氣動(dòng)多向柔性驅(qū)動(dòng)器形變與驅(qū)動(dòng)特性

茍志攀,耿德旭,劉洪波,許文智,賈 鑫

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

最初,人們使用電機(jī)、活塞來(lái)驅(qū)動(dòng)齒輪、軸、鉸鏈等機(jī)械構(gòu)件傳動(dòng),稱為剛性驅(qū)動(dòng).但傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動(dòng)在人機(jī)交互、易碎物品搬運(yùn)、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境運(yùn)動(dòng)及康復(fù)醫(yī)療等方面的應(yīng)用中存在明顯不足.采用彈性體材料,仿照自然生物(如象、章魚(yú)、蛇等)運(yùn)動(dòng)機(jī)理研制的柔軟體驅(qū)動(dòng)器具有靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)和安全可交互等特點(diǎn),已成為近些年的研究熱點(diǎn)[1].20世紀(jì)50年代,McKibben型氣動(dòng)人工肌肉(PAM)的出現(xiàn),極大促進(jìn)了氣動(dòng)柔軟體驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展.之后,以纖維約束、彈性腔室、波紋管、折疊/褶皺[2]為主要結(jié)構(gòu)的柔軟體驅(qū)動(dòng)器逐漸出現(xiàn),研究者開(kāi)始嘗試將其應(yīng)用于蔬果采摘、康復(fù)醫(yī)療、貴重物品搬運(yùn)等領(lǐng)域.哈佛大學(xué)Katia等仿照章魚(yú)觸手運(yùn)動(dòng)機(jī)理研制的氣動(dòng)彈性腔室軟體驅(qū)動(dòng)器,配合真空吸盤(pán)吸附可以靈活抓取非規(guī)則形狀和不同材質(zhì)的物體[3];Gregory等利用3D打印的模具[4],用雙烯烴官能化的SP和聚二甲基硅氧烷(PDMS)澆筑一種通氣可變色的驅(qū)動(dòng)器,用于軟體爬行機(jī)器人和軟體抓手的開(kāi)發(fā);李健等[5]受捕蠅草葉片的啟發(fā),研制了多腔室約束的氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器,能夠完成不同形狀蔬果的自適應(yīng)抓取及無(wú)損采摘;王影杰等[6]仿肌肉-肌腱系統(tǒng)研制的柔性驅(qū)動(dòng)器在0.32 MPa氣壓下可以提升40 kg的軸向載荷.但現(xiàn)階段的柔軟體驅(qū)動(dòng)器普遍存在剛性差、負(fù)載能力低、變形范圍小等缺陷,為解決這一問(wèn)題,本文提出一種片狀約束環(huán)約束的5腔室氣動(dòng)多向柔性驅(qū)動(dòng)器,研究其形變機(jī)理與驅(qū)動(dòng)性能,對(duì)柔性驅(qū)動(dòng)器的推廣應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值.

圖1 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Actuator structure

1 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)與功能

1.1 結(jié) 構(gòu)

氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器由密封彈性腔體,彈簧骨架,片狀約束環(huán),上、下端蓋及其緊固件連接組成,見(jiàn)圖1.

5根硅膠管兩端由堵頭密封組成彈性腔體,呈圓周72°均布.上端蓋通過(guò)螺栓與上堵頭螺紋連接,多個(gè)片狀約束環(huán)套裝彈簧和密封彈性腔體;下端蓋與下堵頭使用氣動(dòng)接頭通過(guò)螺紋通孔連接;驅(qū)動(dòng)器中心位置安裝彈簧,通過(guò)銷釘與端蓋固定連接為一個(gè)整體.驅(qū)動(dòng)器本體長(zhǎng)度為180 mm,初始有效長(zhǎng)度為135 mm.主要材料參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 驅(qū)動(dòng)器材料參數(shù)Tab.1 Parameters of actuator material parameters

1.2 驅(qū)動(dòng)器功能

在無(wú)外部載荷情況下,通過(guò)氣路通入壓縮氣體后,彈性腔體發(fā)生膨脹變形,由于約束環(huán)的徑向約束作用,驅(qū)動(dòng)器沿軸向發(fā)生伸長(zhǎng)或彎曲變形,氣壓越大,變形量越大.對(duì)5個(gè)彈性腔體同時(shí)通入相同氣壓氣體,驅(qū)動(dòng)器沿軸向發(fā)生膨脹,伸長(zhǎng)變形;對(duì)相鄰的1、2、3或4組彈性腔體通入相同氣壓氣體時(shí),驅(qū)動(dòng)器將沿合力矩方向產(chǎn)生彎曲變形;對(duì)5個(gè)彈性腔體通入不同壓力梯度氣體時(shí),理論上驅(qū)動(dòng)器可以沿空間各方向彎曲變形.

