仿肌肉驅(qū)動器設(shè)計與仿真

尤向榮, 秦現(xiàn)生, 王 偉, 張順琦

(西北工業(yè)大學(xué), 陜西西安 710072)

0 引 言

仿肌肉驅(qū)動器是目前國內(nèi)外仿生研究的熱點,動物肌肉有很多傳統(tǒng)驅(qū)動器沒有或遠達不到的性能,如功率/重量比高, 運動機構(gòu)簡單, 能量可以儲備,以實現(xiàn)強大的爆發(fā)力等。仿肌肉驅(qū)動器的設(shè)計和實現(xiàn)比較有代表的方向有形狀記憶合金(以下簡稱SMA)、電致伸縮聚合物(以下簡稱EAP)、壓電陶瓷(以下簡稱PZT)和氣動人工肌肉(以下簡稱PMA)。 SMA驅(qū)動器的應(yīng)用較多, 文獻[1 -2] 都利用SMA絲實現(xiàn)了對仿生機器人的驅(qū)動, 文獻[3] 介紹了電致伸縮聚合物的驅(qū)動原理,文獻[4]利用壓電陶瓷設(shè)計了壓電直線電動機;氣動人工肌肉種類繁多, 文獻[5] 對氣動人工肌肉的原理及應(yīng)用進行了闡述,文獻[6] 概述了仿肌肉驅(qū)動器的發(fā)展現(xiàn)狀以及各種仿肌肉驅(qū)動器的原理和應(yīng)用。一個好的仿肌肉驅(qū)動器應(yīng)具有優(yōu)秀的驅(qū)動特性和高疲勞壽命,并且一維伸縮、應(yīng)變大、強度好、無噪聲、能量密度大和柔順性好等特征, 仿肌肉驅(qū)動器的研究雖然取得了一些成果,但現(xiàn)有的仿肌肉驅(qū)動器遠未達到上述目標(biāo)。本文通過分析模仿動物骨骼肌的結(jié)構(gòu)和運動形式, 設(shè)計了一種基于電磁場的新型仿肌肉驅(qū)動器,并通過電磁場分析對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。

1 動物肌肉結(jié)構(gòu)和工作原理

動物肌肉(骨骼肌)的組織結(jié)構(gòu)如圖1a所示。肌肉的基本單元是肌小節(jié),肌小節(jié)經(jīng)過串聯(lián)組成了肌原纖維,肌原纖維經(jīng)過并聯(lián)組成了肌纖維,肌纖維再經(jīng)過并聯(lián)組成了肌肉。因此肌肉的伸縮其根本在于肌小節(jié)的運動。 H.E.Huxley和A.F.Huxley在1954年分別獨立地提出肌肉收縮的肌絲滑行學(xué)說,該學(xué)說認為:肌小節(jié)的縮短是細肌絲在粗肌絲之間主動地相對滑行結(jié)果[7]。

圖1b描述了肌小節(jié)的兩種運動狀態(tài),上面為伸張狀態(tài), 下面為收縮狀態(tài)。肌小節(jié)兩種狀態(tài)的變化最終導(dǎo)致了肌肉的伸展與收縮。本文設(shè)計的仿肌肉驅(qū)動器就是以此為基礎(chǔ)建立的。

圖1 動物肌肉結(jié)構(gòu)

2 驅(qū)動器設(shè)計

通過圖1可以看到, 單個肌小節(jié)實現(xiàn)的運動比較簡單,只有伸縮兩個狀態(tài)。仿肌肉驅(qū)動器的設(shè)計就是遵循這一原理, 首先是設(shè)計出實現(xiàn)肌小節(jié)伸縮運動的裝置,再通過串并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對肌肉的仿生。

電磁力的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用推動了整個世界的發(fā)展,電動機可以說是現(xiàn)代社會的動力之源, 而且電磁力的理論基礎(chǔ)及應(yīng)用都比較成熟, 所以在設(shè)計仿肌肉驅(qū)動器時首先想到的就是設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)能更好地應(yīng)用電磁力來實現(xiàn)肌小節(jié)的運動。文獻[9] 中涉及到電致伸縮器為仿肌肉驅(qū)動器的設(shè)計提供了一種思路,但是電致伸縮器存在著抗疲勞性差, 電磁場利用不全面等缺點。由于仿肌肉驅(qū)動器要實現(xiàn)一維運動,傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機要實現(xiàn)一維直線運動,必須通過絲杠-螺母機構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運動變換成直線運動, 這損耗了很大一部分能量, 而且響應(yīng)速度很慢。因此傳統(tǒng)電機也很難實現(xiàn)仿肌肉驅(qū)動器的設(shè)計。

