水壓人工肌肉水下驅動試驗系統設計與試驗研究

謝雨晴， 張增猛， 車進凱， 弓永軍

(大連海事大學 船舶與海洋工程學院， 遼寧 大連 116026)

引言

流體驅動的人工肌肉是仿生學應用于流體驅動領域的新型驅動器，包括氣動人工肌肉、油液壓人工肌肉和水壓人工肌肉。人工肌肉是在1950年由醫生Joseph L McKibben發明的機械式氣動臂矯正器用于控制殘疾人的手[1]，即McKibben型氣動人工肌肉。張氫等[2]研制了一款42 g的輕小型氣動人工肌肉，在0.4 MPa下收縮率達到了21.1 %，在0.34 MPa下產生了28.58 N的拉力；設計了一個質量450 g的輕型多自由度靈巧手，并使用該氣動人工肌肉對其進行驅動。隋立明等[3-4]設計的一種基于氣動軟體驅動器的爬行機器人，模仿環節動物的縱肌與環肌功能，通過蠕動的方式實現平面或管道中的運動。安莉等[5]對水壓人工肌肉的靜態數學模型和工作特性也開展了研究工作，在理想條件下，水壓人工肌肉在編織角超過54.7°后不能輸出拉力，兩端變形對輸出力影響較大，其輸出力隨著液壓介質壓力p的增大而增大。KENNETH等[6]用Shadow開發的橡膠人工肌肉作為水下驅動器，基于橡膠型肌肉靜態模型設計了測試裝置。在工作壓力為0.3 MPa時，半徑為20 mm的水壓人工肌肉輸出力約為500 N，比同條件下的氣動人工肌肉高出了15%。與油液壓人工肌肉相比，水壓人工肌肉與海洋環境兼容性更好[7]。目前，學者們對水壓人工肌肉的模型和驅動特性研究較多，對水壓人工肌肉水下驅動的可靠性試驗研究較少。BENJAMIN團隊[8]通過改進PAM端部配件的設計以增加致動器的疲勞壽命，并搭建氣動人工肌肉疲勞試驗裝置進行疲勞壽命試驗，在高頻(30 Hz)條件下循環1.2億次后均未失效，但該氣動人工肌肉的額定工作壓力僅620 kPa，與水壓人工肌肉額定工作壓力差距較大。KINGSLEY[9]通過改變PAM的材料和制造技術以延長人工肌肉壽命，搭建執行器疲勞試驗臺對肌肉進行循環實驗，在額定壓力655 kPa下，PAM循環14700次后失效。GLENN K等[10]通過單軸拉伸預測McKibben執行器的疲勞壽命，認為PAM的疲勞壽命取決于橡膠材料的壽命，在小收縮量工作壓力90 kPa時，乳膠執行器循環17620次后失效。執行器收縮量的大小對疲勞極限有顯著影響，較小的執行器沖程導致更高的疲勞極限。張增猛等[11-12]對高強度水壓人工肌肉的靜態和動態特性進行了試驗研究，所研制的人工肌肉在工作壓力達到6 MPa 時產生最大靜態收縮力約為15 kN，其力/重量比是傳統液壓缸的5倍，證明水壓人工肌肉具有適用于緊湊型和輕量級液壓系統的潛力，并且該驅動器可廣泛地應用于海底工程的水下機械手。

水壓人工肌肉在水下工作過程中編織網和橡膠管可能出現性能退化，導致水壓人工肌肉失效，分析失效機理,確定水壓人工肌肉潛在的薄弱環節，在保證性能的同時采取改進措施，有效地消除隱患。因此，為了使水壓人工肌肉更好的應用于水下環境，需要對水壓人工肌肉在水下的性能演化規律和可靠性進行研究。

