類(lèi)骨骼肌電磁直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

李 靖，秦現(xiàn)生，尤向榮，王占璽，張雪峰

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人關(guān)節(jié)通常采用的傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+傳動(dòng)機(jī)構(gòu)”方式已不能滿(mǎn)足越來(lái)越高的性能要求。仿生肌肉式的直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器相比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、加速度大、能量密度高等優(yōu)勢(shì)，隨著科技的發(fā)展，應(yīng)用于各種研究中［1］，特別是機(jī)器人領(lǐng)域。人工肌肉驅(qū)動(dòng)和仿生關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)受到了廣泛的重視，基于人工肌肉的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)已成為研究熱點(diǎn)。

常用的仿生肌肉包括電磁激勵(lì)、壓電超聲波電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)、液動(dòng)、聚合物、形狀記憶合金、電磁等，如美國(guó)波士頓動(dòng)力公司研發(fā)的BigDog［2］，驅(qū)動(dòng)采用液動(dòng)系統(tǒng);韓國(guó)的Byungkyu Kim等則將形狀記憶合金用于驅(qū)動(dòng)仿生蚯蚓機(jī)器人［3］;韓國(guó)Hoon C.Park等［4］使用壓電材料作為微型飛行器的驅(qū)動(dòng)裝置，翼的工作頻率可達(dá)9 Hz;日本的Koh Hosoda等［5］制作的雙足機(jī)器人使用氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)跑、跳、走三種運(yùn)動(dòng);中國(guó)徐偉［6］等設(shè)計(jì)并制作了磁性橡膠人工肌肉等。其中，電磁驅(qū)動(dòng)的仿肌肉驅(qū)動(dòng)裝置具有優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)特性和高疲勞壽命，并且還應(yīng)具有疲勞壽命大、強(qiáng)度好、功率密度大和柔順性好等特征，較之其它方式的仿肌肉驅(qū)動(dòng)裝置在應(yīng)變［1］和執(zhí)行位移都有較大的優(yōu)勢(shì)［7］。模仿哺乳動(dòng)物骨骼肌肌肉結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)形式設(shè)計(jì)一種直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置，將大大改善現(xiàn)有直線(xiàn)電機(jī)的性能。

本文在分析哺乳動(dòng)物骨骼肌構(gòu)成和驅(qū)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出一種骨骼肌類(lèi)肌小節(jié)直線(xiàn)電磁驅(qū)動(dòng)器串并聯(lián)陣列人工肌肉設(shè)計(jì)方案。

圖1 哺乳動(dòng)物骨骼肌組成結(jié)構(gòu)圖［11］

1 生物骨骼肌的結(jié)構(gòu)及工作原理

哺乳動(dòng)物的肌肉一般分為三類(lèi):骨骼肌、心肌、平滑肌。骨骼肌作為動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，完成了如跑步、跳躍等運(yùn)動(dòng)［8-10］。動(dòng)物骨骼肌結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，作為基本單元的肌小節(jié)通過(guò)串聯(lián)的方式組成了肌原纖維，若干肌原纖維通過(guò)并聯(lián)的方式組成了肌纖維，若干肌纖維通過(guò)并聯(lián)的方式組成了肌束，若干肌束通過(guò)并聯(lián)的方式組成了骨骼肌，骨骼肌附著在骨骼上，通過(guò)收縮拉伸協(xié)同工作帶動(dòng)人體產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)。

Huxley H E和Huxley A F在1954年分別獨(dú)立地提出肌肉收縮的肌絲滑行學(xué)說(shuō)(sliding-filament theory of muscle contraction)［12］。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為肌肉的收縮(也就是肌肉的縮短)是細(xì)肌絲(肌動(dòng)蛋白纖維)在粗肌絲(肌球蛋白纖維)之間主動(dòng)地相對(duì)滑行的結(jié)果。骨骼肌的收縮與舒展是由最小單位肌小節(jié)狀態(tài)決定的，肌小節(jié)伸張狀態(tài)，粗肌絲、細(xì)肌絲之間的重疊減少，即為肌肉的伸展;肌小節(jié)收縮狀態(tài)，粗肌絲、細(xì)肌絲之間的重疊增加，即肌肉的縮短。肌纖維中肌小節(jié)的顯微結(jié)構(gòu)如圖2所示，其展現(xiàn)了肌小節(jié)的兩種狀態(tài)，A部分為肌小節(jié)伸張狀態(tài);B部分為肌小節(jié)收縮狀態(tài);C部分為細(xì)肌絲與粗肌絲重合部分的構(gòu)示意圖。