但是本文從步進電機中得到了啟發(fā),步進電動機的原理如圖2a所示, 當(dāng)A相通電時,轉(zhuǎn)子的1、3極腳與定子的A相極腳對齊, 當(dāng)B相通電時, 轉(zhuǎn)子的2、4極腳與定子的B相極腳對齊,在A、B相變化中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過了一個角度。在設(shè)計仿肌小節(jié)的結(jié)構(gòu)中,利用步進電動機的原理,把旋轉(zhuǎn)運動的步進電機沿軸向劈開,形成了如圖2b所示的結(jié)構(gòu)。 A相極腳依然和1、3極腳相對齊, B相極腳和2、4 極腳錯開一定的距離,當(dāng)A相通電時,由于電磁力的作用, 使1、3極腳和A相極腳對齊。當(dāng)A相斷電, B相通電時, 2、4極腳和B相極腳對齊,這樣通過控制A、B相的通斷電就實現(xiàn)了類似肌小節(jié)Z線和M線之間的相對伸縮運動。

圖2 仿肌小節(jié)驅(qū)動器原理

根據(jù)以上原理設(shè)計了仿肌小節(jié)驅(qū)動器, 但是在實際機械設(shè)計中發(fā)現(xiàn), 平板式的驅(qū)動器需要的部件較多, 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,這和仿肌肉驅(qū)動器簡單高效的要求是相違背的。因此對機械結(jié)構(gòu)進行了創(chuàng)新設(shè)計,用圓筒型結(jié)構(gòu)代替了平板結(jié)構(gòu), 模型如圖3所示。圓筒型結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、磁路對稱性好、電磁場利用率高、加工方便等優(yōu)點,也提高了能量密度。

圖3 仿肌小節(jié)驅(qū)動器

仿肌小節(jié)驅(qū)動器的靜子[11]和動子是相互分離的,兩者靠電磁力來保證相對的位移。這樣提高了抗疲勞強度, 而且靜子和動子可以看作是彈性非線性系統(tǒng), 這和肌肉是非常類似的。

仿肌肉驅(qū)動器是仿肌小節(jié)驅(qū)動器經(jīng)過串并聯(lián)形成的,如圖4所示。串聯(lián)的形式是上一級的仿肌小節(jié)驅(qū)動器的動子連接下一級的靜子,依次相連。串聯(lián)在一起的肌小節(jié)驅(qū)動器就可以實現(xiàn)和肌原纖維相類似的功能, 通過控制不同肌小節(jié)驅(qū)動器的伸縮狀態(tài), 就可以實現(xiàn)整串的長度、位移以及速度等運動特性。幾串肌小節(jié)驅(qū)動器并聯(lián)在一起就組成了仿肌肉驅(qū)動器。通過控制不同串的伸縮及通斷電狀態(tài), 就可以調(diào)整整個仿肌肉驅(qū)動器對外的輸出力大小。

圖4 仿肌肉驅(qū)動器

3 電磁場有限元分析

仿肌肉驅(qū)動器性能直接取決于電磁場設(shè)計的合理與否, 磁路設(shè)計以及精確預(yù)測電磁力需要對電磁場進行數(shù)值計算和分析。電磁場數(shù)值方法包括有限元法、有限差分法、邊界單元法等, 而比較通用和流行的是有限元法, 并且有許多可以進行有限元分析的軟件, 比較有影響的有:美國Swanson Analysis System的ANSYS有限元產(chǎn)品;美國 MacNcal Schwendlert Corp的MSC/EMS軟件;加拿大Integrated Engineering Software Inc.的系列產(chǎn)品以及美國Ansoft Corp.的Maxwell軟件等。本文采用的是ANSYS軟件的二維有限元磁場分析。

ANSYS電磁場分析首先求解出電磁場的矢量磁勢和標(biāo)量電勢, 然后經(jīng)過處理得到其他電磁物理量, 如磁力線分布、磁通量密度、電場分布、渦流電場以及系統(tǒng)能量損失等。

3.1 仿真模型參數(shù)確定

對仿肌小節(jié)驅(qū)動器電磁場進行有限元分析, 要對其模型進行簡化。圖3是驅(qū)動器的模型剖面圖,由于模型具有軸對稱特征,因此可以把模型簡化為二維模型。

對二維靜態(tài)磁場進行有限元分析, 要首先選定分析中用到的單元。 本文中選定的單元是PLANE53,它的形狀是四邊形含8節(jié)點或者退化為三角形含6個節(jié)點。它主要用來分析矢量磁勢、時間積分電勢、電動勢壓降等,如圖5所示。

圖5 PLANE53單元[ 1 0]

