徐 衡，沈景鳳，謝景茂，張?jiān)姁?/p>

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用

徐 衡1,2，沈景鳳1，謝景茂2，張?jiān)姁?

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(chǎng)作用下能夠快速、連續(xù)地調(diào)節(jié)，因此在各工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在簡(jiǎn)要介紹電流變液研究的基礎(chǔ)上，概述了電流變液器件國(guó)內(nèi)外研究情況，并介紹了電流變液在機(jī)器人振動(dòng)控制方面的研究應(yīng)用，探討了電流變液及其阻尼裝置在機(jī)器人領(lǐng)域得以推廣應(yīng)用需要解決的技術(shù)問題，并展望了電流變液技術(shù)在機(jī)器人振動(dòng)控制中的應(yīng)用前景。

電流變液；機(jī)器人；阻尼器

電流變液(Electrorheological Fluid, ERF)是由高介電常數(shù)、電導(dǎo)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(yīng)的軟物質(zhì)智能材料。在零電場(chǎng)下，顆粒在基液中呈無序隨機(jī)分布，電流變液具有良好的流動(dòng)性，呈現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì)；當(dāng)施加外電場(chǎng)時(shí)，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(xiàn)出賓漢流體的性質(zhì)；撤除電場(chǎng)后，電流變液又恢復(fù)流動(dòng)性[1-5],圖1為電場(chǎng)作用下的電流變液中導(dǎo)電微粒排列變化示意圖。電流變液這種可逆、能耗低、響應(yīng)快(一般為ms級(jí))、連續(xù)無級(jí)變化和“軟硬”可調(diào)的奇特性質(zhì)在機(jī)電一體化的自適應(yīng)控制工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，尤其適合于智能阻尼、減振裝置的制備，在機(jī)器人、車輛工程、精密加工等相關(guān)領(lǐng)域呈現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景[6-10]。電流變液阻尼裝置具有響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制、減震降噪能力強(qiáng)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)構(gòu)智能化振動(dòng)控制的新一代高性能裝置。電流變液及其振動(dòng)控制方面的研究在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)掀起了熱潮，但在機(jī)器人振動(dòng)控制方面應(yīng)用研究較少，尤其在我國(guó)，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(shù)及其器件應(yīng)用研究現(xiàn)狀并展望了在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景，希望以此來引起國(guó)內(nèi)機(jī)器人領(lǐng)域的研究技術(shù)人員對(duì)電流變液技術(shù)的關(guān)注和重視。

圖1 導(dǎo)電微粒在電場(chǎng)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(lǐng)域正在形成的一門分支學(xué)科。其將高技術(shù)傳感器或敏感元件與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料和功能材料結(jié)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(dú)特的智能流變材料，在外電場(chǎng)的作用下電流變液的表觀黏度發(fā)生巨大變化，這種現(xiàn)象稱之為電流變效應(yīng)。在20世紀(jì)40年代，美國(guó)學(xué)者Winslow首次使用一種介電固體顆粒和絕緣性良好的基礎(chǔ)液制成電流變液[11]。在這之后國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了對(duì)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(dǎo)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(qiáng)度低、溫度工作范圍窄以及沉降穩(wěn)定性低等缺點(diǎn)，未能達(dá)到工程應(yīng)用的需求，阻礙了它的應(yīng)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(chǔ)，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(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了傳統(tǒng)靜態(tài)屈服應(yīng)力的理論預(yù)測(cè)上限，屈服強(qiáng)度超過100 kPa，如圖2所示[12]。同時(shí)該電流變液還具有溫度穩(wěn)定性好(10～120 ℃)、響應(yīng)時(shí)間快(<10 ms)、電流密度低、不沉淀以及化學(xué)穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[13-15]。巨電流變液的成功研制，極大的推動(dòng)了電流變液在工程各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使電流變材料及其阻尼器件的產(chǎn)品化和商業(yè)化逐步成為現(xiàn)實(shí)。

