約束條件對伸長型氣動人工肌肉驅(qū)動性能的影響

許文智，王 霞，耿德旭，梁 正

(北華大學(xué)機械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

因具有柔順性高、響應(yīng)快速、環(huán)保無污染、重量輕等特點，氣動軟體機器人受到廣泛關(guān)注[1-6].近年來，國內(nèi)外科學(xué)家對硅膠材質(zhì)的軟體機器人進(jìn)行了廣泛研究.WANG Tianyu等[7]研制了一款軟體驅(qū)動器，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍耦合彎曲和扭轉(zhuǎn)運動；王寧揚等[8]提出了一款基于蜂巢氣動網(wǎng)絡(luò)的軟體執(zhí)行器，能夠完成物體簡單抓取.作為氣動軟體機器人的重要制作方法，硅膠澆鑄具有可制作復(fù)雜形狀、價格低廉、節(jié)省材料等優(yōu)點[9]，但影響澆鑄質(zhì)量的因素較多，容易產(chǎn)生氣泡，精度低、壽命短.針對以上問題，本文提出硅膠管異形約束的方法.密封硅膠管充入壓縮氣體后膨脹，充滿異型約束腔，實現(xiàn)膨脹形狀可控，同時可以提高精度和壽命.根據(jù)經(jīng)典橡膠理論，研究伸長型氣動人工肌肉伸長量、驅(qū)動力與工作氣壓之間的關(guān)系，并對不同約束條件下人工肌肉的力學(xué)性能進(jìn)行對比試驗，分析約束環(huán)內(nèi)腔面積和形狀對其驅(qū)動能力的影響，研究結(jié)果可為人工肌肉驅(qū)動力提升奠定基礎(chǔ).

1 人工肌肉的結(jié)構(gòu)與功能

研制的伸長型氣動人工肌肉結(jié)構(gòu)見圖1.彈性氣囊與上、下堵頭形成密封腔體，外部同軸套裝密布排列的約束環(huán)兩端分別與上、下端蓋連接.氣囊采用硅氟橡膠管，具有良好的耐熱性和絕緣性，且無毒、無公害，滿足人工肌肉要求.

人工肌肉充入壓縮氣體后，氣囊產(chǎn)生徑向膨脹和軸向膨脹.當(dāng)氣囊膨脹充滿約束環(huán)內(nèi)腔時，徑向膨脹受到限制，人工肌肉軸向伸長.人工肌肉隨氣壓的變化見圖2.在氣壓由0增加到0.20 MPa時，人工肌肉由80 mm伸長到108 mm.

2 人工肌肉靜力學(xué)模型

人工肌肉力學(xué)模型見圖3.人工肌肉下端蓋與底座固定連接，在氣體壓力驅(qū)動下，彈性氣囊軸向伸長.根據(jù)人工肌肉上端蓋處靜力學(xué)平衡方程可得：

圖3人工肌肉力學(xué)模型Fig.3Artificial muscle mechanics model

，

(1)

式中：Fp為人工肌肉在氣壓驅(qū)動下的軸向輸出力；Fn1、Fn2分別為彈性氣囊徑向膨脹和軸向膨脹產(chǎn)生的變形阻抗力；Fd為人工肌肉對上端蓋的驅(qū)動力.

2.1 軸向輸出力

由力與壓力面積的關(guān)系可知，人工肌肉在氣壓驅(qū)動下的軸向輸出力

Fp=k1pS，

(2)

式中：k1為人工肌肉不均勻系數(shù)，與約束環(huán)和氣囊的接觸狀態(tài)有關(guān)；p為氣囊內(nèi)通入的氣壓；S為氣囊有效工作面積.

人工肌肉工作時，氣囊會膨脹變形，膨脹過程中膠管的橫截面尺寸會發(fā)生變化，氣囊在變形過程中體積不變，可得：

V=Snl

， Δl=0時 ；

(3)

V=S′n(l+Δl)

， Δl≠0時 ，

(4)

式中：l為彈性氣囊的有效變形長度；Δl為彈性氣囊伸長量；Sn為Δl=0時，氣囊環(huán)形截面面積；S′n為Δl≠0時，氣囊環(huán)形截面面積.其中

(5)

式中：d1為氣囊外徑；d2為氣囊內(nèi)徑.

通入壓縮氣體，氣囊徑向膨脹充滿約束環(huán)內(nèi)腔時

S′n=Sq-S，

(6)

式中：Sq為約束環(huán)內(nèi)腔面積.

聯(lián)立式(3)～(6)得

(7)

聯(lián)立式(2)、(7)得

(8)

圖4橡膠管受限拉伸模型Fig.4Limited tension model of rubber hose

2.2 彈性氣囊阻抗力

圖4為橡膠管受限拉伸模型.人工肌肉工作時，氣囊中充入壓縮氣體后分為徑向膨脹和軸向膨脹兩種膨脹過程.由于硅氟膠管側(cè)面作用面積大于兩端作用面積，因此，硅氟膠管先發(fā)生徑向膨脹，后發(fā)生軸向膨脹.

