chwytak, miękki robot, elastomery magnetoreologiczne, materiały magnetoreologiczne, model
ripper, soft robot, magnetorheological elastomers, magnetorheological materials, model
Temat niniejszej rozprawy dotyczy opracowania koncepcji prototypu miękkiego chwytaka wykorzystującego elastomery magnetoreologiczne (MRE). Autor rozpoczął rozprawę od przeglądu literatury dotyczącej materiałów inteligentnych, w szczególności materiałów MR (cieczy i elastomerów) oraz ich zastosowań w różnych dziedzinach nauki i techniki, w tym w robotyce. Na podstawie tej analizy sformułowano cele oraz tezy badawcze.
W celu zrozumienia zjawisk rządzących zachowaniem elastomerów MR opracowano dwa modele (statyczny i dynamiczny) mikromechaniczne opisujące ich zachowanie w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Wykorzystując oba modele, przeprowadzono symulacje numeryczne w środowisku MATLAB, analizując zachowanie elastomerów w trybie ściskania i rozciągania. Zbadano również wpływ wybranych parametrów modeli na zachowanie modelu. Wyniki potwierdziły, że sztywność materiału wzrasta wraz ze wzrostem natężenia pola magnetycznego lub indukcji magnetycznej.
Kolejne części rozprawy dotyczą głównie badań doświadczalnych w określonych trybach pracy MRE. A zatem, Autor przedstawia wyniki badań doświadczalnych kolejno w trybach: rozciągania, ściskania, pola aktywnego. W przypadku trybu rozciągania, w celu realizacji doświadczeń zaprojektowano i wykonano stanowisko badawcze. Wykonano próbki elastomerów i wykorzystano je w badaniach w tym trybie. Prace doświadczalne w tymże trybie pracy uzupełniają symulacje z wykorzystaniem modelu fenomenologicznego. Autor przeanalizował kilka popularnych modeli fenomenologicznych i na podstawie wyników wstępnych badań wybrał histerezowy model Dahla. Opracował algorytm identyfikacji parametrów tego modelu i zaimplementował go w środowisku MATLAB. Wyniki obliczeń wykazały istotny wzrost zarówno współczynnika sztywności, jak i tłumienia. Oryginalny model został następnie zmodyfikowany w celu uwzględnienia nieliniowych charakterystyk siła-przemieszczenie poprzez zastąpienie członu liniowego funkcją tangens. Parametry nowego modelu zostały oszacowane przy użyciu wcześniej opracowanego algorytmu. Otrzymane wartości średniego błędu kwadratowego wykazały, że zmodyfikowany model lepiej odwzorowuje dane eksperymentalne wykazujące silną nieliniowość, ale jest mniej skuteczny w przypadku danych o charakterze liniowym.
Następnie, w celu realizacji kolejnych serii doświadczeń przeprowadzono badania zachowania materiału MRE w trybie ściskania oraz w trybie pola aktywnego. Autor zaprojektował i wykonał dedykowane stanowisko badawcze oraz przeprowadzono odpowiednie testy z jego użyciem. Stanowisko badawcze umożliwia precyzyjne sterowanie natężeniem pola magnetycznego oraz siłą oddziałującą na próbkę. Dodatkowo, w środowisku FEMM 4.2 przeprowadzono symulacje magnetostatyczne w celu analizy rozkładu strumienia magnetycznego w obrębie stanowiska badawczego (komórki magnetycznej). W trybie pola aktywnego przeprowadzono testy statyczne i dynamiczne z użyciem odpowiednio skokowych i sinusoidalnych wymuszeń. Zaproponowano model parametryczny, oparty na jednym z wcześniej opracowanych modeli mikromechanicznych, który zweryfikowano na podstawie danych eksperymentalnych. Oszacowano wartości parametrów modelu, wykazując ich zależność od natężenia pola magnetycznego. Testy ściskania przeprowadzono z użyciem trójkątnych i sinusoidalnych przebiegów wymuszających. Wyniki wykazały rosnącą nieliniowość wraz ze wzrostem amplitudy wymuszenia oraz brak istotnych zmian w zależności od częstotliwości w analizowanym zakresie wymuszeń. Opisany uprzednio model parametryczny został również wykorzystany w modelowaniu zachowania elastomeru pod wpływem wymuszeń zewnętrznych. Podsumowując, wyniki symulacji wykazały dobrą zgodność z danymi eksperymentalnymi.