圖2 尿素包覆的草酸氧鈦鋇顆粒電流變液屈服強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

2 電流變液振動(dòng)控制器件研究

電流變流體器件的主要優(yōu)點(diǎn)在于能耗小、裝置簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)速度快。其既可用于自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，也可用于一般的阻尼器，配以控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高精度的振動(dòng)控制。圖3為電流變液器件工作原理圖。國(guó)外已經(jīng)在電流變液用于振動(dòng)控制的研究上做了大量的工作，早在20世紀(jì)80年代初就開始了采用電流變液為工作介質(zhì)的可調(diào)阻尼懸架減振器的研究。圖4為Sung Ryong Hong等人設(shè)計(jì)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(nèi)部設(shè)置了5個(gè)鋁制同心導(dǎo)向套筒，整個(gè)套件以空心銅制活塞桿為軸，充當(dāng)活塞[17]。Lubrizol公司研制的半主動(dòng)電流變液汽車懸架系統(tǒng)在福特汽車公司進(jìn)行了道路試驗(yàn)，極大的改善了汽車的平穩(wěn)性，取得了良好的效果。美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)已經(jīng)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(guó)外學(xué)者曾提出，在高層建筑或核反應(yīng)堆的基地中放置電流變液減振裝置陣列，在狂風(fēng)中使電流變液固化，增強(qiáng)建筑物的抗風(fēng)能力；地震時(shí)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(guó)內(nèi)，孟光對(duì)電流變阻尼器用于懸臂轉(zhuǎn)子振動(dòng)控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)振幅隨電場(chǎng)強(qiáng)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(fēng)扇的柔性聯(lián)軸器應(yīng)用方面進(jìn)行了研究，并申請(qǐng)了兩項(xiàng)電流變減振器專利。李天劍、高晶敏等研制了三筒式結(jié)構(gòu)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(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)鉆桿的振動(dòng)和被加工孔的表面粗糙度值都明顯減小。

3 電流變液在機(jī)器人振動(dòng)控制的應(yīng)用

機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)及臂桿的低頻振動(dòng)大大降低了位置控制或力控制精度，降低了機(jī)器人控制的穩(wěn)定性、可靠性和工作效率，同時(shí)可能頻繁激發(fā)系統(tǒng)共振，促使結(jié)構(gòu)過早疲勞破壞，影響結(jié)構(gòu)使用壽命，所以柔性機(jī)器人振動(dòng)控制的解決方法一直以來就是國(guó)內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

機(jī)器人關(guān)節(jié)和臂桿的振動(dòng)控制采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種模式。目前主動(dòng)控制主要是建立在控制對(duì)象的模型及控制算法的基礎(chǔ)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(jī)器人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這種控制模式對(duì)于動(dòng)作簡(jiǎn)單，振動(dòng)源單一等工況非常適合，對(duì)于機(jī)器人的復(fù)雜動(dòng)作無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際振動(dòng)輸出相差甚遠(yuǎn)，無法單獨(dú)滿足機(jī)器人機(jī)械臂的抑振控制。被動(dòng)控制則是通過選用耗能或儲(chǔ)能材料，建立抑振結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，吸收振動(dòng)能，達(dá)到降低柔性體彈性變形、控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的[19-21]。電流變液阻尼器在機(jī)器人振動(dòng)控制的應(yīng)用可以說是一種結(jié)合主動(dòng)和被動(dòng)的振動(dòng)控制模式，它是利用填充在其中的電流變液在電場(chǎng)作用下表觀出黏度變化，使阻尼力實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)，從而可以根據(jù)機(jī)器人振動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)或阻尼器的振動(dòng)狀態(tài)，能夠有效的抑制機(jī)械臂不同工況下多個(gè)頻率的振動(dòng)[22-27]。同時(shí)由于電流變液具有響應(yīng)速度極快的特點(diǎn)，電流變液阻尼器可以快速高效地抑制機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)所產(chǎn)生的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高度精確的位置控制。這樣還可以在技術(shù)上解決在機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所面臨的既要保證機(jī)器人振動(dòng)控制的可靠性要求和又要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輕型化、精密化目標(biāo)的矛盾。在20世紀(jì)80年代末期，國(guó)外的Gandhi[28]等人就曾將電流變體應(yīng)用于柔性機(jī)器人的振動(dòng)控制，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)精度得到了明顯提高。最近，北京航空航天大學(xué)的黃冉等人對(duì)基于電流變液的單一自由度機(jī)械臂進(jìn)行了半閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究[29]。圖5為電流變液柔性驅(qū)動(dòng)控制示意圖。該系統(tǒng)的基本控制系統(tǒng)包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速裝置、電流變阻尼器和操縱設(shè)備，電流變液阻尼器下部連接操縱設(shè)備，上部連接固定外框。通過仿真計(jì)算得出電流變液作為可變阻尼可明顯的抑制機(jī)械臂的共振現(xiàn)象，并將這種新型的控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的PD控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析可以看出與傳統(tǒng)的PD系統(tǒng)相比頻率響應(yīng)特性明顯改善，特別在反共振頻率段，同時(shí)電流變液控制的響應(yīng)速度優(yōu)于傳統(tǒng)PD控制，而且殘余振動(dòng)得到了良好地抑制。

