雙作用氣動軟體驅(qū)動器的設(shè)計與分析

隋立明， 劉亭羽， 王 隱

(哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江哈爾濱 150001)

引言

近年來，隨著仿生機(jī)器人研究的深入以及3D打印等相關(guān)支撐技術(shù)的進(jìn)步，軟體機(jī)器人研究得到了廣泛的關(guān)注[1-3]。目前，通過對自然界各種軟體類動物的運動模仿，已經(jīng)研究出了各種軟體機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的蠕動、滾動、爬行或游動等運動[4-6]。此外，軟體材料由于具有很好的柔順性，利用該特性設(shè)計出了各種軟體機(jī)械臂、軟體機(jī)械手等操作型機(jī)器人，用于形狀復(fù)雜且易損壞物體的操作[7-9]。

軟體機(jī)器人主要的驅(qū)動方式有氣動、變形記憶合金驅(qū)動及電致柔性材料驅(qū)動等，其中氣壓驅(qū)動是一種較理想且容易實現(xiàn)的方式。目前，研究較多的氣壓驅(qū)動方式主要采用2種結(jié)構(gòu)方式：一種為多腔體結(jié)構(gòu)，如哈佛大學(xué)提出的氣動網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[10]；另一種為單腔體外置纖維結(jié)構(gòu)，如哈佛大學(xué)設(shè)計的單腔體環(huán)繞纖維驅(qū)動器[11]。這些結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器都能夠產(chǎn)生彎曲或收縮等形式的運動，已經(jīng)用于軟體爬行機(jī)器人或者軟體操作手的設(shè)計[12-13]。在軟體驅(qū)動器研究中，能夠?qū)︱?qū)動器的剛度進(jìn)行控制，以及能夠充分利用軟體材料的特性實現(xiàn)復(fù)雜變形是本領(lǐng)域研究中的重要發(fā)展方向。

本研究基于蚯蚓的肌肉結(jié)構(gòu)和運動機(jī)理，提出并設(shè)計了一種雙驅(qū)動仿生氣動軟體驅(qū)動器，對其進(jìn)行了有限元分析和實驗研究，為今后軟體機(jī)器人的研究提供了基礎(chǔ)。

1 雙作用氣動軟體驅(qū)動器的原理

本研究所提出的軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)方案來源于對蚯蚓肌肉結(jié)構(gòu)功能的模仿。蚯蚓屬于環(huán)節(jié)動物，其身體結(jié)構(gòu)由多節(jié)組成，且每一節(jié)都由環(huán)肌與縱肌包圍從而形成一種靜水結(jié)構(gòu)。該靜水結(jié)構(gòu)的主要原理是在保證內(nèi)腔體積不變的前提下，通過環(huán)肌收縮且縱肌放松，實現(xiàn)每節(jié)軸向伸長且徑向減小[14]。蚯蚓在運動過程中通過這種不同節(jié)段的收縮和伸長，可以實現(xiàn)其前進(jìn)運動，而且蚯蚓身體不同節(jié)段的膨脹還可以起到增加與環(huán)境摩擦的作用。此外，實現(xiàn)靜水結(jié)構(gòu)的兩組肌肉(縱肌和環(huán)肌)之間形成了一種拮抗作用，能夠?qū)崿F(xiàn)運動和剛度的同時控制。

為模仿上述的拮抗作用機(jī)理，結(jié)合目前利用氣動實現(xiàn)軟體材料變形的主要方式，提出了如下的雙作用軟體驅(qū)動器原理結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 軟體驅(qū)動器原理

該軟體驅(qū)動器以高彈性的硅膠作為機(jī)體材料，由內(nèi)外2種結(jié)構(gòu)組成：內(nèi)部是充氣后能夠?qū)崿F(xiàn)軸向伸長變形的軸向驅(qū)動器；外部是球型的硅膠膜，其在外腔通氣后能夠?qū)崿F(xiàn)徑向膨脹變形，稱為徑向驅(qū)動器。

當(dāng)軟體驅(qū)動器內(nèi)部的軸向驅(qū)動器通氣后，驅(qū)動器整體伸長，此時對應(yīng)動物肌肉靜水結(jié)構(gòu)中的環(huán)肌收縮狀態(tài)；當(dāng)外部徑向驅(qū)動器通氣后，則驅(qū)動器整體徑向膨脹，并相應(yīng)地引起軸向收縮，則對應(yīng)靜水結(jié)構(gòu)中的縱肌收縮狀態(tài)。因此，所提出的軟體驅(qū)動器中的軸向驅(qū)動器和徑向驅(qū)動器與動物肌肉中的環(huán)肌和縱肌的作用具有功能上的相似性，它們之間的對比如表1所示。