2 驅(qū)動(dòng)器受力與形變

2.1 軸向伸長(zhǎng)

對(duì)5個(gè)彈性腔體同時(shí)通氣,驅(qū)動(dòng)器受彈簧阻抗力Fk、彈性腔體阻抗力Fn及氣壓驅(qū)動(dòng)力Fp共同作用[7],驅(qū)動(dòng)器上端所受的驅(qū)動(dòng)力決定了其伸長(zhǎng)性能.驅(qū)動(dòng)器受力情況見(jiàn)圖2.

根據(jù)軸向靜力平衡原理可知:

Fp=Fk+Fn

.

(1)

2.1.1 氣壓驅(qū)動(dòng)力

構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器彈性腔體的橡膠材料充壓變形時(shí),根據(jù)各向同性可知,其體積不可壓縮[8].因此,變形前、后橡膠材料的總體積不發(fā)生變化.充壓變形前、后的幾何關(guān)系見(jiàn)圖3.

圖2驅(qū)動(dòng)器軸向受力分析Fig.2Axial force analysis of the actuator圖3橡膠管變形前、后的幾何關(guān)系Fig.3Geometric relationship of rubber tube betweenbefore and after deformation

橡膠管拉伸變形后內(nèi)孔直徑

式中:D1、D2為膠管初始外徑和內(nèi)徑;l0為驅(qū)動(dòng)器初始有效長(zhǎng)度;Δl為驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)量.

變形后驅(qū)動(dòng)器橡膠管的環(huán)形截面面積[9]

根據(jù)圓面積公式得該驅(qū)動(dòng)器內(nèi)腔橫截面積為

通入壓縮氣體后,忽略各彈性腔體加工時(shí)的微小差異,驅(qū)動(dòng)器軸向驅(qū)動(dòng)力等于5個(gè)彈性腔體驅(qū)動(dòng)力的合力.氣壓驅(qū)動(dòng)力為

(2)

式中:p為通入氣體氣壓.

2.1.2 彈簧阻抗力

彈簧位于驅(qū)動(dòng)器中心位置,通氣時(shí)阻礙驅(qū)動(dòng)器軸向伸長(zhǎng),根據(jù)Hooke定律,彈簧阻抗力

Fk=k×Δl

,

(3)

式中:k為彈簧彈性系數(shù).

式中:G為彈簧彈性模量;d為鋼絲直徑;D為中徑;n為有效圈數(shù).

2.1.3 彈性腔體阻抗力

橡膠管兩側(cè)由堵頭密封,通氣時(shí)阻礙驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng),根據(jù)彈性力學(xué)經(jīng)典理論[10],橡膠管阻抗力為5根橡膠管阻抗力的合力

式中:E為橡膠管彈性模量.將A代入上式得橡膠管阻抗力

(4)

2.1.4 驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)量

將式(2)、(4)、(5)代入式(1),忽略高次微小量,可得伸長(zhǎng)量表達(dá)式為

(5)

2.2 彎曲變形

2.2.1 驅(qū)動(dòng)器彎曲受力

分別對(duì)相鄰的1、2、3、4組彈性腔體通入相同壓力氣體,除軸向變形外,驅(qū)動(dòng)器端部受驅(qū)動(dòng)力矩Mp、彈簧阻抗力矩Mk和彈性腔體阻抗力矩Mn共同作用,驅(qū)動(dòng)器將沿合力矩Mg的方向彎曲.此時(shí),驅(qū)動(dòng)器彎曲方向?yàn)楹狭豈g的方向,見(jiàn)圖4 a.

