氣動空間彎曲柔性關(guān)節(jié)靜力學(xué)實驗研究

劉洪波，劉　齊

(1.北華大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林 132021；2.北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

目前機(jī)器人已經(jīng)廣泛的運(yùn)用到軍事、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂、工業(yè)等各個領(lǐng)域，機(jī)器人已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦胁豢苫蛉钡囊徊糠諿1-3].關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式和結(jié)構(gòu)性能在很大程度上決定了機(jī)器人的性能.關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式主要有電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動、新功能材料驅(qū)動等.液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是輸出力矩大，控制起來也較為簡單，缺點(diǎn)是存在泄漏、成本較高，另外還需要專門提供高壓油的供應(yīng)系統(tǒng).電機(jī)驅(qū)動關(guān)節(jié)的主要優(yōu)點(diǎn)是控制方便且精確、潔凈和噪音低等，缺點(diǎn)是質(zhì)量大，柔性程度不高，不易工作在易燃易爆的工作場所[4,5].針對一些具有特殊功能要求的機(jī)器人，傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動方式已經(jīng)不能滿足其使用要求，經(jīng)過科研人員的努力，人們又相繼開發(fā)出了一些新型的關(guān)節(jié)驅(qū)動技術(shù)，如：形狀記憶合金驅(qū)動器[6](Shape Memory Alloy Actuator)、磁致伸縮驅(qū)動器[7](Magneto-strictive Effect Actuator)、壓電驅(qū)動器[8](Piezo-Electric Actuator)和氣動柔性驅(qū)動器[9](Flexible Pneumatic Actuator)等.其中，功能材料驅(qū)動因為成本高、技術(shù)尚不十分成熟，沒有得到進(jìn)一步的研究與開發(fā).相比而言，氣動柔性驅(qū)動器以其結(jié)構(gòu)簡單、低成本、清潔無污染以及較好柔順性等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用.

本文研制的關(guān)節(jié)，能夠極好地實現(xiàn)軸向伸長和空間彎曲運(yùn)動，具有較好的彎曲變形特性，可以作為柔性手指或者六足機(jī)器人的腿部使用.

1　關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動原理

關(guān)節(jié)主要由彈性氣囊、約束元件、彈簧等組成(圖1)，彈簧作為骨架分別與上、下端蓋固定連接；彈性氣囊分析上設(shè)有流體入口.彈性氣囊、堵頭和約束件三者構(gòu)成的密封良好的腔體稱為人工肌肉.該關(guān)節(jié)相當(dāng)于由三個人工肌肉并聯(lián)而成，具有三個自由度，能實現(xiàn)軸向伸長和空間彎曲[10].

圖1　關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

圖2　關(guān)節(jié)受力分析

當(dāng)P1、P2、P3(圖2(a)：K1、K2和K3分別是三個彈簧的軸向剛度；Kn1、Kn2和Kn3為三個乳膠管的軸向剛度))相同時，彎矩合為零，關(guān)節(jié)只沿軸線方向伸長，伸長量由氣體壓力大小所決定；當(dāng)P1、P2、P3壓力不同時，彎矩矢量合不為零，關(guān)節(jié)發(fā)生彎曲與伸長復(fù)合的變形(圖2(b))，彎曲方向由彎矩矢量合的方向，彎曲程度由合力矩的大小決定.通過三個氣壓值即P1、P2、P3的控制，便可控制關(guān)節(jié)向各個方向彎曲和沿中心軸方向的伸長[11].

2　實驗原理與數(shù)據(jù)分析

圖3　實驗原理

實驗設(shè)備型號數(shù)據(jù)處理投影儀JT12A-C氣動三元件AF3000-03精密減壓閥IR2020-02G氣源WX-1.5HP快插接頭二通

表2　關(guān)節(jié)的參數(shù)

2.1　靜態(tài)伸長實驗

將關(guān)節(jié)一端固定，控制P=P1=P2=P3，逐漸增加通入氣壓值，可以通過數(shù)據(jù)處理投影儀測得關(guān)節(jié)不同壓力下的軸向伸長量；然后逐步調(diào)低氣體壓力，測量關(guān)節(jié)伸長量與輸入壓力的關(guān)系，得到加壓與減壓過程中的關(guān)節(jié)伸長量與輸入壓力之間的關(guān)系曲線(圖4).圖5是在0.35 MPa時，關(guān)節(jié)的軸向伸長變形狀態(tài).

氣壓值/MPa圖4　關(guān)節(jié)伸長量與輸入氣壓的關(guān)系

從圖4中可以看出，隨著通入氣體壓力的增加，關(guān)節(jié)的軸向伸長量增大，而且曲線成非線性；在0.35 MPa壓力時伸長量是13.4 mm，達(dá)到自身有效變形長度的31.8%；關(guān)節(jié)在充壓和卸壓兩種狀態(tài)下數(shù)據(jù)曲線不重合，而且卸壓時伸長量比充壓時大，說明橡膠材料變形存在一定的遲滯性.將獲得的伸長量實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項式擬合，擬合誤差是0.267 85 mm，得到關(guān)節(jié)軸向變形伸長量的經(jīng)驗公式為：

Δl=87.74P2+8.884P+0.1013(mm)

(1)

圖5　關(guān)節(jié)軸向伸長變形形態(tài)(P=0.35 MPa)

2.2　靜態(tài)彎曲實驗

實驗中將關(guān)節(jié)一端固定，首先使P=P1、P2=P3=0，關(guān)節(jié)朝著P2和P3的方向彎曲，逐步調(diào)高氣體壓力P，測量關(guān)節(jié)單肌肉驅(qū)動時彎曲角度與輸入壓力的關(guān)系(圖6).然后控制 P=P2=P3、P1=0，關(guān)節(jié)將朝著P1的方向彎曲，逐步調(diào)高氣體壓力，測量雙肌肉驅(qū)動時關(guān)節(jié)彎曲角度與輸入壓力的關(guān)系(圖8).圖7、圖9分別是在0.35 MPa時，不同驅(qū)動方式下關(guān)節(jié)的彎曲變形形態(tài).

