This paper introduces a novel variable stiffness mechanism termed Helically Wound Structured Electrostatic Layer Jamming (HWS-ELJ) and systematically investigates its potential applications in variable stiffness robotic finger design. The proposed method utilizes electrostatic attraction to enhance interlayer friction, thereby suppressing relative sliding and enabling tunable stiffness. Compared with conventional planar ELJ, the helical configuration of HWS-ELJ provides exponentially increasing stiffness adjustment with winding angle, achieving significantly greater stiffness enhancement for the same electrode contact area while reducing the required footprint under equivalent stiffness conditions. Considering the practical advantage of voltage-based control, a series of experimental tests under different initial force conditions were conducted to evaluate the stiffness modulation characteristics of HWS-ELJ. The results demonstrated its rational design and efficacy, with outcomes following the deduced theoretical trends. Furthermore, a robotic finger prototype integrating HWS-ELJ was developed, demonstrating voltage-driven stiffness modulation and confirming the feasibility of the proposed robotic variable stiffness mechanism.


翻译:本文提出了一种称为螺旋缠绕结构静电层阻塞的新型变刚度机构,并系统研究了其在变刚度机器人手指设计中的潜在应用。该方法利用静电吸引力增强层间摩擦力,从而抑制相对滑动并实现可调刚度。与传统平面ELJ相比,HWS-ELJ的螺旋结构通过缠绕角度实现刚度调节的指数级增长,在相同电极接触面积下获得显著更大的刚度增强效果,同时在等效刚度条件下减少了所需占用空间。考虑到电压控制的实用优势,我们在不同初始力条件下进行了一系列实验测试,以评估HWS-ELJ的刚度调制特性。结果验证了其设计的合理性与有效性,实验数据符合推导的理论趋势。此外,我们开发了集成HWS-ELJ的机器人手指样机,展示了电压驱动的刚度调制能力,证实了所提出机器人变刚度机构的可行性。

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