圖5 基于電流變阻尼柔性驅(qū)動(dòng)圖[29]

4 應(yīng)用前景

隨著中國(guó)制造2025戰(zhàn)略規(guī)劃的出臺(tái)，智能制造將取代中國(guó)傳統(tǒng)的加工制造模式，引發(fā)國(guó)內(nèi)新一輪的工業(yè)革命，其中機(jī)器人發(fā)揮著重要作用，因此在規(guī)劃中明確提出了工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的要求：“圍繞汽車、機(jī)械、電子、危險(xiǎn)品制造、國(guó)防軍工、化工、輕工等工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人，以及醫(yī)療健康、家庭服務(wù)、教育娛樂等服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用需求，積極研發(fā)新產(chǎn)品，促進(jìn)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，擴(kuò)大市場(chǎng)應(yīng)用。突破機(jī)器人本體、減速器、伺服電機(jī)、控制器、傳感器與驅(qū)動(dòng)器等關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)制造等技術(shù)瓶頸”。

可以看到，電流變液作為一種性能優(yōu)越的智能材料，并且基于電流變液阻尼器的阻尼無級(jí)可調(diào)，響應(yīng)速度快這一特點(diǎn)，其將具有廣泛的應(yīng)用前景。通過國(guó)內(nèi)外電流變液阻尼器的應(yīng)用研究描述，表明了其在機(jī)器人振動(dòng)控制方面的應(yīng)用具有可行性，尤其是巨電流變液成功研制，推進(jìn)了電流變液技術(shù)在機(jī)器人等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)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(shí)驗(yàn)室的科研階段，真正能夠在機(jī)器人振動(dòng)控制中應(yīng)用的幾乎沒有，本文認(rèn)為電流變液阻尼裝置得以在機(jī)器人領(lǐng)域得到成功應(yīng)用甚至得以推廣，需要解決以下幾點(diǎn)技術(shù)問題：(1)機(jī)器人會(huì)在高溫等較為惡劣的環(huán)境條件下工作，高溫會(huì)使熱穩(wěn)定性不夠的電流變液失效，從而影響機(jī)器人的振動(dòng)控制，所以需要進(jìn)一步完善電流變效應(yīng)的機(jī)理，研發(fā)熱穩(wěn)定性更好的電流變液；(2)為了能夠和機(jī)械臂結(jié)構(gòu)耦合匹配，滿足機(jī)器人的最佳抑振要求，還要針對(duì)電流變液的特性開展阻尼裝置的結(jié)構(gòu)、反饋系統(tǒng)以及電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；(3)出于現(xiàn)代機(jī)器人輕型、緊湊、高精密的發(fā)展趨勢(shì)要求，體積小、重量輕的小型高壓電源的設(shè)計(jì)制造以及在機(jī)器人上的配置方式也是需要亟待解決的問題。

5 結(jié)束語

電流變液技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)材料技術(shù)新穎，性能突出，電流變液阻尼系統(tǒng)裝置適用于柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人機(jī)械臂各種振動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)相對(duì)其他的振動(dòng)控制響應(yīng)迅捷，控制精確。電流變液阻尼系統(tǒng)裝置在柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人上的運(yùn)用，可以大幅提高當(dāng)前機(jī)器人作業(yè)能力，降低機(jī)器人制造企業(yè)制造成本，提升機(jī)器人機(jī)械臂等關(guān)鍵部件的疲勞壽命，縮短機(jī)器人應(yīng)用企業(yè)的設(shè)備維修時(shí)間和設(shè)備長(zhǎng)期投資成本，提升制造行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)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(jī)械振動(dòng)。沈景鳳(1968-)，女，副教授。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與理論等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.053

TP242；TB381

A

1007-7820(2017)05-199-04