1 水壓人工肌肉水下驅動結構設計

1.1 適應不同收縮量的試驗結構設計及工作原理

水壓人工肌肉水下驅動試驗系統如圖1所示，該試驗系統包括數據采集單元、負載模塊和安裝平臺。數據采集單元包括拉線位移傳感器2、拉力傳感器11和水下攝像頭5；水壓人工肌肉充水后軸向收縮進而帶動滑臺沿軸向方向運動，通過充壓和卸壓實現水壓人工肌肉的往復循環運動，拉線位移傳感器和拉力傳感器分別采集水壓人工肌肉的位移和拉力；水下攝像頭用于觀測水壓人工肌肉在水下的工作情況；負載模塊為負載彈簧，負載彈簧的一端與彈簧擋片和螺母實現雙鎖緊，通過調節彈簧擋片在滑桿上的位置可以更換負載彈簧；安裝平臺包括位移傳感器固定板1、力傳感器連接板14、滑桿12和橫梁15。該試驗系統采用水壓人工肌肉作為驅動器，操作簡單，只需控制肌肉的工作壓力即可實現水壓人工肌肉的往復循環運動。

1.位移傳感器固定板 2.拉線位移傳感器 3.滑臺 4.銅套 5.水下攝像頭 6.相機支架 7.負載彈簧 8.彈簧擋片 9.水壓人工肌肉驅動器 10.注水接頭 11.拉力傳感器 12.滑桿 13.吊環 14.力傳感器連接板 15.橫梁 16.鎖緊螺母 17.螺母圖1 水壓人工肌肉水下驅動試驗系統

1.2 彈簧靜力平衡分析

水壓人工肌肉理論收縮力表達式：

Fideal(ε,p)=(πD2/4)p[a(1-ε)2-b]

0≤ε≤εmax

(1)

式中，p—— 水壓人工肌肉工作壓力

ε—— 水壓人工肌肉收縮率

D—— 彈簧中徑

a，b—— 是與初始編織角θ0有關的常數

由于壓縮彈簧可以隨外載荷的大小做出相應的彈性變形，并在卸載后立即回復原狀，因此水壓人工肌肉的負載模塊采用壓縮彈簧。當充水壓力為0時，水壓人工肌肉不工作，隨著充水壓力的增大，水壓人工肌肉軸向收縮，徑向膨脹，彈簧壓縮到指定工作位置；當卸壓時，水壓人工肌肉在壓縮彈簧的作用下恢復原長。

根據胡克的彈性定律設計滿足水壓人工肌肉不同收縮量下的彈簧參數。彈簧在發生彈性形變時，彈簧的彈力F和彈簧的伸長量(或壓縮量)x成正比，即關系式為:

F=k·x

(2)

表1 滿足水壓人工肌肉工作行程的彈簧選型

式中，F，k，x分別是彈簧力、彈簧的彈性系數和彈簧伸長量。

壓縮彈簧的彈性力和水壓人工肌肉的輸出力達到平衡時，系統處于靜止狀態，靜力平衡關系式為:

2kx=(πD2/4)p[a(1-ε)2-b]

(3)

根據彈簧的受力大小及水下工作環境選擇碳素彈簧鋼絲D類，碳素鋼強度高，性能好，在表面進行發黑處理可以防水防銹，受循環載荷作用次數在103～106次范圍內，為Ⅱ類彈簧。

彈簧選型應滿足工作極限載荷:

pj≥1.25pn

(4)

式中，pj和pn分別是彈簧工作極限載荷和最大工作載荷。根據彈簧工作極限載荷，在機械設計手冊確定彈簧的線徑d、彈簧的內徑D1、外徑D2、螺旋角α和節距t、工作極限載荷下的單圈變形量fj、單圈剛度pd和彈簧許用應力，滿足水壓人工肌肉工作行程的彈簧選型如表1所示。根據單圈剛度pd確定彈簧有效圈數n：

n=pd/p′

(5)

式中，n和p′分別是彈簧有效圈數和彈簧剛度。根據彈簧剛度p′和最大工作載荷pn、最小工作載荷p1確定彈簧實際工作行程h：

h=H1-Hn

(6)

式中，H1和Hn分別是最小載荷高度和最大載荷高度。

2 水壓人工肌肉水下驅動試驗系統

試驗系統原理圖如圖2所示，水液壓比例節流閥7和開關閥8并聯，當截止閥9關閉，水液壓比例節流閥7開啟，手動單向節流閥6和水液壓比例節流閥7組成B型半橋回路，調節水壓人工肌肉11的工作壓力；當截止閥9開啟，水液壓比例節流閥7關閉，手動單向節流閥6和開關閥8組成B型半橋回路，控制水壓人工肌肉的往復循環運動。

