模塊化雙作用水壓人工肌肉關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

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(大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

引言

水下機(jī)械臂是水下機(jī)器人探索開發(fā)海洋資源的核心部分。因此，迫切需要開發(fā)出結(jié)構(gòu)緊湊，擁有大范圍運(yùn)動(dòng)空間且適用于水下機(jī)械臂的關(guān)節(jié)[1-2]。現(xiàn)有水下機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方式包括液壓驅(qū)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)[3-4]。近年來，流體人工肌肉作為一種新型驅(qū)動(dòng)器，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療機(jī)械領(lǐng)域，其中氣動(dòng)人工肌肉工作壓力一般不超過1 MPa、輸出力較小，因此，利用氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的輸出轉(zhuǎn)矩較小[5]；另一種流體人工肌肉為水壓人工肌肉，其輸出重量比大，且不會(huì)污染環(huán)境。水壓人工肌肉工作時(shí)動(dòng)作平滑，無相對(duì)摩擦的運(yùn)動(dòng)部件[6]。相比液壓缸、液壓馬達(dá)，水壓人工肌肉驅(qū)動(dòng)的水下機(jī)械臂重量和體積可以大大減小，結(jié)構(gòu)更加靈活。與氣動(dòng)人工肌肉相比，水壓人工肌肉具有輸出重量比大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。利用水壓人工肌肉驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，可以在對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行緊湊性設(shè)計(jì)的同時(shí)，保證足夠的輸出轉(zhuǎn)矩。MORITA[7]團(tuán)隊(duì)研發(fā)出由液壓人工肌肉驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，同時(shí)驗(yàn)證了該關(guān)節(jié)的能量密度為液壓缸驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的2倍。然而，MORITA團(tuán)隊(duì)研發(fā)的關(guān)節(jié)為單自由度關(guān)節(jié)，MIRO等[8]研發(fā)利用水壓人工肌肉驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，每根手指都有1個(gè)五連桿關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以抓取直徑為300 mm，重量為45 kg的圓柱體。ZHANG等[9-11]研制了高強(qiáng)度水壓人工肌肉關(guān)節(jié)，由于水壓人工肌肉輸出力可達(dá)到20 kN，所以采用直徑為8 mm的鋼絲繩作為傳動(dòng)絲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于鋼絲繩剛度過大，導(dǎo)致實(shí)際關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度小于理論值。因此，需要設(shè)計(jì)出適用于水壓人工肌肉關(guān)節(jié)的傳動(dòng)裝置，使其能夠承受水壓人工肌肉的輸出力，保證傳動(dòng)絲的柔韌性，便于關(guān)節(jié)的輕小型化設(shè)計(jì)。此外，現(xiàn)有水壓人工肌肉關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)缺乏模塊化理念，不利于關(guān)節(jié)的擴(kuò)展。因此，需要對(duì)水壓人工肌肉關(guān)節(jié)的液壓管路、電氣通道及關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)械接口進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

為充分利用水壓人工肌肉高輸出重量比的優(yōu)勢(shì)，采用滑輪組與關(guān)節(jié)輪相結(jié)合的方式，放大水壓人工肌肉的有效行程并降低傳動(dòng)絲的載荷。設(shè)計(jì)傳動(dòng)絲的連接結(jié)構(gòu)及空間布局，使水壓人工肌肉關(guān)節(jié)盡可能的輕小型化。設(shè)計(jì)模塊化雙作用水壓人工肌肉關(guān)節(jié)，便于串聯(lián)關(guān)節(jié)的擴(kuò)展，為研發(fā)高性能水下作業(yè)機(jī)械臂奠定基礎(chǔ)。

1 雙作用水壓人工肌肉關(guān)節(jié)傳動(dòng)裝置

動(dòng)滑輪實(shí)質(zhì)為動(dòng)力臂等于2倍阻力臂的杠桿。因此，水壓人工肌肉關(guān)節(jié)采用滑輪組進(jìn)行傳動(dòng)，如圖1所示?；喗M中的動(dòng)滑輪與水壓人工肌肉相連，水壓人工肌肉收縮，帶動(dòng)動(dòng)滑輪移動(dòng)。通過滑輪組傳動(dòng)，降低傳動(dòng)絲載荷，充分利用了水壓人工肌肉輸出重量比大的優(yōu)勢(shì)，而且，傳動(dòng)絲末端移動(dòng)距離為動(dòng)滑輪移動(dòng)距離的2倍，因此，滑輪組傳動(dòng)還放大了水壓人工肌肉的有效行程，使得關(guān)節(jié)擁有大范圍運(yùn)動(dòng)空間及高輸出轉(zhuǎn)矩。