表1 軟體驅(qū)動器與動物肌肉對比

通過表1可以看出，雖然設(shè)計的軟體驅(qū)動器中的各獨立驅(qū)動器沒有實現(xiàn)縱肌收縮和環(huán)肌收縮的功能，但是組合后，軸向驅(qū)動器充氣后的功能類似于環(huán)肌，而徑向驅(qū)動器充氣后的功能類似于縱肌，且軸向和徑向驅(qū)動器通氣后產(chǎn)生的軸向力之間可以形成拮抗作用關(guān)系。

2 雙作用氣動軟體驅(qū)動器的設(shè)計

雙作用軟體驅(qū)動器是否具有良好的特性是由軸向驅(qū)動器和徑向驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)和特點決定，因此下面將主要對軸向和徑向驅(qū)動器的設(shè)計進(jìn)行分析。

2.1 軸向驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

借鑒于所研究的多腔體式軟體驅(qū)動器結(jié)構(gòu)[15]，設(shè)計的軸向驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該軟體驅(qū)動器長度L為52 mm，驅(qū)動器的外徑D為23 mm。驅(qū)動器內(nèi)部由多個互相連通的腔室組成，外形為帶有波紋的圓柱結(jié)構(gòu)。當(dāng)驅(qū)動器通氣后，驅(qū)動器整體產(chǎn)生伸長變形；當(dāng)驅(qū)動器放氣后，驅(qū)動器利用橡膠彈性力能夠恢復(fù)初始形狀。

圖2 軸向驅(qū)動器

2.2 徑向驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

徑向驅(qū)動器套于軸向驅(qū)動器的外部，其主要作用是充氣后通過膨脹引起整個軟體驅(qū)動器軸向收縮，并和軸向驅(qū)動器的作用力形成拮抗關(guān)系。

徑向驅(qū)動器的形狀可以采用圓管狀或球狀。當(dāng)采用圓管形狀時，在軸向驅(qū)動器通氣時，圓管的拉伸會產(chǎn)生較大的彈性力，不利于整體驅(qū)動器的伸長；而采用球型外形，驅(qū)動器會更容易拉伸。但是在實際應(yīng)用球型外型時依然存在一些問題。首先，在軸向驅(qū)動器伸長后，外部的徑向驅(qū)動器隨之整體被拉伸，其徑向截面的減小會引起材料之間的互相擠壓，從而使得徑向驅(qū)動器外形沿著軸向產(chǎn)生折疊，且這種折疊可能是不規(guī)則的。此外，在徑向驅(qū)動器充氣時，球形結(jié)構(gòu)在膨脹過程中產(chǎn)生的軸向收縮變形量較小。

為解決上述問題，提出了如圖3所示的結(jié)構(gòu)。該驅(qū)動器徑向驅(qū)動部分的外形是在球型外形的基礎(chǔ)上，等距離的布置了凹槽結(jié)構(gòu)，由于該凹槽可以看做是將球型外部向內(nèi)部進(jìn)行了折疊，因此稱其為折疊結(jié)構(gòu)。在驅(qū)動器整體軸向伸長時，徑向驅(qū)動部分的折疊結(jié)構(gòu)凸起之間會互相靠近，不會出現(xiàn)球型結(jié)構(gòu)被拉伸時的局部褶皺變形現(xiàn)象。當(dāng)徑向驅(qū)動器充氣時，其凹槽內(nèi)的折疊部分會先膨脹打開，然后驅(qū)動器整體再繼續(xù)膨脹，因此采用該結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器更易收縮和膨脹。

圖3 軟體驅(qū)動器改進(jìn)結(jié)構(gòu)

3 氣動軟體驅(qū)動器的仿真分析

為研究所設(shè)計的軟體驅(qū)動器的力學(xué)特性，利用ABAQUS/Standard軟件對所設(shè)計的軟體驅(qū)動器進(jìn)行了有限元仿真分析。

由于軟體驅(qū)動器的變形屬于大變形，因此仿真中，采用了Yeoh模型表示材料的特性[16-17]。本仿真過程中設(shè)定所用材料(硅膠)的參數(shù)為C1=0.11，C2=0.02，密度ρ=1130 kg/m3。