1)徑向膨脹.氣囊在通入氣壓后會產(chǎn)生一定的徑向膨脹，根據(jù)彈性力學(xué)經(jīng)典理論，考慮橡膠管大變形的幾何因素，橡膠管徑向變形阻力

(9)

式中：k2為人工肌肉不均勻系數(shù)，與膨脹后氣囊壁厚是否均勻有關(guān)，取k2=0.61；E為氣囊彈性模量，為1.116 MPa；d為氣囊的初始中徑；Δd為氣囊中徑的變化量.氣囊的初始中徑

(10)

氣囊膨脹后充滿約束環(huán)腔體，故有

(11)

(12)

式中：d′1為氣囊徑向膨脹充滿約束環(huán)腔體后的外徑(將膨脹后的氣囊橫截面近似看成圓形)；d′2為氣囊徑向膨脹充滿約束環(huán)腔體后的內(nèi)徑(將膨脹后的氣囊橫截面近似看成圓形).

氣囊膨脹充滿腔體，氣囊中徑

(13)

氣囊中徑的變化量

Δd=d′-d，

(14)

聯(lián)立式(5)、(9)～(14)解得

(15)

2)軸向膨脹.氣囊在通入氣壓后產(chǎn)生軸向膨脹，其變形可以看作拉壓桿大變形[10].根據(jù)彈性力學(xué)的經(jīng)典理論，并考慮氣囊大變形后的幾何因素，橡膠管軸向變形產(chǎn)生的變形阻力

(16)

聯(lián)立式(3)～(5)、(16)得

(17)

氣囊產(chǎn)生的總阻抗力為徑向膨脹和軸向膨脹的阻抗力之和

Fn=Fn1+Fn2

.

(18)

聯(lián)立式(1)、(8)、(15)、(17)、(18)得

3 人工肌肉靜力學(xué)試驗

3.1 試驗原理

利用圖5 a的試驗原理測試不同約束環(huán)對驅(qū)動力的影響.人工肌肉底座通過螺栓固定在工作臺上，且與試驗平臺垂直；測力計通過螺栓固定在XY移動滑臺上面，便于調(diào)節(jié)位置，人工肌肉與測力計處于同一軸線；氣源通過精密減壓閥連接氣壓傳感器，為人工肌肉通入不同壓力氣體，在內(nèi)部壓力作用下，上端蓋沿著軸向方向擠壓測力計，得到驅(qū)動力數(shù)值.搭建如圖5 b所示試驗平臺，該平臺由氣源、精密減壓閥、數(shù)顯式推拉力計、氣壓傳感器、人工肌肉本體組成.為了保證試驗的準(zhǔn)確性，在人工肌肉外表面套有機玻璃管，以提高人工肌肉的橫向剛度，防止人工肌肉彎曲.試驗裝置參數(shù)見表1.

圖5人工肌肉驅(qū)動力試驗Fig.5Driving force experiment of artificial muscle

表1 試驗裝置參數(shù)Tab.1 Experimental device parameters

表2為氣動人工肌肉參數(shù)，其中，當(dāng)約束環(huán)內(nèi)腔面積Sq為113 mm2，且約束環(huán)內(nèi)腔為圓形時，彈性氣囊外壁與約束環(huán)內(nèi)腔貼合.圖6為不同約束環(huán)的人工肌肉截面.

表2 人工肌肉參數(shù)Tab.2 Artificial muscle parameters

圖6不同約束環(huán)人工肌肉截面Fig.6Cross-sections of artificial muscles with different confinement rings

3.2 試驗結(jié)果

由理論值與試驗值對比可知k1=1.58.人工肌肉伸長量為0時，氣壓與驅(qū)動力的關(guān)系見圖7.由圖7可知：當(dāng)充入氣體壓力小于0.054 MPa時，驅(qū)動力為0；當(dāng)充入氣體壓力大于0.054 MPa時，氣壓與驅(qū)動力呈線性正相關(guān)，理論值與試驗值變化趨勢相同.由人工肌肉內(nèi)部氣囊變形分析可知，充入壓縮氣體后，氣囊會產(chǎn)生徑向膨脹，并且產(chǎn)生一個阻抗力，當(dāng)氣囊充滿約束環(huán)內(nèi)腔時，阻抗力不再發(fā)生變化；當(dāng)阻抗力大于氣壓作用在上堵頭產(chǎn)生的推力時，驅(qū)動力為0.隨著氣壓的增大和氣囊徑向膨脹后氣囊有效工作面積的增大，作用在上堵頭的推力不斷增大，當(dāng)推力大于阻抗力時人工肌肉產(chǎn)生驅(qū)動力，且氣壓與驅(qū)動力呈線性正相關(guān).