圖4 驅(qū)動(dòng)器彎曲變形分析Fig.4 Analysis of bending deformation of actuator

2.2.2 驅(qū)動(dòng)器彎曲方向

通入壓縮氣體后,單個(gè)彈性腔體產(chǎn)生的力矩為

Mi=piSi×l,i=1,2,3,4,

圖5 驅(qū)動(dòng)器彎曲方向Fig.5 Bending direction of actuator

式中:l為彈性腔體幾何中心到驅(qū)動(dòng)器中心的距離.分別對(duì)相鄰的1、2、3、4組彈性腔體通入相同氣壓氣體,驅(qū)動(dòng)器端部受合力矩作用,可表示為

根據(jù)驅(qū)動(dòng)器端蓋處的受力分析(圖5)可知,驅(qū)動(dòng)器端部合力矩Mg的方向即為驅(qū)動(dòng)器彎曲方向,則驅(qū)動(dòng)器彎曲方向角為

(6)

式中:Mgx為合力矩在x軸上的分量;Mgy為合力矩在y軸上的分量.

2.3 軸向驅(qū)動(dòng)力

根據(jù)靜力學(xué)分析可知,驅(qū)動(dòng)器的軸向驅(qū)動(dòng)力為彈簧阻抗力Fk、彈性腔體阻抗力Fn及氣壓驅(qū)動(dòng)力Fp的合力,即

FG=Fp-Fk-Fn.

將式(2)～(5)代入上式有

(7)

3 試驗(yàn)及分析

在驅(qū)動(dòng)器形變與驅(qū)動(dòng)力試驗(yàn)中,使用激光位移傳感器測(cè)量驅(qū)動(dòng)器軸向伸長(zhǎng)量,利用氣壓傳感器測(cè)量通入氣體氣壓,通過(guò)角度傳感器測(cè)量驅(qū)動(dòng)器彎曲角度,使用數(shù)顯測(cè)力計(jì)測(cè)量驅(qū)動(dòng)器在不同氣壓下的驅(qū)動(dòng)力.傳感器參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 傳感器相關(guān)參數(shù)Tab.2 Related parameters of sensors

3.1 軸向伸長(zhǎng)

根據(jù)試驗(yàn)原理(圖6)搭建的柔性驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)量-氣壓試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖7.主要原理:通過(guò)氣源及氣動(dòng)三聯(lián)件產(chǎn)生高壓氣體,利用精密減壓閥控制通入氣體氣壓.通過(guò)直流電源為傳感器供電,使用氣壓傳感器檢測(cè)通入氣體氣壓,利用激光位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量驅(qū)動(dòng)器的軸向伸長(zhǎng)量.

將3組試驗(yàn)結(jié)果取平均值,間隔0.01 MPa采樣,得到驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)量-氣壓關(guān)系;為了驗(yàn)證所建立理論模型的準(zhǔn)確性,將相關(guān)參數(shù)帶入理論模型,以氣壓為變量,得到氣壓與伸長(zhǎng)量的理論曲線.伸長(zhǎng)量-氣壓理論值與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)圖8.由圖8可知:隨著氣壓的增大,驅(qū)動(dòng)器軸向伸長(zhǎng)量逐漸增大;在0.23 MPa下驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)量可達(dá)137 mm,伸長(zhǎng)率大于100%;理論值在低氣壓時(shí)與試驗(yàn)值擬合存在微小誤差,主要原因是驅(qū)動(dòng)力小于阻抗力,此時(shí)驅(qū)動(dòng)力被彈性材料的應(yīng)變消耗掉,未產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形.

圖6試驗(yàn)原理Fig.6Principle of the test圖7試驗(yàn)設(shè)備Fig.7Test equipment圖8驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)量-氣壓理論值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.8Comparison of actuator extension- pressure theory and test values

3.2 彎曲變形

根據(jù)試驗(yàn)原理(圖9)搭建的柔性驅(qū)動(dòng)器彎曲角度-氣壓試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖10.主要原理:通過(guò)氣源、氣動(dòng)三聯(lián)件提供壓縮氣體,利用精密減壓閥控制輸入流體壓力,通過(guò)直流電源為氣壓傳感器供電,氣壓傳感器直接顯示通入氣體氣壓,通過(guò)陀螺儀角度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量驅(qū)動(dòng)器在不同氣壓下對(duì)應(yīng)的彎曲角度,并將數(shù)據(jù)通過(guò)USB串口顯示在計(jì)算機(jī)中.