1.關(guān)節(jié)輪 2. 1號(hào)傳動(dòng)裝置 3. 2號(hào)傳動(dòng)裝置4. 1號(hào)水壓人工肌肉 5. 2號(hào)水壓人工肌肉圖1 滑輪組與關(guān)節(jié)輪相結(jié)合的水壓人工肌肉關(guān)節(jié)

滑輪組可以采用多種組合方式，包括N個(gè)動(dòng)滑輪和M個(gè)定滑輪，其中，M=N或M=N-1。擁有單個(gè)動(dòng)滑輪的傳動(dòng)裝置可以將水壓人工肌肉的行程放大2倍，則關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)為水壓人工肌肉收縮量的2倍；擁有2個(gè)滑輪的傳動(dòng)裝置，如圖2所示，可以將水壓人工肌肉的行程放大3倍，則關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)為水壓人工肌肉收縮量的3倍；擁有3個(gè)滑輪的傳動(dòng)裝置可以將水壓人工肌肉的的行程放大4倍，則關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)為水壓人工肌肉收縮量的4倍。以此類推，擁有N個(gè)動(dòng)滑輪和M個(gè)定滑輪的傳動(dòng)裝置可以將水壓人工肌肉的行程放大(N+M+1)倍，則關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)為水壓人工肌肉收縮量的(N+M+1)倍。

1.關(guān)節(jié)輪 2. 1號(hào)傳動(dòng)裝置 3. 2號(hào)傳動(dòng)裝置4. 1號(hào)水壓人工肌肉 5. 2號(hào)水壓人工肌肉圖2 傳動(dòng)裝置擁有2個(gè)滑輪的水壓人工肌肉關(guān)節(jié)

2 雙作用水壓人工肌肉關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角特性

水壓人工肌肉輸出力特性公式為：

(1)

其中,k1,k2為修正系數(shù)，設(shè)計(jì)階段可先令k1=k2=1，r0為肌肉半徑，p為充水壓力，a，b為常數(shù)，ε為肌肉收縮率。根據(jù)前期水壓人工肌肉輸出特性試驗(yàn)，選擇肌肉初始編織角α0=25°，最大收縮率為0.36。傳動(dòng)裝置中擁有N個(gè)動(dòng)滑輪和M個(gè)定滑輪，則水壓人工肌肉相對(duì)初始位置的長(zhǎng)度變化量x與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)larc的關(guān)系為x=larc/(N+M+1)，其中l(wèi)arc=Rθ，R為關(guān)節(jié)輪回轉(zhuǎn)半徑，θ為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。根據(jù)鋼絲繩選型公式：

(2)

式中，d為最小直徑；S為最大靜載荷；C為選擇系數(shù)。

(3)

其中，n為安全系數(shù)；k為折減系數(shù)；ω為充滿系數(shù)；σ為公稱抗拉強(qiáng)度；采用滑輪組傳動(dòng)，可以降低傳動(dòng)絲的傳遞載荷。

F=(N+M+1)S

(4)

通過計(jì)算可得，當(dāng)N=1，M=0時(shí)，鋼絲繩直徑不超過5 mm，滿足關(guān)節(jié)強(qiáng)度與柔韌性設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)水壓人工肌肉關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)半徑為R=40 mm，水壓人工肌肉的原長(zhǎng)l0=300 mm。現(xiàn)有機(jī)械臂輸出轉(zhuǎn)矩約為100 Nm，因此，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩為100 Nm，結(jié)合水壓人工肌肉輸出力特性公式 (1)可確定水壓人工肌肉半徑為30 mm。

關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)過程中，1號(hào)肌肉的收縮率與充水壓力分別為ε1=ε0-x/L1,p1=p0-Δp；2號(hào)肌肉的收縮率與充水壓力分別為ε2=ε0+x/L2,p2=p0+Δp。其中，ε0為水壓人工肌肉的初始收縮率。L1，L2分別為1，2號(hào)人工肌肉的初始原長(zhǎng)；p0為2根肌肉的初始?jí)毫Γ沪為2根肌肉相對(duì)于初始?jí)毫Φ膲毫ψ兓?。根?jù)水壓人工肌肉輸出力特性公式，關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩可表示為：

