伸長型氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

梁 正,武廣斌

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

近20年，機(jī)器人和人工智能技術(shù)已應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療康復(fù)、服務(wù)娛樂及宇航等領(lǐng)域，且應(yīng)用領(lǐng)域越來越貼近人們的日常生活[1-2].柔性驅(qū)動(dòng)器作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元的核心部件，其柔性程度成為制約軟體機(jī)器人發(fā)展的重要因素[3-4].當(dāng)前，常用的柔性驅(qū)動(dòng)器包括氣缸、液壓缸、線性電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)缸等[5]，氣動(dòng)缸和液壓缸的軸向位置和伸長量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，并且它們尺寸大、柔性差、使用不靈活[6]；線性電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)缸的軸向位置可控且精度較高，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、緩沖能力較弱、人機(jī)共融難度較大且難以實(shí)現(xiàn)輕量化和小型化[7-8].

本文所研究伸長型“剛-柔耦合”氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器，具有軸向伸長量連續(xù)可調(diào)、驅(qū)動(dòng)力可調(diào)、剛度可控等功能，能克服目前軸向驅(qū)動(dòng)器體積大、柔性差、位置不可控等缺陷，有一定剛度能適應(yīng)不同的工作環(huán)境，對軟體機(jī)器人的發(fā)展具有重要的研究意義.

1 伸長型氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伸長型氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器如圖1所示，硅膠管兩端分別與上、下堵頭機(jī)械連接形成密封腔體，上、下連接蓋內(nèi)部有螺紋槽，能與約束彈簧旋緊固定配合；上、下堵頭分別與彈簧兩端固定連接，上、下堵頭留有螺紋孔，與上、下連接蓋螺栓連接，上堵頭設(shè)有螺紋孔連接氣動(dòng)接頭.約束彈簧采用圓柱間隙螺旋彈簧，材料為65Mn，上、下連接蓋采用ABS塑料由3D打印制作完成.柔性驅(qū)動(dòng)器本體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

(a)柔性驅(qū)動(dòng)器三維圖

(b)柔性驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖圖1 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器

表1 柔性驅(qū)動(dòng)器本體結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 驅(qū)動(dòng)器靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)

為研究約束彈簧剛度對伸長性驅(qū)動(dòng)器靜力學(xué)性能的影響，分別測量3種不同彈簧絲直徑的驅(qū)動(dòng)器，在0～0.34 MPa氣壓值范圍內(nèi)的伸長量、軸向驅(qū)動(dòng)力以及在不同初始?xì)鈮簵l件下的軸向驅(qū)動(dòng)力.表2為3種約束彈簧幾何參數(shù)與物理參數(shù).

表2 約束彈簧幾何參數(shù)與物理參數(shù)

2.1 驅(qū)動(dòng)器伸長量實(shí)驗(yàn)

測量不同粗細(xì)彈簧絲制得的驅(qū)動(dòng)器在氣壓值0～0.34 MPa范圍內(nèi)的伸長量.實(shí)驗(yàn)過程中使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備由氣泵、精密減壓閥、氣壓傳感器和三維運(yùn)動(dòng)捕捉儀等組成，實(shí)驗(yàn)原理圖為圖2.

圖2 驅(qū)動(dòng)器伸長量實(shí)驗(yàn)原理圖

將在不同氣壓值下(0～0.34 MPa)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到3種不同粗細(xì)彈簧制得的驅(qū)動(dòng)器伸長量的變化曲線圖3.由圖3可知，驅(qū)動(dòng)器的伸長量隨氣壓值的增加而逐漸增大，且呈現(xiàn)出一定程度的非線性.當(dāng)氣壓值達(dá)到0.34 MPa時(shí)，彈簧絲直徑為2、1.8和1.6 mm,驅(qū)動(dòng)器伸長量分別為47.5、61和88 mm，伸長率為59.4%、76.3%和110%.

氣壓值/MPa圖3 軸向伸長量-氣壓曲線圖

圖4為2 mm彈簧絲直徑驅(qū)動(dòng)器分別在0.1、0.2和0.3 MPa氣壓條件下為伸長狀態(tài).

(a)0.1 MPa

(b)0.2 MPa

(c)0.3 MPa圖4 不同氣壓條件下的伸長狀態(tài)

2.2 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)

測量不同粗細(xì)彈簧絲制得的驅(qū)動(dòng)器在氣壓值0～0.34 MPa范圍內(nèi)的軸向驅(qū)動(dòng)力.實(shí)驗(yàn)過程中使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備由氣泵、精密減壓閥、數(shù)顯式推拉力計(jì)、固定座、XY移動(dòng)臺和氣壓傳感器等組成.

實(shí)驗(yàn)方法是將驅(qū)動(dòng)器一端與固定座連接，固定座安裝在XY移動(dòng)臺上，將測力計(jì)固定在XY移動(dòng)滑臺上，實(shí)驗(yàn)過程中驅(qū)動(dòng)器始終處于原長狀態(tài)，調(diào)節(jié)滑臺使測力計(jì)頂端與驅(qū)動(dòng)器上端蓋接觸，逐步提高氣壓值，分別測量彈簧絲直徑為2、1.8和1.6 mm時(shí)軸向驅(qū)動(dòng)力大小，測量過程均采取面接觸測量.實(shí)驗(yàn)原理圖如圖5所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置,見圖6.