氣壓值/MPa圖6　關(guān)節(jié)單肌肉驅(qū)動彎曲角度與氣壓的關(guān)系

從圖6可以看出，單肌肉驅(qū)動角度隨著氣壓值的增加而增加且曲線具有一定程度的非線性.說明關(guān)節(jié)在變形過程中要克服自身剛度影響，隨著變形量增大，關(guān)節(jié)自身剛度減弱.單肌肉驅(qū)動時，擬合誤差是0.577 69°，關(guān)節(jié)彎曲變形端面轉(zhuǎn)角的經(jīng)驗公式為：

θ=196.5P2+28.01P+0.1817(°)

(2)

圖7　關(guān)節(jié)單肌肉驅(qū)動彎曲變形形態(tài)(P=0.35 MPa)

氣壓值/MPa圖8　關(guān)節(jié)雙肌肉驅(qū)動彎曲角度與氣壓的關(guān)系

圖9　關(guān)節(jié)兩肌肉驅(qū)動變形形態(tài)(P=0.35 MPa)

由雙肌肉驅(qū)動角度變化曲線(圖8)可知，相同氣壓值，雙肌肉驅(qū)動彎曲角度大于單肌肉驅(qū)動彎曲角度，但不是二倍關(guān)系，說明關(guān)節(jié)彎曲變形量不僅與驅(qū)動力有關(guān)，還與關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形狀有關(guān).雙肌肉驅(qū)動時，擬合誤差是0.564 39°，關(guān)節(jié)彎曲變形端面轉(zhuǎn)角的經(jīng)驗公式為：

θ=239.6P2+63.91P+0.2721(°)

BIM技術(shù)通過施工流程模擬、信息量統(tǒng)計，給項目管理提供重要的技術(shù)支持，使每個階段要做什么，工程量是多少，下一步怎么干，每一個階段的工作順序是什么？都變得顯而易見，使管理內(nèi)容變得可視化，增強(qiáng)管理者對工程內(nèi)容和質(zhì)量的管控能力（見圖1）。

(3)

3　結(jié)　　論

本文研制了一種新型氣動空間彎曲柔性關(guān)節(jié)，實驗研究結(jié)果表明，關(guān)節(jié)雖然具有一定的非線性和遲滯性，但三肌肉并聯(lián)組合的結(jié)構(gòu)能方便地實現(xiàn)軸向伸長和空間彎曲，具有較好的柔性和實用性.通過對P1、P2、P3控制可以控制關(guān)節(jié)向各個方向彎曲和沿中心軸方向的伸長，從實驗數(shù)據(jù)上得出，關(guān)節(jié)在0.35 MPa壓力時，關(guān)節(jié)的伸長量是13.4 mm，達(dá)到自身有效變形長度的31.8%，雙肌肉驅(qū)動彎曲角度達(dá)到52°，可以作為柔性手指或者六足機(jī)器人的腿部使用.

參考文獻(xiàn)：

[1]Kanda, T.,Ishiguro,H.,Ono,T.,Imai,M.,Mase,K.：Development and Evaluation of Interactive Robot “Robovie”,IEEE International Conference on Robotics and Automation,2002：1848-1855.

[2]彭賀,劉洪波.氣動驅(qū)動器種類及特點(diǎn)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報,2017,34(3)：56-58.

[3]劉旭東.氣動安全柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計及其在機(jī)器人手指中的應(yīng)用研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué),2008.

[4]朱邦河.基于人工肌肉的仿生關(guān)節(jié)驅(qū)動器研究[D].鄭州：河南工業(yè)大學(xué),2014.

[5]武廣斌，鄭永永，劉榮輝.氣動雙體人工肌肉彎曲特性分析.吉林化工學(xué)院學(xué)報，2016，33(7)：41-43.

[6]J.Abadie,N.Chaillet,C.Lexcellent.Modeling of a new SMA micro-actuator for active endoscopy applications[J].Mechatronics,2009(19)：437-442.

[7]Du Trémolet de Lacheisserie E.Magnetostriction：Theory and Applications of Magnetoelasticity[M].Boca Raton：CRC Press,1993.

[8]Choi S B,Hong S R,Han Y M.Dynamic characteristics of inertial actuator featuring piezoelectric materials：experimental verification[J].Journal of Sound and Vibration,2007,302(4)：1048-1056.

[10] 趙云偉,耿德旭,劉曉敏,等.三自由度氣動柔性驅(qū)動器結(jié)構(gòu)功能與形變特性研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2017,48(9)：392-401.

[11] 耿德旭,劉洪波,劉曉敏,等.氣動空間彎曲柔性關(guān)節(jié)運(yùn)動功能實驗研究[J].液壓與氣動,2015(11)：41-44.