(5)

其中，F(xiàn)1為1號(hào)水壓人工肌肉輸出力，F(xiàn)2為2號(hào)水壓人工肌肉輸出力。初始狀態(tài)下，系統(tǒng)無負(fù)載，關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩T=0，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ與壓力變化量Δp之間的關(guān)系為：

(6)

根據(jù)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍、輸出力矩及鋼絲繩選型，取N=1，M=0，利用MATLAB繪制出關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ與壓力變化量Δp的關(guān)系曲線，如圖3所示。

根據(jù)式(4)和圖3可知，在最大收縮量范圍內(nèi)，相同壓力變化下，初始收縮率ε0越小，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角越大。同樣，在相同初始收縮率下，初始?jí)毫0越小，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角越大。

圖3 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ與壓力變化量Δp的關(guān)系曲線

1.水壓人工肌肉 2.支撐桿 3.傳動(dòng)裝置4.耐壓殼 5.水液壓閥組 6.收緊裝置 7.關(guān)節(jié)輪圖4 模塊化水壓人工肌肉關(guān)節(jié)

3 模塊化設(shè)計(jì)雙作用水壓人工肌肉關(guān)節(jié)

模塊化水壓人工肌肉關(guān)節(jié)包括關(guān)節(jié)輪、傳動(dòng)裝置、收緊裝置、水液壓閥組、耐壓殼、支撐桿和水壓人工肌肉，如圖4a所示。關(guān)節(jié)輪上設(shè)計(jì)2個(gè)線槽，為傳動(dòng)絲導(dǎo)向，傳動(dòng)絲跨過關(guān)節(jié)輪的1/2弧面，端部與鋼絲繩連接孔利用銷軸固定，關(guān)節(jié)輪的機(jī)械接口可實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，如圖4b所示。關(guān)節(jié)輪外徑為46 mm，鋼絲繩中心的回轉(zhuǎn)半徑為40 mm。向水壓人工肌肉充水加壓，人工肌肉徑向膨脹，軸向收縮，產(chǎn)生收縮力。利用拮抗原理驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的2根水壓人工肌肉在初始工作狀態(tài)下都具有初始收縮量。如果在初始工作狀態(tài)下，人工肌肉處于原長(zhǎng)，就不能驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)階段，確定水壓人工肌肉的初始收縮量與傳動(dòng)絲的長(zhǎng)度，使得在初始工作狀態(tài)下，傳動(dòng)絲處于張緊狀態(tài)。模塊化關(guān)節(jié)所采用的水壓人工肌肉最大收縮率為0.36，在初始工作狀態(tài)時(shí)，水壓人工肌肉的收縮率為0.15。在非工作狀態(tài)下，水壓人工肌肉處于原長(zhǎng)狀態(tài)，傳動(dòng)絲并未張緊，具有45 mm的余量，導(dǎo)致關(guān)節(jié)系統(tǒng)松散。因此，設(shè)計(jì)傳動(dòng)絲收緊裝置，在非工作狀態(tài)下，利用彈簧張緊傳動(dòng)絲，傳動(dòng)絲收緊裝置中的彈簧長(zhǎng)為60 mm。水壓人工肌肉與滑輪組安裝在機(jī)架與耐壓殼之間，傳動(dòng)絲穿過耐壓殼，繞過滑輪組，端部與收緊裝置連接。在支撐桿內(nèi)部設(shè)計(jì)水液壓管路與電氣通道，如圖4c所示。在耐壓殼內(nèi)設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置的活動(dòng)空間，有助于水壓人工肌肉關(guān)節(jié)的緊湊性設(shè)計(jì)。關(guān)節(jié)總長(zhǎng)為590 mm，最大橫截面直徑為100 mm。

