小顆粒物（particles,granular material）是我們生活中很常見(jiàn)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(dú)特的性質(zhì)，它們可以變得猶如巖石一般堅(jiān)硬，也可以變得像液體一樣四處“流動(dòng)”。基于顆粒物的物理特性，香港大學(xué)的陳永華教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)提出了“顆粒物傳動(dòng)（particle transmission）”的概念，并基于“顆粒物傳動(dòng)“原理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了“雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)”和“軟體機(jī)械手”，兩個(gè)研究成果均于去年發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)刊物《IEEE機(jī)電一體化學(xué)報(bào)》（IEEE Transactions onMechatronics）。這種新的傳動(dòng)方法啟發(fā)自液壓或者氣壓傳動(dòng)，并且和后兩者相比有著它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：1. 不需要專用的密封，不容易泄露；2. 對(duì)溫度變化不敏感；3. 可以有剛度的大范圍變化4. 吸收震動(dòng)等。

1.顆粒物傳動(dòng)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(jiàn)，家中儲(chǔ)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(gè)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(kāi)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(gè)有趣并且有實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用，顆粒物在“流動(dòng)”狀態(tài)下可以代替液壓和氣動(dòng)來(lái)作為傳動(dòng)介質(zhì)，設(shè)計(jì)由顆粒物驅(qū)動(dòng)的“雙足機(jī)器人”和“軟體抓手”。

類似機(jī)器貓手的”萬(wàn)能抓手”

液壓和氣壓傳動(dòng)都是機(jī)器人中常見(jiàn)的傳動(dòng)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(dòng)方式，這種傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)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(jì)的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)28個(gè)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(dòng)。

液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)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(lái)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(dòng)性。比如我們抓一把沙子，一把豆子，平攤手掌的話會(huì)從指縫流走。同時(shí)，如果對(duì)松散的顆粒物施加壓力，那么顆粒物之間便會(huì)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(jiàn)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(dòng)”的綠豆

來(lái)自香港大學(xué)陳永華教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)想到了是否可以借助顆粒物的流動(dòng)性，將它作為媒介，達(dá)到類似于液壓傳動(dòng)或者氣體傳動(dòng)的效果，從而進(jìn)行動(dòng)力的傳遞。應(yīng)用顆粒物傳動(dòng)設(shè)計(jì)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(bào)》（IEEETransactions on Mechatronics）。

顆粒物傳動(dòng)設(shè)計(jì)的基本原理

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

1. 和氣體液體傳動(dòng)相比，顆粒物傳動(dòng)不需要過(guò)于嚴(yán)格的密封，因此可以簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

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

3. 顆粒物對(duì)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(dòng)可以起到減震的效果。

研究者們?cè)O(shè)計(jì)了兩款具體的應(yīng)用，來(lái)驗(yàn)證顆粒物傳動(dòng)這種想法的可行性，包括一個(gè)“小型雙足機(jī)器人”和“軟體機(jī)械手”。在這兩款設(shè)計(jì)中，均采用了顆粒物傳動(dòng)的設(shè)計(jì)。今天小編就幫大家解讀一下顆粒物傳動(dòng)是如何被應(yīng)用于設(shè)計(jì)這兩種機(jī)器人系統(tǒng)的。

顆粒物傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)的這兩個(gè)應(yīng)用的展示，下一部分會(huì)帶大家了解具體的設(shè)計(jì)。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(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

顆粒物傳動(dòng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)

呆萌的雙足機(jī)器人

顆粒物傳動(dòng)的軟體抓手抓取

2. 顆粒物傳動(dòng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1顆粒物傳動(dòng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

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

顆粒物傳動(dòng)的幾種變化

顆粒物傳動(dòng)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得知，顆粒物傳動(dòng)比隨著輸入力的速度增加而增大，同時(shí)，通過(guò)不同角度的傳動(dòng)測(cè)試，顆粒物傳動(dòng)受到重力的影響比較小。

顆粒物傳動(dòng)的測(cè)試

研究者設(shè)計(jì)的顆粒物傳動(dòng)關(guān)節(jié)如圖，在一個(gè)U形管中填入一定的顆粒物（例如小玻璃珠），然后用兩個(gè)活塞密封它。活塞連接到一個(gè)輸出軸。兩個(gè)活塞由一個(gè)輸入的凸輪進(jìn)行周期性的上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即可以被用作機(jī)器人的關(guān)節(jié)。

基于顆粒物傳動(dòng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

當(dāng)顆粒物傳動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)在遇到外界的大沖擊的時(shí)候，顆粒物之間會(huì)被互相擠壓，“流動(dòng)”的顆粒物便會(huì)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(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)了一個(gè)雙足行走機(jī)器人，簡(jiǎn)單展示了這種傳動(dòng)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(dòng)的軟體抓手

顆粒物傳動(dòng)的另一個(gè)應(yīng)用便是軟體抓手了。傳統(tǒng)的氣動(dòng)軟體手指由壓縮氣體驅(qū)動(dòng)，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(huì)朝著限制層彎曲。假設(shè)把一個(gè)個(gè)的氣體分子具化，增大的壓強(qiáng)可以看作是氣體分子對(duì)于氣囊內(nèi)壁的沖擊力增大了。

顆粒物傳動(dòng)的軟體致動(dòng)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(jì)的彈性氣囊中，用一個(gè)外力去不斷推動(dòng)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(lái)越大，由此便會(huì)產(chǎn)生像是氣動(dòng)軟體手指一樣的彎曲。但是相比于氣動(dòng)，顆粒物驅(qū)動(dòng)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(duì)顆粒物的反作用壓力也逐漸增大，從而顆粒物會(huì)發(fā)生阻塞效應(yīng)（jamming），軟體手指的剛度也會(huì)成倍的增加。

通過(guò)一系列的抓取實(shí)驗(yàn)測(cè)試，顆粒物驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(dòng)的軟體抓手抓取

為了更準(zhǔn)確的探討顆粒物傳動(dòng)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(cè)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(dòng)的軟體手指的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于水和氣體驅(qū)動(dòng)的。

顆粒物傳動(dòng)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(lái)作為傳動(dòng)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(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，就可以發(fā)現(xiàn)一些原本毫無(wú)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常基礎(chǔ)的物理現(xiàn)象，比如今天所探討的顆粒物的流動(dòng)性和阻塞效應(yīng)，可以開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出具有創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)，甚至有一些超過(guò)傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)。
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