所設(shè)計的軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。主要為：折疊結(jié)構(gòu)的數(shù)量、折疊角度θ和折疊凹槽的深度h。

針對驅(qū)動器在3種參數(shù)下所表現(xiàn)出的不同特性，分別進(jìn)行了仿真。

圖4 不同折疊數(shù)量的軟體驅(qū)動器

3.1 不同折疊數(shù)量的影響

分別對折疊數(shù)量為3和6的軟體驅(qū)動器特性進(jìn)行仿真分析。驅(qū)動器的折疊結(jié)構(gòu)夾角θ取為30°，凹槽深h取為10 mm。

圖5所示為在軸向驅(qū)動器和徑向驅(qū)動器分別充氣時的軟體驅(qū)動器變形情況仿真結(jié)果。其中軸向驅(qū)動器充氣時，徑向驅(qū)動器內(nèi)部壓力設(shè)為0；而徑向驅(qū)動器充氣時，軸向驅(qū)動器內(nèi)部壓力設(shè)定為0.01 MPa，以保證軟體驅(qū)動器初始具有一定的伸長量。

圖5 不同折疊數(shù)量的驅(qū)動器軸向伸長器

從圖5a可以得出：在相同軸向壓力下，當(dāng)折疊結(jié)構(gòu)的數(shù)量過多時，軸向伸長量就越小，因此折疊結(jié)構(gòu)的數(shù)量不宜過多。

從圖5b可以得出：折疊數(shù)量越多，軟體驅(qū)動器在徑向驅(qū)動器通氣時更容易產(chǎn)生收縮變形。從仿真結(jié)果還可以看出，軟體驅(qū)動器外腔通氣壓力超過一定值后，驅(qū)動器會停止收縮而開始伸長。

3.2 不同折疊夾角的影響

折疊夾角θ也是軟體驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。為研究該參數(shù)的影響，在折疊數(shù)量取為6的情況下，分別對折疊角度為35°，70°和105°的軟體驅(qū)動器的特性進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果如圖6所示。

從仿真結(jié)果可以看出：在軸向通氣時，折疊結(jié)構(gòu)的夾角較小有利于驅(qū)動器軸向伸長變形；在徑向通氣時，折疊結(jié)構(gòu)的夾角較大則有利于驅(qū)動器軸向收縮變形。但總體來看，其之間的差別很小，所以可以認(rèn)為折疊夾角的大小對驅(qū)動器的影響很小。

圖6 不同折疊夾角驅(qū)動器仿真結(jié)果

3.3 不同折疊深度的影響

為分析折疊結(jié)構(gòu)的凹槽深度h對軟體驅(qū)動器特性的影響，分別在軸向通氣驅(qū)動與徑向通氣驅(qū)動下對不同折疊深度的驅(qū)動器進(jìn)行仿真。其中徑向驅(qū)動時，軸向驅(qū)動器保持0.01 MPa的壓力，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同折疊深度驅(qū)動器仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，在軸向驅(qū)動時，折疊結(jié)構(gòu)深度越小，其軸向伸長量越大，即軸向伸長量與折疊結(jié)構(gòu)的深度成反比(如圖7a所示)。

如圖7b所示，徑向驅(qū)動時，軸向收縮的程度與折疊深度的大小成正比，且折疊結(jié)構(gòu)的深度越大，軸向收縮對應(yīng)的徑向壓力的驅(qū)動范圍也就越大，因此其徑向與軸向的拮抗效果也越明顯。

3.4 驅(qū)動器仿真云圖結(jié)果

圖8所示為軟體驅(qū)動器仿真結(jié)果的云圖。驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：折疊夾角為70°，折疊深度為10 mm，采用六折疊結(jié)構(gòu)。圖8a為驅(qū)動器未通氣時的初始狀態(tài)，圖8b為軸向驅(qū)動器單獨通以0.02 MPa壓力氣體時的仿真結(jié)果，此時驅(qū)動器軸向伸長；圖8c為徑向驅(qū)動器單獨通以0.02 MPa壓力氣體時的仿真結(jié)果，此時驅(qū)動器發(fā)生徑向膨脹。