4 強(qiáng)度校核

根據(jù)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角范圍、輸出轉(zhuǎn)矩以及水壓人工肌肉輸出特性試驗(yàn)，選用初始長(zhǎng)度為300 mm、初始編織角為25°、橡膠管外徑為30 mm，壁厚為2 mm的水壓人工肌肉。利用水壓人工肌肉輸出特性試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試肌肉輸出特性，如圖5所示。該試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括動(dòng)力源、數(shù)據(jù)采集單元、壓力控制單元和安裝平臺(tái)。通過芬蘭某公司制造的水液壓綜合性試驗(yàn)臺(tái)提供壓力。由手動(dòng)單向節(jié)流閥和水液壓比例節(jié)流閥組成的B型半橋回路為壓力控制單元，調(diào)節(jié)水壓人工肌肉的工作壓力。安裝平臺(tái)上端是花籃螺栓，用于調(diào)節(jié)肌肉的收縮量；下端連接拉力傳感器和拉線位移傳感器，記錄試驗(yàn)中肌肉的收縮位移情況。水壓肌肉輸出特性曲線如圖6所示，在壓力一定時(shí)，收縮量越大，肌肉輸出力越小，且隨著收縮量增大，肌肉輸出力變化量越小，即特性曲線斜率越小。此外，水壓人工肌肉輸出特性試驗(yàn)曲線并未經(jīng)過原點(diǎn)，證明試驗(yàn)系統(tǒng)存在背壓pb=0.4 MPa。

圖5 水壓人工肌肉輸出特性試驗(yàn)臺(tái)

圖6 水壓人工肌肉輸出力特性曲線

水壓人工肌肉破壞試驗(yàn)表明，同樣參數(shù)的水壓人工肌肉可承受的最大充水壓力約為7.6 MPa。取安全系數(shù)為1.5，則在驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)時(shí)，水壓人工肌肉的最大充水壓力pmax<4 MPa。根據(jù)對(duì)稱控制原理，水壓人工肌肉初始?jí)毫0=(pmax+pb)/2。此外，由于系統(tǒng)背壓，在驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)時(shí)，水壓人工肌肉不可能恢復(fù)至原長(zhǎng)狀態(tài)，而且，當(dāng)一側(cè)水壓人工肌肉收縮量增大到70 mm時(shí)，即使繼續(xù)增大充水壓力也不能對(duì)抗另一側(cè)低充水壓力、低收縮量人工肌肉的輸出力。因此，水壓人工肌肉驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)的有效行程為10～60 mm。根據(jù)水壓人工肌肉特性試驗(yàn)可得，關(guān)節(jié)極限狀態(tài)下，2根水壓人工肌肉的輸出力分別為19112 N和650 N。支撐桿所受外力為2根水壓人工肌肉輸出力之和，即19762 N。根據(jù)支撐桿所受外力及邊界約束進(jìn)行強(qiáng)度校核，水液壓管路及電氣通道直徑為8 mm的支撐桿強(qiáng)度校核結(jié)果如圖7所示，最大應(yīng)力為10.96 MPa。水液壓管路及電氣通道直徑為20 mm的支撐桿強(qiáng)度校核結(jié)果如圖8所示，最大應(yīng)力為14.86 MPa。根據(jù)圖7和圖8可知，水液壓管路及電氣通道直徑由8 mm擴(kuò)大至20 mm后，支撐桿的強(qiáng)度仍然滿足要求，因此，在后期設(shè)計(jì)中可以滿足不同直徑通道的需求。在采用較小通道時(shí)，可以對(duì)支撐桿進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

圖7 通道直徑為8 mm的支撐桿強(qiáng)度校核結(jié)果

圖8 通道直徑為20 mm的支撐桿強(qiáng)度校核結(jié)果

5 結(jié)論

利用滑輪組傳動(dòng)，設(shè)計(jì)了模塊化雙作用水壓人工肌肉關(guān)節(jié)，放大水壓人工肌肉的有效行程并降低傳動(dòng)絲的載荷。設(shè)計(jì)傳動(dòng)絲收緊裝置，解決了在非工作狀態(tài)下，傳動(dòng)絲松弛的問題。采用異型支撐結(jié)構(gòu)，充分利用關(guān)節(jié)空間，并將水液壓管路和電氣通道設(shè)計(jì)在支撐桿內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的緊湊性設(shè)計(jì)。關(guān)節(jié)輪上設(shè)計(jì)模塊化機(jī)械接口，便于關(guān)節(jié)的串聯(lián)擴(kuò)展。