氣動柔性軸向驅(qū)動器結(jié)構(gòu)與特性研究

(北華大學 機械工程學院， 吉林 吉林 132021)

引言

機器人技術(shù)不斷發(fā)展，其應用領(lǐng)域也從傳統(tǒng)制造業(yè)向家庭服務、醫(yī)療救援等行業(yè)擴展。軟體機器人以其特有的環(huán)境適應性好、主動變形靈活等優(yōu)勢，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[1-5]。軸向驅(qū)動器作為機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動單元的核心部件，其柔性程度成為了制約軟體機器人發(fā)展的重要因素。目前常用的軸向驅(qū)動器有氣壓缸、液壓缸、直線電機、電動缸等。氣壓缸、液壓缸伸長量不可連續(xù)調(diào)整， 體積較大，使用不靈活， 柔性差；直線電機和電動缸雖然伸長量可控，精度高，但其本身結(jié)構(gòu)復雜，體積較大，使用不靈活，難以實現(xiàn)小型化[6]。本研究提出的氣動柔性軸向驅(qū)動器，具有軸向伸長量連續(xù)調(diào)整，調(diào)節(jié)驅(qū)動力等功能，能克服目前軸向驅(qū)動器體積大、柔性差、位置不可控等缺陷，同時具有易于控制、無污染等優(yōu)點[7]，對軟體機器人的發(fā)展具有重要的研究意義。

1 軸向驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設計

本研究所述氣動柔性軸向驅(qū)動器，主要由上、下端蓋，內(nèi)、外彈性氣囊，導向軸，內(nèi)、外氣囊約束件以及限位片組成，如圖1所示。

1.快插接頭 2.下端蓋 3.外約束環(huán) 4.上端蓋 5.導向軸 6.外彈性氣囊 7.內(nèi)彈性氣囊 8.內(nèi)約束環(huán) 圖1 軸向驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

驅(qū)動器內(nèi)、外彈性氣囊為硅氟橡膠管，均采用機械密封方式與上、下端蓋固定，與端蓋形成環(huán)形截面的密閉腔體，其彈性模量E為1.116 MPa；硅橡膠具有良好的耐溫性、絕緣性及耐腐蝕性，且無毒無味，在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生及機械加工等領(lǐng)域具有廣泛的應用[8-11]。下端蓋設置有氣體入口，使壓縮氣體能夠進入腔體內(nèi)，氣體推動上端蓋沿導向軸運動產(chǎn)生軸向推力，推力大小取決于通入的氣體壓力值；導向軸與下端蓋采用螺紋方式固定在一起，且穿過上端蓋中心孔，保證了驅(qū)動器運動方向的同時增強了驅(qū)動器橫向剛度；氣囊約束件包括內(nèi)約束環(huán)和外約束環(huán)兩種類型，兩者均為圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)約束環(huán)位于內(nèi)彈性氣囊內(nèi)部，其外徑尺寸與內(nèi)彈性氣囊內(nèi)徑尺寸相同，能夠阻止驅(qū)動器工作時內(nèi)彈性氣囊的徑向擠壓與導向軸接觸，減少運動阻力，且內(nèi)徑與導向軸間隙配合，便于內(nèi)約束環(huán)沿導向軸移動；外約束環(huán)內(nèi)徑與外彈性氣囊外徑尺寸相同，嵌套于外彈性氣囊外部，用于約束外彈性氣囊的徑向膨脹，使驅(qū)動器只能產(chǎn)生軸向伸長運動；限位片通過螺紋固定于上端蓋上，防止外約束環(huán)脫落。驅(qū)動器本體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，d1、d2為外彈性氣囊外徑、內(nèi)徑，d3、d4為內(nèi)彈性氣囊外徑、內(nèi)徑；L1、L2為外彈性氣囊和內(nèi)彈性氣囊有效變形長度；d5、d6為外約束環(huán)外徑、內(nèi)徑；d7、d8為內(nèi)約束環(huán)外徑、內(nèi)徑。

表1 軸向驅(qū)動器本體結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 軸向驅(qū)動器靜力學性能研究

