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A variable stiffness omnidirectional chain based on positive-pressure fiber jamming

刚度 抗弯刚度 干扰 弯曲半径 滑倒 材料科学 弯曲 结构工程 充气的 滑脱 纤维 机械 全向天线 惯性 内压 弯矩 状态变量 半径 剪切(地质) 有限元法 工作(物理) 弹性模量 扭矩 压力传感器 声学
作者
Shuai Zhang,Jiantao Yao
出处
期刊:Mechanical Sciences [Copernicus Publications]
卷期号:17 (1): 481-493
标识
DOI:10.5194/ms-17-481-2026
摘要

Abstract. This paper presents the design, analytical modeling, and prototype-level experimental assessment of a variable stiffness omnidirectional chain (VSOC) based on positive-pressure fiber jamming. To address the intrinsic pressure limitation (∼ 1 atm) of conventional vacuum-based jamming, an internal inflatable bladder is used to compact a fiber bundle in a rigid chain link, thereby providing a broader tunable pressure range for stiffness modulation. A mechanics-based model is developed for a fiber jamming rod under bending, defining the jamming, transition, and slipping states; deriving the critical shear forces associated with state transitions; and introducing a pressure-dependent equivalent area moment of inertia to describe the variation in stiffness. This framework is then adapted to the two primary bending modes of VSOC. Three-point bending experiments over 0–300 kPa are used to evaluate whether the model can capture the observed pressure-dependent behavior of the present prototype. Effective parameters, including an inter-fiber friction coefficient (μ = 0.3665) and an effective fiber modulus (E = 4.85 GPa), identified from the jamming pressure p = 0 kPa bending response, are used in the present structure-level model. Within the tested pressure range, the results indicate that critical loads and slipping state stiffness increase approximately linearly with jamming pressure, whereas jamming state stiffness is comparatively insensitive to pressure and is primarily governed by geometry. This work bridges design, theory, and experiment to develop a high-performance variable stiffness structure with significant potential for soft robotics and wearable devices.

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