Na zakończenie zaprojektowano i wykonano prototyp miękkiego chwytaka z wykorzystaniem elastomerów magnetoreologicznych oraz opracowano dedykowane stanowisko testowe. Otrzymane wyniki wykazały liniową zależność indukcji magnetycznej od natężenia prądu z minimalną lub niemal zerową histerezą. Zbadano również dynamiczną reakcję chwytaka na szybkie zmiany prądu, uzyskując czasy odpowiedzi (otwierania i zamykania przesłony) rzędu 0.1–0.2 sekundy. Chwytak poddano dalszym testom, których celem było zbadanie możliwości chwytaka w kontekście manipulowania obiektami o różnych kształtach i wymiarach. Finalnie, na podstawie wyników testów określono wartości prądu niezbędne do chwytania i zwalniania manipulowanych obiektów.
The subject of this work was the development of a proof-of-concept prototype of a soft gripper based on magnetorheological elastomers (MREs). The authors proceeds with a literature review on smart materials, particularly magnetorheological materials and their applications in various fields including robotics. Based on this analysis, the research objectives and hypotheses were formulated.
To investigate the influence of magnetic fields on MREs, two micromechanical models for describing their steady-state and dynamic behavior were developed, respectively. Using these models, numerical simulations were conducted in the MATLAB environment to analyze the behavior of the elastomers in compression and tension modes, respectively, with and without the magnetic field applied. The impact of various model parameters on the simulation results was also examined. The findings confirmed that the stiffness of the material increases with the magnetic field strength or flux density.
The modeling chapter is followed by a series of experiments with fabricated MRE samples in compression and tension modes, respectively. Again, the experiments were performed under the influence of magnetic fields. The experimental work was followed by phenomenological modeling of the MRE behaviour. To begin with, several phenomenological models were investigated, and a Dahl hysteretic model was selected for further works. An algorithm for the Dahl model's parameter identification was developed and implemented in MATLAB. The results of the identification process showed significant increase in both the stiffness ratio and the damping coefficient. The original model was then modified to account for nonlinear force-displacement characteristics by replacing the linear term with a tangent function. The parameters for this new model were identified using the previously developed algorithm. The resulting mean square error values demonstrated that the modified model provided a better fit to experimental data exhibiting significant nonlinearity, though it was less effective in near-linear scenarios.
To further investigate the MRE material's behavior under compression and in active field conditions, respectively, a dedicated test stand was constructed and a series of appropriate tests performed. This setup allowed for a precise control of the magnetic field intensity and the force application to the MRE sample. Moreover, magnetostatic simulations were conducted in the FEMM 4.2 environment to analyze the magnetic flux distribution within the test stand. In active field mode conditions, both static and dynamic tests were performed using step and sinusoidal excitations, respectively. A parametric model, based on one of the previously developed micromechanical models, was proposed and verified against the experimental data. The model parameters were identified and shown to vary with the magnetic field level applied. Additional compression tests were also conducted using triangular and sinusoidal excitation inputs. The results revealed increasing nonlinearity with higher excitation amplitudes and no significant frequency-dependent effects within the tested stimuli range. The previously described parametric model was also used to simulate the elastomer's behavior when subjected to the external stimuli. The simulation results showed good agreement with the experimental data. Model parameters remained consistent across the test conditions.
Finally, a soft gripper prototype utilizing MREs was designed and fabricated, and a dedicated test rig was designed and developed by the author. The results obtained showed a linear relationship with minimal or almost no hysteresis. The gripper’s dynamic response to rapid changes in current was also tested, revealing the opening/closing response times of 0.1–0.2 seconds. The gripper was further tested under triangular excitation while handling cylindrical, hexagonal, and spherical objects of various sizes. Based on the test results, the current levels required to grasp and release the manipulated objects were determined.