對仿肌小節(jié)驅(qū)動器進行ANSYS建模并對其進行網(wǎng)格劃分,如圖6所示。模型由六部分組成,其中

圖6 ANSYS網(wǎng)格劃分

動子和銜鐵采用的材料是電磁純鐵DT4;繞組采用是直徑為0.2 mm的漆包線;環(huán)采用的材料為鋁合金,主要起到調(diào)整A相和B相距離的作用,進而可以調(diào)整肌小節(jié)驅(qū)動器的行程。各個部分的電磁參數(shù)如下(μr為相對磁導(dǎo)率):

動子:μr=1 500;銜鐵:μr=1 500;線圈:μr=1 500,匝數(shù)n=300,電流I=1.5 A;鋁環(huán):μr=1;空氣:μr=1。

在ANSYS電磁場分析中,勵磁線圈需要電流密度。電流密度的計算如下:

3.2 電磁場仿真分析

在A相通電、B相斷電的情況下對模型進行加載求解,其電磁場磁力線如圖7所示。由圖7可知,驅(qū)動器的磁場設(shè)計是合理的,磁力線集中在A相和動子之間, 漏磁比較少。計算結(jié)果顯示, 動子和靜子在Y方向(水平方向)產(chǎn)生的電磁力為10.9 N。仿肌小節(jié)驅(qū)動器的質(zhì)量經(jīng)測量為0.03 kg,力重比達到了36.3。

圖7 磁場分析結(jié)果

仿肌肉驅(qū)動器是仿肌小節(jié)驅(qū)動器經(jīng)串并聯(lián)而成的。在串聯(lián)方面,由于力的傳遞性, 不存在力疊加問題,力重比會有一定的下降,但是可以通過并聯(lián)的方式來增加驅(qū)動器的輸出力。仿肌肉驅(qū)動器的響應(yīng)速度可以達到ms級,最大效率可以達到90%以上,最大應(yīng)變也在20%以上,并且無噪聲, 抗疲勞強度高,柔順性較好。本設(shè)計還實現(xiàn)了驅(qū)動器的雙向移動,在驅(qū)動過程中,進一步提高了驅(qū)動器的響應(yīng)速度和綜合性能,達到了預(yù)期的研究目的。

4 結(jié) 語

本文通過模仿動物肌肉, 利用電磁裝置設(shè)計實現(xiàn)了仿肌肉驅(qū)動器, 并通過對其進行有限元建模分析, 分析了模型的結(jié)構(gòu)參數(shù), 并驗證了模型的正確性。

該設(shè)計還有需要改進的地方,如體積相對較大,功率密度還相對較低等。但是仿肌肉驅(qū)動器在很多方面都取得了突破性進展,為各種仿肌肉驅(qū)動器的研究提供了新的思路和方法, 這一驅(qū)動器正在應(yīng)用于仿生關(guān)節(jié)驅(qū)動器的設(shè)計中。

[1] 章永華, 馬記, 何建慧.基于人工肌肉的仿生機器魚關(guān)節(jié)機構(gòu)設(shè)計與力學(xué)分析[J] .機器人, 2006, 28(1):40-44.

[2] Laurentis K JD.Optimal Design of Shape Memory Alloy Wire Bundle Actuators[C] //IEEE International Conference ofRoboticsand Automation.2002:2363 -2368.

[3] 彭光正, 余麟, 劉昊.氣動人工肌肉驅(qū)動仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J] .北京理工大學(xué)學(xué)報, 2006, 26(007):593-597.

[4] 孟益民, 黃衛(wèi)清.新型壓電直線電動機的設(shè)計[J].微特電機,2009, 37(1):18 -20.

[5] 楊鋼, 李寶仁, 劉軍.一種新型氣動執(zhí)行元件——氣動人工肌肉[J] .中國機械工程, 2003, 14(015):1347-1349.

[6] 王偉, 秦現(xiàn)生.仿肌肉驅(qū)動器及其在仿生機器人中的應(yīng)用[J] .微特電機, 2009, 37(6):56-60.

[7] 應(yīng)申舜, 秦現(xiàn)生, 汪文旦, 等.基于SMA彈簧陣列的人工肌肉實現(xiàn)機理與結(jié)構(gòu)設(shè)計[J] .中國機械工程, 2008, 19(15):1782-1785(EI:083711538121).

[8] 陳守良.人類生物學(xué)[M] .北京:北京大學(xué)出版社, 2001.

[9] Jin X, Yan J, Xia Y, et al.Investigation ofelectrostriction appliance and its application[J].Journal of Southeast University, 2006, 22(1):82 -87.

[10] 唐興倫, 范群波, 張朝暉, 等.ANSYS工程應(yīng)用教程-熱與電磁學(xué)篇[M] .北京:中國鐵道出版社, 2003.

[11] 李猷黔.直接驅(qū)動直線交流伺服電動機[J].微電機, 1998(3):47-49.