根據(jù)驅(qū)動器作用機理，研究其在不同氣壓下，驅(qū)動器驅(qū)動力、輸出力及伸長量變化情況。

2.1 軸向驅(qū)動器工作原理及靜力學理論模型

氣動柔性軸向驅(qū)動器，以壓縮氣體為動力源，當壓縮氣體進入彈性氣囊形成的密閉腔體內(nèi)時，外約束環(huán)和內(nèi)約束環(huán)分別限制外彈性氣囊的徑向膨脹和內(nèi)彈性氣囊的徑向擠壓，徑向剛度較大，同時在導向軸作用下，驅(qū)動器只能沿導向軸產(chǎn)生軸向伸長變形。軸向驅(qū)動器密閉腔體內(nèi)通入的氣體壓力越大，其軸向伸長量和驅(qū)動力也越大，隨著伸長量增加，驅(qū)動器驅(qū)動力不斷減小，當其伸長量到達極限位置時，驅(qū)動力為0。

圖2 驅(qū)動器受力模型

驅(qū)動器工作時，上端蓋在氣壓p作用下，產(chǎn)生軸向推力，并沿導向軸產(chǎn)生位移，同時對負載產(chǎn)生軸向驅(qū)動力，內(nèi)、外氣囊自身彈性將產(chǎn)生變形阻力，其受力模型如圖2所示，由靜力學平衡可知：

Fp=Fn+Fw+Fd

(1)

式中，F(xiàn)p—— 軸向推力

Fd—— 軸向驅(qū)動力

Fn，F(xiàn)w—— 內(nèi)、外氣囊產(chǎn)生的變形阻力

2.2 軸向推力

由作用力、壓強及面積關(guān)系可知，驅(qū)動器腔體內(nèi)壓縮氣體壓力值及其產(chǎn)生對驅(qū)動器上端蓋產(chǎn)生的軸向推力公式：

Fp=CpS

(2)

式中，C—— 驅(qū)動器變形不均勻系數(shù)，與氣囊、約束環(huán)間接觸狀態(tài)有關(guān)

p—— 驅(qū)動器腔體內(nèi)氣體壓力與外界大氣壓的差值

S—— 驅(qū)動器腔體有效工作面積

S=Swn-Snw

(3)

式中，Swn—— 外彈性氣囊內(nèi)腔橫截面積

Snw—— 內(nèi)彈性氣囊的外橫截面積

驅(qū)動器工作時，產(chǎn)生軸向推力同時存在軸向伸長變形，伸長量為ΔL，而內(nèi)、外彈性氣囊的體積(Vn、Vw)均未產(chǎn)生變化，假設內(nèi)、外彈性氣囊伸長量與驅(qū)動器整體伸長變形一致，故由體積公式V=SL可知，彈性氣囊橫截面積將產(chǎn)生變化。以外彈性氣囊為例，研究產(chǎn)生伸長變形后氣囊內(nèi)腔橫截面積Swn與伸長量ΔL的關(guān)系：

Vw=(Sww-Swn)L1

(4)

式中，Sww——外彈性氣囊的外橫截面積

L1—— 驅(qū)動器初始長度

由于外約束環(huán)作用，伸長變形中外彈性氣囊的外徑未發(fā)生變化，Sww保持不變，故變形后其體積公式為:

Vw=(Sww-S′wn)(L1+ΔL)

(5)

(6)

(7)

(8)

將式(6)～式(8)分別帶入式(4)、式(5)并聯(lián)立可得：

(9)

同理，由于內(nèi)約束環(huán)的作用，內(nèi)彈性氣囊在伸長過程中內(nèi)徑不發(fā)生變化，可以推得變形后內(nèi)彈性氣囊外徑為:

(10)

式中，d′3為內(nèi)彈性氣囊變形后的外徑。

因此，驅(qū)動器軸向伸長后的有效工作面積:

(11)

此時，氣壓對驅(qū)動器上端蓋產(chǎn)生的軸向推力:

(12)