試驗(yàn)時(shí)分別給相鄰的1、2、3、4組彈性腔體通入壓縮氣體,每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值,間隔0.01 MPa采樣,獲得4組彎曲角度-氣壓數(shù)據(jù),見(jiàn)圖11.由圖11可知:單腔體驅(qū)動(dòng)時(shí),在0.23 MPa氣壓下驅(qū)動(dòng)器彎曲角度為140°;雙腔體驅(qū)動(dòng)時(shí),在0.23 MPa氣壓下驅(qū)動(dòng)器彎曲角度為200°;3腔體驅(qū)動(dòng)時(shí),在0.23 MPa氣壓下驅(qū)動(dòng)器彎曲角度為225°;4腔體驅(qū)動(dòng)時(shí),在0.23 MPa氣壓下驅(qū)動(dòng)器彎曲角度為170°.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),4組彈性腔體同時(shí)通氣時(shí),在相同氣壓下最大彎曲角度反而最小,主要原因是在對(duì)4組彈性腔體同時(shí)通氣時(shí),各彈性腔體的驅(qū)動(dòng)力矩并不全在y軸一側(cè),在y軸另一側(cè)的驅(qū)動(dòng)力矩存在與彎曲方向相反的分力矩,阻礙了驅(qū)動(dòng)器彎曲變形.因此,該驅(qū)動(dòng)器彎曲時(shí)以3組相鄰的腔體驅(qū)動(dòng)最佳,在氣壓相同時(shí),可獲得最大彎曲角度.

圖9試驗(yàn)原理Fig.9Principle of the test 圖10試驗(yàn)設(shè)備Fig.10Test equipment圖11不同驅(qū)動(dòng)數(shù)量腔體彎曲角度-氣壓對(duì)比Fig.11Comparison of bending angle and air pressure of cavity with different driving quantities

3.3 驅(qū)動(dòng)特性

3.3.1 軸向驅(qū)動(dòng)力

根據(jù)試驗(yàn)原理(圖12)搭建的柔性驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力-氣壓試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖13.主要原理:將驅(qū)動(dòng)器固定在試驗(yàn)臺(tái)上,數(shù)顯測(cè)力計(jì)與XY移動(dòng)滑臺(tái)固定,直流電源為氣壓傳感器供電,氣壓傳感器顯示通入氣體壓力,通過(guò)氣源、氣動(dòng)三聯(lián)件提供壓縮氣體,精密減壓閥控制輸入氣體氣壓大小,通過(guò)數(shù)顯測(cè)力計(jì)測(cè)量驅(qū)動(dòng)器在不同氣壓下的驅(qū)動(dòng)力.

由圖13可見(jiàn):在初始狀態(tài)下,數(shù)顯測(cè)力計(jì)一端抵住驅(qū)動(dòng)器上端蓋,限制驅(qū)動(dòng)器軸向變形.在對(duì)5個(gè)彈性腔體同時(shí)通入相同氣壓氣體時(shí),隨著氣壓變化,上端蓋擠壓數(shù)顯測(cè)力計(jì),數(shù)顯測(cè)力計(jì)顯示軸向驅(qū)動(dòng)力.試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值,間隔0.01 MPa采樣,獲得驅(qū)動(dòng)器軸向驅(qū)動(dòng)力-氣壓關(guān)系;為了驗(yàn)證所建立的軸向驅(qū)動(dòng)力-氣壓理論模型,將相關(guān)參數(shù)帶入理論模型,獲得驅(qū)動(dòng)器軸向力-氣壓理論值與試驗(yàn)值對(duì)比關(guān)系,見(jiàn)圖14.由圖14可知:理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)接近,重合效果較好;隨著通入氣體壓力的增大,驅(qū)動(dòng)器軸向驅(qū)動(dòng)力變大,在0.23 MPa氣壓時(shí)的軸向驅(qū)動(dòng)力可達(dá)242 N.