在人工肌肉伸長量為0時，驅(qū)動力與約束環(huán)腔體面積的關(guān)系見圖8.由圖8可知：Sq為113 mm2的人工肌肉充入氣壓與驅(qū)動力呈線性正相關(guān).當(dāng)氣壓小于0.20 MPa時，Sq為147 mm2的人工肌肉產(chǎn)生的驅(qū)動力小于Sq為113 mm2的人工肌肉產(chǎn)生的驅(qū)動力；氣壓大于0.20 MPa時，Sq為147 mm2的人工肌肉產(chǎn)生的驅(qū)動力大于Sq為113 mm2的人工肌肉產(chǎn)生的驅(qū)動力.由人工肌肉內(nèi)部氣囊變形可知，當(dāng)Sq為113 mm2時，氣囊外壁與約束環(huán)內(nèi)壁貼合時氣囊不產(chǎn)生徑向膨脹，氣壓與驅(qū)動力呈線性正相關(guān)；當(dāng)Sq為147 mm2，氣囊外壁與約束環(huán)內(nèi)壁有間隙時，氣囊產(chǎn)生徑向膨脹，在產(chǎn)生阻抗力的同時，氣囊的有效作用面積也會增大，氣壓與驅(qū)動力的變化率提高，當(dāng)氣壓為0.54 MPa時，氣囊充滿約束環(huán)內(nèi)腔有效作用面積達(dá)到最大值.在0.30 MPa下，Sq為147 mm2人工肌肉產(chǎn)生的驅(qū)動力比Sq為113 mm2的人工肌肉產(chǎn)生的驅(qū)動力提升了9%.

圖7氣壓-驅(qū)動力關(guān)系Fig.7Relations of air pressure-driving force圖8約束環(huán)內(nèi)腔面積對驅(qū)動力的影響Fig.8Influence of inner cavity area of restraint ring on driving force

圖9約束環(huán)內(nèi)腔形狀對驅(qū)動力的影響Fig.9Influence of inner cavity shape of restraint ring on driving force

在人工肌肉伸長量為0時，驅(qū)動力與約束環(huán)內(nèi)腔形狀的關(guān)系見圖9.由圖9可知：同一壓力且約束環(huán)內(nèi)腔面積相同時，約束環(huán)腔體形狀為圓形的人工肌肉驅(qū)動力最大，正十二邊形次之，正六邊形驅(qū)動力最小，且氣壓與驅(qū)動力均正線性相關(guān).由人工肌肉內(nèi)部氣囊變形可知，當(dāng)氣囊外壁與約束環(huán)內(nèi)壁形狀不吻合時，充入壓縮氣體氣囊膨脹，壁厚分布不均勻?qū)е氯斯ぜ∪獠痪鶆蛳禂?shù)k2變化，從而對驅(qū)動力產(chǎn)生影響.在充入0.30 MPa壓縮氣體時，約束環(huán)內(nèi)腔為圓形的人工肌肉較正十二邊形、正六邊形的人工肌肉驅(qū)動力分別提升了5.6%、7.8%.

4 結(jié)論與討論

本文自主研制了一種氣動人工肌肉，建立了該人工肌肉的靜力學(xué)模型，進(jìn)行了不同約束條件下人工肌肉驅(qū)動力性能的對比試驗，得到人工肌肉的驅(qū)動力性能影響規(guī)律.試驗結(jié)果表明：

1)人工肌肉理論模型與試驗結(jié)果基本吻合，驗證了理論模型的正確性.

2)約束環(huán)內(nèi)腔面積對人工肌肉驅(qū)動力有影響.約束環(huán)內(nèi)腔面積增大，氣囊與約束環(huán)內(nèi)腔之間的間隙變大，徑向膨脹產(chǎn)生的變形阻力增大，同時，氣囊徑向膨脹后氣壓有效作用面積也增大，對上堵頭的推力增大.在0.30 MPa氣壓下，Sq為147 mm2的人工肌肉產(chǎn)生的驅(qū)動力比Sq為113 mm2的人工肌肉產(chǎn)生的驅(qū)動力提升了9%.

3)約束環(huán)內(nèi)腔形狀對人工肌肉驅(qū)動力有影響，約束環(huán)內(nèi)腔與氣囊吻合度越高驅(qū)動力越大.約束環(huán)內(nèi)腔為圓形的人工肌肉較正十二邊形、正六邊形的人工肌肉驅(qū)動力分別提升了5.6%和7.8%.

試驗結(jié)果表明，約束環(huán)內(nèi)腔面積和形狀對人工肌肉的驅(qū)動性能有影響.本次研究可為提升人工肌肉驅(qū)動力研究奠定基礎(chǔ).