從公式中可以看出，由于驅(qū)動器工作中存在軸向長度變化，導致有效工作面積發(fā)生變化，致使壓縮氣體對上端蓋產(chǎn)生的軸向推力呈非線性變化。

2.3 驅(qū)動力

驅(qū)動器內(nèi)、外彈性氣囊所采用的硅氟橡膠，屬于超彈性體，其受外界拉力產(chǎn)生軸向變形時，自身阻力對驅(qū)動器驅(qū)動力及伸長變形影響較大。

由于內(nèi)、外約束環(huán)作用，驅(qū)動器內(nèi)通入壓縮氣體時，氣囊變形符合拉壓桿大變形[12]，采用彈性力學的經(jīng)典理論，并結(jié)合驅(qū)動器變形因素，內(nèi)、外氣囊的作用力進行分析為:

(13)

(14)

式(13)、式(14)中，An、Aw分別為內(nèi)、外彈性氣囊變形后的環(huán)形截面面積：

(15)

(16)

分別將式(15)、式(16)帶入式(13)、式(14)中可得：

(17)

(18)

由驅(qū)動器靜力平衡方程式(1)可知，驅(qū)動器產(chǎn)生的軸向驅(qū)動力為：

Fd=Fp-Fn-Fw

(19)

將式(12)、式(17)、式(18)分別帶入式(19)得：

(20)

由驅(qū)動力式(20)可知，當工作氣壓p一定時，隨著伸長量ΔL增加，驅(qū)動力減??；伸長量一定時，隨工作氣壓的增加，驅(qū)動力不斷增大；伸長量為0時，驅(qū)動力最大，即氣壓對驅(qū)動器端蓋產(chǎn)生的軸向推力。

2.4 伸長量

驅(qū)動器氣壓-伸長量變化狀態(tài)受工況變化影響較大，在此僅研究處于空載(Fd=0)、上端蓋自由軸向移動狀態(tài)下氣壓-伸長量性能。分別將式(12)、式(17)、式(18)分別帶入式(19)并簡化可得式(21)，由式(21)可以看出，驅(qū)動器伸長量ΔL′與氣壓值為非線性關(guān)系。

(21)

3 軸向驅(qū)動器靜力學特性實驗

靜力學性能是影響驅(qū)動器工作能力的重要參數(shù)，主要包括伸長量及驅(qū)動力特性。通過搭建靜力學實驗平臺，研究驅(qū)動器氣壓-伸長量及氣壓驅(qū)動力特性對驅(qū)動器的應用有重要意義。

3.1 驅(qū)動力特性

驅(qū)動器氣壓-驅(qū)動力實驗原理如圖3所示。將驅(qū)動器下端蓋固定于實驗臺上，利用X、Y移動滑臺調(diào)整測力計與驅(qū)動器上端蓋的位置，使兩者接觸；精密減壓閥調(diào)節(jié)通入驅(qū)動器內(nèi)部的氣體壓力，并通過氣壓傳感器對內(nèi)部氣體壓力值進行檢測，在壓縮氣體作用下驅(qū)動器上端蓋將沿導向軸移動并擠壓測力計，進而將驅(qū)動器的驅(qū)動力測量出來。

根據(jù)實驗原理搭建了驅(qū)動器氣壓-驅(qū)動力實驗平臺如圖4所示，研究驅(qū)動器零位移狀態(tài)下和恒定位移狀態(tài)下的驅(qū)動力性能。實驗裝置主要包括氣源、精密減壓閥、測力計、氣壓傳感器、X、Y移動滑臺、軸向驅(qū)動器、連接件及其保持架，主要實驗裝置參數(shù)如表2所示。由于驅(qū)動器導向軸長度大于驅(qū)動器本體，所以實驗裝置中增加了連接件以及連接件保持架，確保實驗過程中驅(qū)動器與測力計緊密接觸的同時兩者軸線處于同一直線上。