圖2 肌纖維中肌小節(jié)的顯微結(jié)構(gòu)

骨骼肌絕大多數(shù)通過(guò)肌腱附著在骨骼上，通過(guò)收縮帶動(dòng)骨骼，在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下協(xié)調(diào)工作完成人體的各種隨意運(yùn)動(dòng)。以人體下肢為例，圖3a表示右腿骨胳肌與骨骼之間的附著聯(lián)結(jié)關(guān)系，圖3b表示右腿伸展運(yùn)動(dòng)肌群。

圖3 人體膝關(guān)節(jié)模型

2 人工肌肉實(shí)現(xiàn)模式

人工肌肉仿真骨骼肌的結(jié)構(gòu)，先串聯(lián)類(lèi)骨骼肌肌小節(jié)構(gòu)成類(lèi)肌原纖維驅(qū)動(dòng)器;再通過(guò)并聯(lián)類(lèi)肌原纖維驅(qū)動(dòng)器來(lái)構(gòu)成人工肌肉。通過(guò)增加串聯(lián)類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量可以提高瞬時(shí)速度和加速度，通過(guò)增加并聯(lián)類(lèi)肌原纖維驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量則可以提高人工肌肉的整體負(fù)載能力。

模擬骨骼肌附著生物體的形式，人工肌肉通過(guò)鉸鏈連接附著在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，以人體下肢仿生關(guān)節(jié)為例進(jìn)行分析說(shuō)明。人體下肢膝關(guān)節(jié)伸展運(yùn)動(dòng)由股四頭肌驅(qū)動(dòng)完成。人體膝關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與控制，機(jī)器人關(guān)節(jié)通常只保留一個(gè)自由度，保留股四頭肌作用于該自由度的骨骼肌。仿生關(guān)節(jié)模型示意圖如圖4所示。

圖4 仿生關(guān)節(jié)模型示意圖

2.1 類(lèi)肌原纖維驅(qū)動(dòng)器

類(lèi)肌原纖維驅(qū)動(dòng)器由類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)串聯(lián)的方式構(gòu)成。以三級(jí)類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)組成的一個(gè)仿肌肉驅(qū)動(dòng)器為例，其連接方式如圖5所示:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為三個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器，Ⅱ級(jí)的軸(動(dòng)子)連在Ⅰ的端蓋(靜子)上，Ⅲ級(jí)的軸連在Ⅱ的端蓋上，三個(gè)基本單元依次相連，組成了類(lèi)肌原纖維驅(qū)動(dòng)器。

圖5 肌小節(jié)串聯(lián)組成的肌原纖維模式

2.2 類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器

肌小節(jié)為組成骨骼肌的基本單元，采用仿生骨骼肌肌小節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其三維模型徑向剖視圖如圖6所示。類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器主要由三個(gè)模塊組成，分別是動(dòng)子模塊、靜子模塊和抱閘模塊。其中包括動(dòng)子模塊包含的零件有軸，永磁體;靜子模塊包含的零件有左端蓋、機(jī)殼、A向線(xiàn)圈骨架、A相線(xiàn)圈、B相線(xiàn)圈骨架、B相線(xiàn)圈、右端蓋。抱閘模塊包含的零件有扣件、鎖緊件、彈簧、抱閘線(xiàn)圈骨架、抱閘線(xiàn)圈、固定螺栓、頂桿。

類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)原理是利用線(xiàn)圈繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)和永磁體的磁場(chǎng)相互作用，通過(guò)控制左右線(xiàn)圈的通電電流的大小和方向控制永磁體的具體位置和力的大小。另外還對(duì)仿生裝置設(shè)計(jì)了抱閘機(jī)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中，單純的靠電磁力來(lái)維持仿肌肉驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)，需要不斷通入電流，而這樣必然產(chǎn)生很多的熱量，使驅(qū)動(dòng)器溫度升高，不利于運(yùn)行。根據(jù)肌肉的纖維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)仿生，設(shè)計(jì)的抱閘系統(tǒng)能最大限度地提高驅(qū)動(dòng)器的效率，節(jié)省能源。

