SHEN Jingfeng1,XIE Jingmao2,ZHANG Shiyue2

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

The intelligent material of electrorheological fluid has extensive application prospect in many industrial areas because its rheological characteristics can be quickly and continuously adjusted under the effect of electric field. After a review of the electrorheological fluid research, this paper introduces the application of electrorheological fluids in the robot vibration control. The technical problems that the electrorheological fluids and their damping device can be popularized and applied in robots are discussed. The potential application of electrorheological fluid in the robot vibration control is suggested.

electrorheological fluid; robot; damper

2016- 05- 18

徐衡(1988-)，男，碩士研究生。研究方向：機械振動。沈景鳳(1968-)，女，副教授。研究方向：機械設計與理論等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.053

TP242；TB381

A

1007-7820(2017)05-199-04