圖8 軟體驅(qū)動器仿真結(jié)果

4 氣動軟體驅(qū)動器的試驗

4.1 軟體驅(qū)動器的制作

本軟體驅(qū)動器的制作步驟如下：

(1) 分別設(shè)計軸向驅(qū)動器與徑向驅(qū)動器的模具，并利用3D打印機(jī)打印模具；

(2) 將混入固化劑的硅膠灌注如模具中，進(jìn)行驅(qū)動器的成型；

(3) 將成型后的軸向驅(qū)動器和徑向驅(qū)動器及氣管等組合在一起并利用硅膠粘合劑粘接在一起，完成整體驅(qū)動器的制作。

制作所利用的模具及驅(qū)動器實物如圖9所示。

圖9 軟體驅(qū)動器及制作模具

4.2 軟體驅(qū)動器測試試驗

實驗利用Arduino輸出的PWM信號控制高速開關(guān)閥來控制軟體驅(qū)動器的輸入壓力，其中所使用的高速開關(guān)閥型號為SMC公司的VQ110L。實驗主要對軟體驅(qū)動器折疊結(jié)構(gòu)的數(shù)量和深度與驅(qū)動器特性之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。

1) 不同折疊結(jié)構(gòu)數(shù)量的影響

在折疊結(jié)構(gòu)深度都為10 mm，角度都為70°時，對徑向驅(qū)動器的折疊數(shù)量分別為3個和6個的2種驅(qū)動器進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果如圖10所示。其中，圖10a只進(jìn)行軸向通氣，徑向未通氣;圖10b在徑向通氣時，軸向壓力保持0.01 MPa。

圖10 不同折疊數(shù)量的驅(qū)動器試驗結(jié)果

軸向通氣時，六折疊結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器最大軸向伸長率可達(dá)到17.3%，而三折疊結(jié)構(gòu)的最大軸向伸長率可達(dá)到23%。

徑向通氣時，兩種結(jié)構(gòu)的軟體驅(qū)動器軸向收縮量較相似，其中六折疊結(jié)構(gòu)收縮率為7.5%，而三折疊結(jié)構(gòu)收縮率為7.2%。

通過以上軸向通氣和徑向通氣的試驗，可驗證相應(yīng)的仿真結(jié)果，即軸向通氣時，折疊結(jié)構(gòu)數(shù)量過多會抑制驅(qū)動器的伸長率；徑向通氣時，折疊結(jié)構(gòu)數(shù)量對軸向收縮率的影響不大。

2) 不同折疊深度的影響

對折疊數(shù)量為6，角度為70°，而折疊槽深為6.6和10 mm的兩種驅(qū)動器進(jìn)行了對比試驗，試驗結(jié)果如圖11所示。

在軸向通氣中，如圖11a所示，折疊深度為10 mm的驅(qū)動器最大軸向伸長率只有17.3%，而對于折疊深度為6.6 mm的驅(qū)動器，最大軸向伸長率可達(dá)到24.2%。

在徑向通氣時，軸向壓力保持0.01 MPa，如圖11b所示，折疊深度為10 mm的驅(qū)動器軸向收縮率為7.2%，而折疊深度為6.6 mm的驅(qū)動器最大軸向收縮率只有6.4%。

圖11 不同折疊深度的驅(qū)動器試驗結(jié)果

通過以上軸向和徑向的通氣試驗可知，在軸向驅(qū)動時，折疊深度較小的驅(qū)動器的最大軸向伸長率較大；在徑向通氣時，折疊深度較大的驅(qū)動器的軸向收縮率較大。因此以上結(jié)論與仿真結(jié)果相同。

5 結(jié)論

本研究通過對環(huán)節(jié)動物的縱肌和環(huán)肌功能進(jìn)行模仿，提出了一種雙作用氣動軟體驅(qū)動器的原理模型，所設(shè)計的氣動軟體驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)軸向伸長及徑向膨脹， 對其結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行了分析仿真與實驗研究。

通過對軟體驅(qū)動器的折疊結(jié)構(gòu)數(shù)量、角度、深度的仿真和實驗分析可知，折疊結(jié)構(gòu)的數(shù)量和深度對軟體驅(qū)動器的變形特性影響較大，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)恼郫B數(shù)量和深度尺寸；而折疊結(jié)構(gòu)的角度對軟體驅(qū)動器的變形特性影響較小。

今后還需要進(jìn)一步對軟體驅(qū)動器的拮抗特性進(jìn)行研究，并應(yīng)用于軟體爬行機(jī)器人的研究中。