一體化雙作用水壓人工肌肉直線執(zhí)行器設(shè)計(jì)

賈云瑞，張?jiān)雒?，?chē)進(jìn)凱，寧大勇，杜洪偉

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

引言

流體驅(qū)動(dòng)的人工肌肉可以分為氣動(dòng)人工肌肉[1]、油壓人工肌肉[2]和水壓人工肌肉[3]。人工肌肉由纖維編織網(wǎng)、彈性橡膠管和端部接頭組成，在纖維編織網(wǎng)的約束下，向彈性橡膠管中充入流體能夠產(chǎn)生一定的收縮力[4]。雖然氣動(dòng)人工肌肉具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、輸出力與自重的比值大、柔性大等優(yōu)點(diǎn)[5]，但是氣動(dòng)人工肌肉的輸出力很低，與水壓人工肌肉差距尤為明顯。因此，選擇水壓人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。水壓人工肌肉已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了研究，YOSHINADA等[6]利用水壓人工肌肉制作了三指機(jī)械手，這些肌肉的直徑和長(zhǎng)度分別為3 mm和40～60 mm，并在2 MPa的在工作壓力下提供500 N的收縮力；MORI等[7]開(kāi)發(fā)了一種水壓人工肌肉，其外徑為40 mm，長(zhǎng)度為700 mm，且在4 MPa的工作壓力下能夠提供高達(dá)28 kN的收縮力；SANGIAN等[8]研制的小型水壓人工肌肉外徑6 mm，長(zhǎng)度為35～80 mm，在0.25 MPa的壓力下輸出力達(dá)到26 N，適用于外科手術(shù)的機(jī)器人手指；安莉等[9]對(duì)水壓人工肌肉的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和工作特性也開(kāi)展了研究工作。然而，單體人工肌肉僅有收縮作用，采用人工肌肉驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)多采用雙人工肌肉拮抗式設(shè)計(jì)[10-11]，基于此，本研究采用雙作用式水壓人工肌肉設(shè)計(jì)直線執(zhí)行器。

實(shí)驗(yàn)室已建立水壓人工肌肉試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)編織網(wǎng)材料為芳綸1414，外徑為30 mm，橡膠管壁厚為2 mm，初始有效膨脹長(zhǎng)度為200 mm的肌肉樣本進(jìn)行測(cè)試，工作壓力達(dá)到6 MPa時(shí)產(chǎn)生最大收縮力，約為12 kN[12]。在已研究水壓人工肌肉的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的直線執(zhí)行器，能夠完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1 水壓人工肌肉

水壓人工肌肉結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1、圖2所示，工作時(shí)一端閉合，另一端與高壓流體介質(zhì)相連，在纖維編織網(wǎng)的約束下，當(dāng)彈性橡膠管受壓時(shí)產(chǎn)生有規(guī)律的收縮變形，從而產(chǎn)生相應(yīng)的收縮力和位移，即從圖2的初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換至工作狀態(tài)。圖2中，θ0為初始編織角；L0為初始有效膨脹長(zhǎng)度；D0為初始直徑；θ為當(dāng)前編織角；L為有效膨脹長(zhǎng)度；D為直徑；n為單根纖維繞橡膠管的匝數(shù)；B為單根纖維的長(zhǎng)度。

1.通水端部接頭 2～4.扣壓環(huán) 5.橡膠管6.編織網(wǎng) 7.封閉端部接頭圖1 水壓人工肌肉結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 水壓人工肌肉工作原理圖

2 雙作用水壓人工肌肉直線執(zhí)行器

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

一體化雙作用水壓人工肌肉直線執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖3 所示，導(dǎo)流件內(nèi)部設(shè)置相互連通的導(dǎo)流孔，近注水件一端外部設(shè)置導(dǎo)流槽，且內(nèi)部設(shè)置階梯面；注水件軸向設(shè)置通孔和連接內(nèi)螺紋，內(nèi)壁設(shè)置密封圈溝槽，上部設(shè)置注水孔；水壓人工肌肉封閉端接頭倒錐齒一端開(kāi)圓柱盲孔，通水端接頭非倒錐齒一端設(shè)置連接外螺紋；導(dǎo)流件非導(dǎo)流槽一端通過(guò)間隙配合伸入封閉端接頭圓柱盲孔內(nèi)，另一端位于通水端接頭內(nèi)部；芯軸端部通過(guò)間隙配合伸入導(dǎo)流件的導(dǎo)流孔中，且外表面與位于密封圈溝槽的密封圈內(nèi)表面緊密貼合；注水件兩端分別連接1個(gè)水壓人工肌肉，水壓人工肌肉、導(dǎo)流件和芯軸通過(guò)間隙配合使之在同一軸線上。