高壓海水泵的主要參數如表2所示。數據采集單元是拉線位移傳感器10、拉力傳感器12和水下攝像頭。上端接拉線位移傳感器10，記錄試驗中肌肉的收縮位移情況。下端接拉力傳感器12，記錄試驗中肌肉的收縮位移情況。在水下環境進行實驗，為了記錄水壓人工肌肉的運動過程和失效形式，將防水攝像頭安裝在相機支架上同時觀察水壓人工肌肉局部和整體。拉線位移傳感器和拉力傳感器防水等級都為IP68，防水防腐蝕且都在濕度工作范圍內，測試系統中傳感器性能如表3所示。

1.水箱 2.過濾器 3.水壓泵 4.電機 5.溢流閥 6.手動節流閥 7.水液壓比例節流閥 8.開關閥 9.截止閥 10.拉線位移傳感器 11.水壓人工肌肉 12.拉力傳感器圖2 水下驅動試驗系統原理圖

表2 高壓海水泵參數

表3 傳感器參數

對該水壓人工肌肉水下驅動試驗系統進行調試，調試時關閉截止閥，開啟水液壓比例節流閥，調節水壓人工肌肉的工作壓力。進行水壓人工肌肉的循環試驗，水壓人工肌肉的參數如表4所示。水壓人工肌肉的初始長度為300 mm，初始編織角為25°，編織網材料為UHMWPE纖維，橡膠管由氯丁橡膠制成，橡膠管外徑相同為30 mm，橡膠管壁厚為2 mm，扣壓環個數為2個，端部扣壓量為1.7 mm，編制錠子數為96個，纖維束股數為3根。

表4 水壓人工肌肉參數

圖3 水壓人工肌肉

圖4 水壓人工肌肉水下驅動試驗系統實物照片

安裝水壓人工肌肉的初始狀態收縮量為0，動力源給定恒壓5 MPa，采樣周期0.01 s。當水液壓比例閥完全打開時，系統背壓不超過0.5 MPa。使用MATLAB收集試驗過程中充水壓力、收縮位移和收縮力的數據。數據處理方法為FFT濾波，窗口點數設置為200，截止頻率為0.25 Hz。

水壓人工肌肉的力和位置控制精度分別可以達到25 N和0.5 mm。測試時給水液壓比例閥0～10 V的斜坡電壓信號，斜率為0.5，不同收縮量下的收縮力與輸出壓力試驗曲線如圖5所示。試驗采樣時間t為45 s，采樣頻率為0.01 Hz。利用試驗裝置對水壓人工肌肉進行測試，采集不同收縮量下的收縮力和輸出壓力數據，水壓人工肌肉的輸出壓力在4.8 MPa時趨于穩定，此時最大收縮力為8100 N，收縮量為28 mm。

圖5 不同收縮量下的收縮力與輸出壓力

測試時給水液壓比例閥0～10 V的正弦電壓信號，周期為60 s，不同收縮量下的收縮力與輸出壓力試驗曲線如圖6所示。試驗采樣時間t為200 s，采樣頻率為0.01 Hz。利用試驗裝置對水壓人工肌肉實現循環往復控制。采集不同收縮量下的收縮力和輸出壓力數據，水壓人工肌肉的最大輸出壓力趨于4 MPa，此時收縮力趨于8000 N，收縮量為28 mm。在試驗過程中，試驗臺能夠正常工作，彈簧和傳感器件具有良好的工作狀態，為下一步水壓人工肌肉在水下的研究提供了條件。

3 結論

通過對水壓人工肌肉的力位移特性分析和彈簧參

圖6 不同收縮率下的收縮力與輸出壓力

數計算，設計并搭建了水壓人工肌肉水下驅動試驗系統，用以實現水壓人工肌肉在不同行程下的循環載荷試驗。調試該水下驅動試驗系統并采集水壓人工肌肉的收縮力和收縮率，調試結果表明，水壓人工肌肉的輸出壓力都達到4 MPa以上， 收縮力趨于8000 N， 得到了水壓人工肌肉力位移特性曲線。