圖3 氣壓-驅(qū)動力實驗原理

圖4 氣壓-驅(qū)動力實驗裝置

表2 氣壓-驅(qū)動力實驗裝置參數(shù)表

驅(qū)動器零位移(ΔL=0)驅(qū)動力性能實驗研究中，控制通入驅(qū)動器的氣體為0.02～0.18 MPa等梯度壓力，分別讀取不同壓力下測力計數(shù)值，并繪制氣壓-驅(qū)動力變化曲線如圖5所示。通過式(20)對驅(qū)動器氣壓-驅(qū)動力理論值進行計算，并與實驗值進行對比可知驅(qū)動器變形不均勻系數(shù)C為1.5。由圖5驅(qū)動器氣壓-驅(qū)動力變化曲線可以看出，驅(qū)動器驅(qū)動力實驗值與理論值變化曲線具有較好的一致性：隨氣壓值增大，驅(qū)動力呈線性增加。

圖5 氣壓-驅(qū)動力變化曲線

驅(qū)動器恒定位移驅(qū)動力性能試驗中，通過X、Y移動滑臺，調(diào)整測力計與驅(qū)動器之間的距離(5～25 mm等間距)，并將通入驅(qū)動器內(nèi)部的氣體壓力值劃分為5個等級(0.06～0.14 MPa)，分別研究在相同氣壓下，驅(qū)動力隨位移變化情況以及在相同位移下驅(qū)動力隨氣壓變化情況。驅(qū)動器位移-驅(qū)動力變化曲線如圖6所示，由曲線可以看出，相同氣壓下，隨位移增加，驅(qū)動器驅(qū)動力不斷減??；位移恒定時，氣壓越大，驅(qū)動器驅(qū)動力越大，與理論推導式(20)結(jié)論相符。

圖6 位移-驅(qū)動力變化曲線

3.2 伸長量特性

實驗原理如圖7所示，將標記點固定于驅(qū)動器上端蓋，當驅(qū)動器內(nèi)部通入壓縮氣體時，上端蓋將帶動標記點沿導向軸產(chǎn)生軸向位移。利用三維運動捕捉系統(tǒng)讀取標記點位移變化，處理器將數(shù)據(jù)上傳至計算機，通過計算可得到驅(qū)動器氣壓-伸長量變化曲線。

圖7 氣壓-位移實驗原理

根據(jù)實驗原理完成實驗平臺的搭建如圖8所示。軸向驅(qū)動器下端蓋垂直于地面固定在實驗臺上，三維運動捕捉系統(tǒng)(NDI Certus)中的視覺傳感器垂直于標記點所在平面，能夠準確讀取標記點Y坐標變化。實驗中，分別讀取標記點在不同氣壓(0.02～0.18 MPa)下的坐標值，通過計算，可得到驅(qū)動器氣壓-伸長量變化數(shù)據(jù)曲線，如圖9所示。由氣壓-伸長量變化曲線可以看出，隨氣壓值增加，驅(qū)動器伸長量不斷增大，且呈非線性關(guān)系，與理論值擬合程度較好。

圖8 氣壓-伸長量實驗裝置

圖9 氣壓-伸長量變化曲線

4 結(jié)論

本研究針對傳統(tǒng)驅(qū)動器體積大，柔順性差，位姿不可連續(xù)調(diào)節(jié)等問題，設計了正壓驅(qū)動型氣動柔性軸向驅(qū)動器，并對該驅(qū)動器力學特性進行了理論與實驗分析。理論分析與實驗結(jié)果均表明：氣動柔性軸向驅(qū)動器，結(jié)構(gòu)設計合理，具有軸向伸長和驅(qū)動功能；驅(qū)動器伸長量可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)整，且隨氣壓值增加呈非線性增加，氣壓為0.18 MPa時，最大伸長量為28.1 mm；驅(qū)動器軸向輸出力隨伸長量增大而減?。簧扉L量為0時，驅(qū)動具有的軸向驅(qū)動能力最大，且隨工作氣壓的增大呈線性增加，氣壓為0.18 MPa時，最大軸向輸出力為52.04 N。該氣動柔性軸向驅(qū)動器，能夠克服目前機器人驅(qū)動器柔性不足問題，可針對工作要求調(diào)整驅(qū)動力與伸長量，為機器人技術(shù)的研究與發(fā)展奠定了理論與實驗基礎(chǔ)。