圖6 類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器三維模型徑向剖視圖

3 試驗(yàn)與仿真

3.1 電磁仿真參數(shù)設(shè)置

一般直線(xiàn)電磁驅(qū)動(dòng)器本身所具有的特點(diǎn)決定了自身存在的缺點(diǎn):磁路開(kāi)斷所引起的邊端效應(yīng)以及安裝氣隙較大等問(wèn)題。故仿生肌肉直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的性能由電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)的合理與否、工作環(huán)境與電磁參數(shù)的選擇等因素有關(guān)。選擇一種精確的仿真算法和仿真軟件，可以大大減少設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程的反復(fù)工作與實(shí)驗(yàn)成本。本文采用的Maxwell 2D，包括交流/直流磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)以及瞬態(tài)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)分析、參數(shù)化分極以及優(yōu)化功能［13］。

圖7 類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器電磁分析曲線(xiàn)

考慮到電機(jī)的結(jié)構(gòu)，故采用軸對(duì)稱(chēng)坐標(biāo)即RZ平面進(jìn)行仿真。為了簡(jiǎn)化分析，電機(jī)簡(jiǎn)化為軸、永磁體、端蓋、機(jī)殼、線(xiàn)圈骨架、相線(xiàn)圈。其中永磁體選擇NdFeB，軸、端蓋、線(xiàn)圈骨架為鋁，線(xiàn)圈為銅，機(jī)殼為45號(hào)鋼。

線(xiàn)圈單根導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)電流大小為0.5～1 A，線(xiàn)圈匝數(shù)為360匝～380匝，這里按照電流大小為0.5 A、匝數(shù)為360匝為基準(zhǔn)。給線(xiàn)圈施加電流源時(shí)，設(shè)置其中一個(gè)線(xiàn)圈總體面積通過(guò)總電流為180 A，另一個(gè)線(xiàn)圈總體面積通過(guò)總電流為-180 A。

按照上述條件對(duì)類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器用Maxwell軟件進(jìn)行仿真求解，其電磁場(chǎng)磁力電磁曲線(xiàn)如圖7所示。計(jì)算結(jié)果顯示，動(dòng)子和靜子在豎直方向上產(chǎn)生的電磁力為3.1 N。仿肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量經(jīng)測(cè)量為22 g，力重比達(dá)到了14.4。

3.2 測(cè)試結(jié)果

依照仿真結(jié)果制造類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器如圖8所示，圖8a為類(lèi)肌小節(jié)直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)，圖8b為類(lèi)肌小節(jié)直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)分解結(jié)構(gòu)。通過(guò)測(cè)試得到類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)速度可以達(dá)到毫秒級(jí)，最大效率可以達(dá)到90%以上，最大應(yīng)變也在40%以上，功率密度達(dá)到200 W/kg。

圖8 肌小節(jié)串聯(lián)組成的肌原纖維模式

3.3 機(jī)械仿真

用Solidworks建立機(jī)器關(guān)節(jié)三維模型為例，用其中的Motion功能對(duì)機(jī)器關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行仿真，如圖9所示。在本實(shí)施例中，兩個(gè)擺動(dòng)桿通過(guò)鉸鏈聯(lián)接，肌肉仿生驅(qū)動(dòng)裝置聯(lián)接在兩個(gè)固定端子上，固定端子通過(guò)鉸鏈聯(lián)接到擺動(dòng)桿上。肌肉仿生驅(qū)動(dòng)裝置收縮帶動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，其中L1=44 mm，L2=36 mm，L3=33 mm，L4=27 mm，關(guān)節(jié)需要的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為70°，且基本單元總長(zhǎng)為30 mm，壓縮率為50%，即收縮狀態(tài)與舒張狀態(tài)相差15 mm，由此可以求解出需要串聯(lián)3個(gè)基本單元，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為56.25°～128.04°，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為71.39°。

圖9 機(jī)器關(guān)節(jié)模型示意

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在分析動(dòng)物骨骼肌的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式上，設(shè)計(jì)了基于電磁力的肌肉仿生驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)仿真分析及試制樣機(jī)實(shí)測(cè)研究，初步發(fā)掘出該仿生驅(qū)動(dòng)器具有響應(yīng)速度高、加速度高、完全無(wú)接觸和機(jī)械磨損、體積小、質(zhì)量輕、功率密度高等良好特性?？梢灶A(yù)見(jiàn)，經(jīng)后續(xù)完善改進(jìn)，該仿生驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ 應(yīng)申舜，秦現(xiàn)生，任振國(guó)，等.基于人工肌肉的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)與研究［J］.機(jī)器人，2008，30(2):142-146.

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