1.水壓人工肌肉1 2.水壓人工肌肉2 3.導(dǎo)流件4.注水件 5.芯軸圖3 一體化雙作用水壓人工肌肉直線執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖

水介質(zhì)分別通過(guò)注水件的2個(gè)注水孔，流經(jīng)水壓人工肌肉通水端接頭和導(dǎo)流件的導(dǎo)流槽，進(jìn)入2個(gè)水壓人工肌肉的彈性橡膠管中?？刂?個(gè)水壓人工肌肉的初始工作壓力相同，使2個(gè)水壓人工肌肉以同樣的工作狀態(tài)膨脹收縮，分別驅(qū)動(dòng)水壓人工肌肉內(nèi)部的導(dǎo)流件軸向移動(dòng)，使芯軸的2個(gè)端面與2個(gè)導(dǎo)流件的階梯面接觸；然后，改變2個(gè)水壓人工肌肉的工作壓力，使水壓人工肌肉1的工作壓力升高實(shí)現(xiàn)軸向收縮，水壓人工肌肉2的工作壓力降低實(shí)現(xiàn)軸向伸長(zhǎng)；再次改變2個(gè)水壓人工肌肉的工作壓力，使水壓人工肌肉1的工作壓力降低實(shí)現(xiàn)軸向伸長(zhǎng)，水壓人工肌肉2的工作壓力升高實(shí)現(xiàn)軸向收縮。通過(guò)不斷改變2個(gè)水壓人工肌肉的工作壓力，可以實(shí)現(xiàn)此直線執(zhí)行器端部的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

直線執(zhí)行器端部的行程與水壓人工肌肉的最大收縮量、芯軸長(zhǎng)度和導(dǎo)流件階梯面的深度有關(guān)。水壓人工肌肉的最大收縮量的定義為，在同一個(gè)工作壓力下，水壓人工肌肉的軸向輸出力為0時(shí)的收縮量。直線執(zhí)行器端部往復(fù)運(yùn)動(dòng)的最大總行程為水壓人工肌肉的最大收縮量。根據(jù)水壓人工肌肉的原長(zhǎng)和最大收縮量，設(shè)計(jì)芯軸的長(zhǎng)度和導(dǎo)流件階梯面的深度。直線執(zhí)行器結(jié)構(gòu)關(guān)于注水件對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，芯軸的端面與導(dǎo)流件階梯面的距離為水壓人工肌肉最大收縮量的一半，使得直線執(zhí)行器端部總行程達(dá)到最大。

2.2 力學(xué)分析

雙作用水壓人工肌肉直線執(zhí)行器分為2種工作狀態(tài)：軸向空載和軸向帶載。水壓人工肌肉輸出力的理想模型為：

(1)

式中，p—— 水壓人工肌肉的工作壓力

ε—— 水壓人工肌肉的收縮率

a,b—— 與初始編織角θ0有關(guān)的系數(shù)

ε，a，b的表達(dá)式為：

(2)

(3)

假設(shè)2個(gè)水壓人工肌肉的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致，且忽略摩擦，進(jìn)行力學(xué)分析。2個(gè)水壓人工肌肉的初始工作條件為工作壓力相同、收縮率相同且無(wú)外負(fù)載，雙作用水壓人工肌肉往復(fù)作動(dòng)器處于力平衡狀態(tài)，表達(dá)式為：

p1=p2=p0，ε1=ε2=ε0，

F1(ε1,p1)=F2(ε2,p2)

(4)

式中，p1—— 水壓人工肌肉1的工作壓力

p2—— 水壓人工肌肉2的工作壓力

ε1—— 水壓人工肌肉1的收縮率

ε2—— 水壓人工肌肉2的收縮率

改變2個(gè)水壓人工肌肉的工作壓力，雙作用水壓人工肌肉直線執(zhí)行器處于非平衡狀態(tài)，表達(dá)式為：

p11=p0-Δp1，p21=p0+Δp2，

ε11=ε0-Δε，ε21=ε0+Δε

(5)

F21(ε21,p21)-F11(ε11,p11)=ΔF

(6)