圖5 驅(qū)動(dòng)力測量實(shí)驗(yàn)原理圖

圖6 軸向驅(qū)動(dòng)力-氣壓實(shí)驗(yàn)圖

將在不同氣壓值下(0～0.34 MPa)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到3種不同粗細(xì)的彈簧制得的驅(qū)動(dòng)器軸向驅(qū)動(dòng)力的變化曲線(圖7).

氣壓值/MPa圖7 軸向驅(qū)動(dòng)力-氣壓曲線圖

由圖7可知，驅(qū)動(dòng)器的軸向力隨氣壓值的增加而逐漸增大，且呈現(xiàn)出線性變化.當(dāng)氣壓值達(dá)到0.34 MPa時(shí)，彈簧絲直徑為2、1.8和1.6 mm的驅(qū)動(dòng)器軸向驅(qū)動(dòng)力為63.98、59.85和59.55 N.由曲線可知，3種軸向器驅(qū)動(dòng)力大小有一定差別，主要由于硅膠管嵌套于約束彈簧內(nèi)部時(shí)，間隙不一致造成.

2.3 驅(qū)動(dòng)器不同初始?xì)鈮簵l件下的軸向驅(qū)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)

測量不同粗細(xì)彈簧絲制得的驅(qū)動(dòng)器在不同初始?xì)鈮簵l件下，在氣壓值0～0.34 MPa范圍內(nèi)的伸長量.實(shí)驗(yàn)過程中使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備由氣泵、精密減壓閥、數(shù)顯式推拉力計(jì)、固定座、XY移動(dòng)臺和氣壓傳感器等組成.

實(shí)驗(yàn)方法是將驅(qū)動(dòng)器一端與固定座連接，固定座安裝在XY移動(dòng)臺上，將測力計(jì)固定在XY移動(dòng)滑臺上，逐步提高氣壓值，調(diào)節(jié)滑臺使測力計(jì)頂端與驅(qū)動(dòng)器端蓋接觸，調(diào)零測力計(jì)，測量驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力大小，測量過程均采取面接觸測量.

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，關(guān)節(jié)初始?xì)鈮河?到0.34 MPa，相鄰不同初始?xì)鈮洪g隔為0.04 MPa，分別測量關(guān)節(jié)在此條件變形下的驅(qū)動(dòng)力與氣壓關(guān)系，可得到3種驅(qū)動(dòng)器在不同初始?xì)鈮褐迪碌妮S向驅(qū)動(dòng)力的變化曲線(圖8).由圖8可知，在初始?xì)鈮簽? MPa時(shí)，3種驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力最大，彈簧絲直徑為2、1.8和1.6 mm的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力分別為63.98、61.85和59.55 N.

氣壓值/MPa(a)2 mm彈簧絲驅(qū)動(dòng)器

氣壓值/MPa(b)1.8 mm彈簧絲驅(qū)動(dòng)器

氣壓值/MPa(c)1.6 mm彈簧絲驅(qū)動(dòng)器圖6 3種驅(qū)動(dòng)器不同初始?xì)鈮合碌妮S向驅(qū)動(dòng)力變化曲線

隨著初始?xì)鈮旱脑黾?，?qū)動(dòng)器的最大驅(qū)動(dòng)力遞減.在相同氣壓下，驅(qū)動(dòng)器的初始?xì)鈮涸酱?，?qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力越小.在驅(qū)動(dòng)器初始?xì)鈮阂恢碌那闆r下，驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力隨氣壓的增加而遞增.在測試驅(qū)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)中，在初始?xì)鈮簽? MPa時(shí)，剛通入一定的壓縮氣體時(shí)，氣囊未充分膨脹，驅(qū)動(dòng)力與工作氣壓呈相關(guān)，待充滿后驅(qū)動(dòng)力隨氣壓增加速率明顯加快，變化曲線呈線性增大.

3 結(jié) 論

為研究不同剛度的約束彈簧對氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器靜力學(xué)性能的影響，對3種不同彈簧絲直徑的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了伸長量-氣壓實(shí)驗(yàn)、軸向驅(qū)動(dòng)力-氣壓實(shí)驗(yàn)和在不同初始?xì)鈮合碌妮S向驅(qū)動(dòng)力實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：驅(qū)動(dòng)器伸長量隨工作氣壓的增大呈非線性增加，約束彈簧絲直徑越小，驅(qū)動(dòng)器伸長

量越大；伸長量為零時(shí)，驅(qū)動(dòng)器具有的軸向驅(qū)動(dòng)能力最大，不同剛度的驅(qū)動(dòng)器最大驅(qū)動(dòng)力相同，且隨工作氣壓的增大呈正相關(guān).在不同初始?xì)鈮合?，不同剛度的?qū)動(dòng)器隨著氣壓增加，驅(qū)動(dòng)力變化趨勢一致，呈正相關(guān).

本文僅研究彈簧絲直徑參數(shù)對驅(qū)動(dòng)器靜力學(xué)性能的影響，未深入研究約束彈簧螺距、圈數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對驅(qū)動(dòng)器力學(xué)特性的影響.下一步將作綜合考慮，優(yōu)化設(shè)計(jì)出既能保證驅(qū)動(dòng)器具有較強(qiáng)軸向變形能力，又具有較好的力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以支持該驅(qū)動(dòng)器在農(nóng)業(yè)采摘、康復(fù)醫(yī)療和家用服務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用.