圖12試驗(yàn)原理Fig.12Principle of the test 圖13試驗(yàn)設(shè)備Fig.13Test equipment圖14驅(qū)動(dòng)器軸向驅(qū)動(dòng)力-氣壓理論值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.14Comparison of axial driving force of theactuator-air pressure theory values and test values

為了研究驅(qū)動(dòng)器在伸長(zhǎng)狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)性能,預(yù)先給驅(qū)動(dòng)器分別通入初始?xì)鈮簽?.04、0.08、0.10、0.12 MPa的氣體,此時(shí)不限制驅(qū)動(dòng)器的軸向伸長(zhǎng).初始伸長(zhǎng)結(jié)束后,移動(dòng)XY移動(dòng)滑臺(tái)抵住驅(qū)動(dòng)器上端蓋,使驅(qū)動(dòng)器存在初始伸長(zhǎng)量,測(cè)試不同初始伸長(zhǎng)量下驅(qū)動(dòng)器軸向驅(qū)動(dòng)力與通入氣壓的關(guān)系,間隔0.01 MPa采樣,獲得4組驅(qū)動(dòng)力-氣壓試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合0 MPa初始?xì)鈮旱臄?shù)據(jù)繪制驅(qū)動(dòng)器不同伸長(zhǎng)狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)力-氣壓關(guān)系,見(jiàn)圖15.由圖15可知:在驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)狀態(tài)下,隨著通入氣體氣壓的增大,驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力逐漸增大;在初始?xì)鈮簽?.04 MPa時(shí),通氣至0.23 MPa對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力為220 N;在初始?xì)鈮簽?.08 MPa時(shí),通氣至0.23 MPa對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力為190 N;在初始?xì)鈮簽?.10 MPa時(shí),通氣至0.23 MPa對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力為170 N;在初始?xì)鈮簽?.12 MPa時(shí),通氣至0.23 MPa對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力為130 N.隨著初始?xì)鈮旱脑龃?驅(qū)動(dòng)器在0.23 MPa對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力逐漸減小,原因是部分驅(qū)動(dòng)力為驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)做功被消耗掉.

3.3.2 彎曲夾持力

利用柔性驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力-氣壓試驗(yàn)平臺(tái),改變數(shù)顯測(cè)力計(jì)的安裝位置,測(cè)試驅(qū)動(dòng)器彎曲狀態(tài)下夾持力隨氣壓變化的情況.給3組相鄰的彈性腔體同時(shí)通氣,獲得驅(qū)動(dòng)器彎曲夾持力-氣壓關(guān)系,見(jiàn)圖16.由圖16可知:隨著通入氣體氣壓的增大,驅(qū)動(dòng)器彎曲夾持力逐漸增大,在0.23 MPa氣壓下驅(qū)動(dòng)器彎曲夾持力可達(dá)169 N.

圖15驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)軸向驅(qū)動(dòng)力-氣壓關(guān)系Fig.15Relationship between axial driving force of actuator elongation and air pressure圖16驅(qū)動(dòng)器彎曲夾持力-氣壓關(guān)系Fig.16Relationship between bending driving force of actuator and air pressure

4 結(jié) 論

氣動(dòng)柔性多向驅(qū)動(dòng)器主要由片狀約束環(huán)套裝密封彈性腔體和彈簧組成,通入壓縮氣體后,驅(qū)動(dòng)器可以產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)和空間多個(gè)方向上的彎曲變形.根據(jù)橡膠經(jīng)典變形理論對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行靜力學(xué)分析,建立了驅(qū)動(dòng)器在氣壓下的軸向伸長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)力、彎曲方向的理論模型.通過(guò)試驗(yàn)與理論模型對(duì)比,得到以下結(jié)論:通過(guò)控制通入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)腔氣體氣壓,可以控制驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生不同程度的形變與驅(qū)動(dòng)力,氣壓越大,形變范圍與驅(qū)動(dòng)力越大;驅(qū)動(dòng)器在0.23 MPa氣壓下的伸長(zhǎng)量可達(dá)137 mm,伸長(zhǎng)率大于100%;對(duì)3組相鄰腔體同時(shí)通氣是該驅(qū)動(dòng)器最佳的彎曲形變方式,在0.23 MPa氣壓下驅(qū)動(dòng)器彎曲角度可達(dá)225°;驅(qū)動(dòng)器初始伸長(zhǎng)量為0時(shí),驅(qū)動(dòng)器軸向驅(qū)動(dòng)性能最佳,在0.23 MPa氣壓下驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力為242 N;相鄰3腔體驅(qū)動(dòng),0.23 MPa氣壓下驅(qū)動(dòng)器彎曲夾持力為169 N.