軟體機器人用多孔聚合物水凝膠的摩擦接觸非線性行為*

陳康 沈煜年

(南京理工大學理學院力學與科學工程系, 南京 210094)

1 引 言

作為一種具有網狀結構的高分子聚合物材料[1], 軟體機器人用水凝膠在工程領域中存在著大量應用[2,3].軟體機器人設計中的一些智能結構常需要利用水凝膠的摩擦接觸[4]來實現一定的功能.例如: 水凝膠手指結構抓取小球[5]、軟體機器人行走[6]、水凝膠仿生臂關節的接觸[7]等.然而, 軟體機器人用水凝膠材料質地柔軟[8,9], 富含水分[10], 發生接觸行為時, 接觸區的變形較大.同時外部形態的變化會影響內部水溶液的狀態, 使水凝膠的力學性能發生顯著改變, 進而反作用于接觸狀態, 導致摩擦接觸行為異常復雜[11,12].接觸響應不僅會影響軟體機器人的操作精度, 而且直接關系到執行任務的成敗, 甚至會導致軟體結構的失效[13,14].

軟體機器人用水凝膠材料發生接觸行為時, 接觸區域通常會發生局部大變形, 導致基于線彈性和小變形的經典Hertz接觸理論的計算結果可能會產生較大誤差.Frey等[15]使用顯微壓痕方法測量水凝膠楊氏模量, 用顯微鏡測量微球體正向壓入水凝膠的壓痕深度, 并通過經典Hertz接觸理論推導楊氏模量.若將變形量控制在小變形范圍內, 忽略表面摩擦, 一定程度上可避免經典Hertz接觸理論的局限性.對于水凝膠接觸大變形問題, Long等[16]利用ABAQUS有限元軟件結合neo-Hookean模型, 數值模擬了水凝膠正向壓痕實驗, 并對經典Hertz接觸理論進行了修正, 得到了適用于特定條件下的簡單經驗公式.但對……