式中，Δp1—— 水壓人工肌肉1工作壓力的變化量

Δp2—— 水壓人工肌肉2工作壓力的變化量

Δε—— 2個(gè)水壓人工肌肉收縮率的變化量

ΔF—— 直線執(zhí)行器的軸向輸出力

由式(6)可知，直線執(zhí)行器的輸出力ΔF只取決于水壓人工肌肉的輸出力F(ε,p)。令2個(gè)水壓人工肌肉工作壓力的變化量相同進(jìn)行分析，即Δp1=Δp2=Δp?？蛰d時(shí)水壓人工肌肉的變化量Δp與水壓人工肌肉收縮率的變化量Δε關(guān)系為：

(7)

軸向載荷為ΔF時(shí)，水壓人工肌肉的變化量Δp與水壓人工肌肉收縮率變化量Δε的關(guān)系為：

(8)

選取初始有效膨脹長(zhǎng)度為300 mm，初始編織角為25°，初始直徑為30 mm的水壓人工肌肉進(jìn)行分析。根據(jù)式(1)～式(3)可知，初始編織角為25°的水壓人工肌肉的最大收縮率理論值為0.36。為了實(shí)現(xiàn)直線執(zhí)行器端部運(yùn)動(dòng)行程最大化，同時(shí)保證行程的有效性，取水壓人工肌肉的最大收縮率為0.30，取ε0=0.15進(jìn)行理論分析，即水壓人工肌肉的收縮率變化量Δε最大為0.15。帶載4 kN時(shí)，水壓人工肌肉不同初始工作壓力下，其收縮率變化量與工作壓力變化量如圖4所示，收縮率變化量Δε達(dá)到0.15時(shí)，工作壓力變化量如表1所示。由表1可知，基于選定的水壓人工肌肉，初始工作壓力在2.7 MPa以上時(shí)，直線執(zhí)行器都能夠輸出4 kN的軸向力。

圖4 不同初始工作壓力下Δε與Δp關(guān)系曲線

表1 Δε=0.15，工作壓力變化量 MPa

2.3 元件強(qiáng)度分析

針對(duì)執(zhí)行器軸向輸出力的有效性，對(duì)芯軸和導(dǎo)流件進(jìn)行強(qiáng)度校核。由于水壓人工肌肉圓周尺寸的限制，設(shè)計(jì)芯軸的直徑12 mm、長(zhǎng)度258 mm，導(dǎo)流件的外徑16 mm、長(zhǎng)度320 mm、階梯面深度65 mm，芯軸和導(dǎo)流件的模型分別如圖5和圖6所示。

圖6 導(dǎo)流件模型

芯軸和導(dǎo)流件在圓周方向上受到注水件和水壓人工肌肉封閉端接頭及通水端接頭的限制，避免了壓桿失穩(wěn)的情況，只需校核元件的靜應(yīng)力強(qiáng)度。芯軸材料選擇304不銹鋼，芯軸的B端面保持固定，A端面施加4 kN的軸向負(fù)載，靜應(yīng)力分析結(jié)果如圖7所示，芯軸的最大應(yīng)力為44.13 MPa，304不銹鋼的屈服強(qiáng)度為206.8 MPa，芯軸強(qiáng)度足夠。導(dǎo)流件材料選擇304不銹鋼，D端面保持固定，階梯面C受到4 kN的軸向負(fù)載，靜應(yīng)力分析結(jié)果分析如圖8所示，導(dǎo)流件的最大應(yīng)力為96.54 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。根據(jù)靜應(yīng)力分析結(jié)果可知，芯軸和導(dǎo)流件材料為304不銹鋼的情況下，執(zhí)行器能夠提供高達(dá)4 kN的軸向輸出力。

圖7 芯軸強(qiáng)度分析

圖8 導(dǎo)流件強(qiáng)度分析

3 結(jié)論

(1) 結(jié)合水壓人工肌肉設(shè)計(jì)了一體化雙作用水壓人工肌肉直線執(zhí)行器，根據(jù)水壓人工肌肉的工作特性確定芯軸端面與導(dǎo)流件內(nèi)部階梯面距離為水壓人工肌肉最大有效收縮量的一半時(shí)，使直線執(zhí)行器的有效運(yùn)動(dòng)行程達(dá)到最大；

(2) 結(jié)合水壓人工肌肉的理想模型，推導(dǎo)出直線執(zhí)行器在帶載情況下的輸出力理論模型，選取初始有效膨脹長(zhǎng)度為300 mm，初始編織角為25°，初始直徑為30 mm 的水壓人工肌肉，初始工作壓力在2.7 MPa以上時(shí)，直線執(zhí)行器都能輸出4 kN的軸向力，芯軸和導(dǎo)流件采用304不銹鋼材料，靜應(yīng)力分析結(jié)果表明，芯軸和導(dǎo)流件都能夠承受4 kN的軸向負(fù)載。