氣/液相變驅動小型氣動肌肉執行器實驗

陳 粒，劉 寧

(1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.福岡工業大學 智能機械工學專攻，日本 福岡 811-0295)

引言

氣動肌肉執行器(PMA)是一種和人體肌肉輸出特性相似的新型氣壓驅動元件[1-2]，具有功率/重量比高、柔順性好[3-4]、結構簡單等優點，在工業和醫學等領域有著廣泛的應用前景[5-6]。當內部壓力升高后，氣動肌肉執行器徑向膨脹、軸向收縮[7-8]，并在端部產生軸向收縮力。然而，氣動肌肉執行器需要諸如空氣壓縮機、儲氣罐和伺服閥等氣動設備進行驅動[9]，使得系統的結構尺寸過于龐大。

為簡化驅動設備，使系統小巧緊湊，本研究利用氟碳化合物氣/液相變(GLPC)時膨脹做功來驅動氣動肌肉執行器，選用金屬陶瓷加熱器(MCH)加熱氟碳化合物，使用PI控制器控制執行器內部的壓力，制作拮抗驅動裝置改善執行器作用力的動力學特性。通過實驗研究，驗證用氣/液相變膨脹做功原理驅動氣動肌肉執行器的可行性，并與空氣驅動方式對比氣動肌肉執行器的收縮特性，提高氣/液相變氣動肌肉執行器作用力的動作效率。

1 氣/液相變氣動肌肉執行器方案簡介

氣/液相變是指物質由液態轉變為氣態或由氣態轉變為液態的現象。達到沸點后，液體沸騰并汽化為氣體，體積膨脹使密閉容器內的壓力增大。熱量散失后，氣體冷凝為液體，體積收縮使密閉容器內的壓力降低。

氣/液相變氣動肌肉執行器的原理，如圖1所示，執行器內部充滿工作流體并安裝加熱器[9]。加熱器通電后，工作流體沸騰并膨脹為氣體，執行器徑向膨脹并在軸向產生作用力；加熱器斷電后，系統散失熱能，工作流體冷凝為液體，執行器恢復到加熱前的狀態。氣/液相變氣動肌肉執行器不需要空氣壓縮機、減壓閥等氣動元件，簡化了驅動設備，使系統小巧緊湊。

圖1 氣/液相變氣動肌肉執行器原理圖

本研究使用氟碳化合物(C5F11NO)作為工作流體，將其主要特性與水進行對比，如表1所示。氟碳化合物的沸點較低，汽化熱約為水的1/22，熱膨脹系數約為水的7倍[10]。為氟碳化合物提供較小的熱能，便能使其發生液/氣相變，并得到較大的膨脹體積。

表1 工作流體的主要特性

金屬陶瓷加熱器升溫快、抗腐蝕、耐高溫，本研究使用如圖2所示的金屬陶瓷加熱器加熱工作流體，型號為CT-JRG5570的加熱器的主要參數，如表2所示。

表2 金屬陶瓷加熱器的主要參數

圖2 金屬陶瓷加熱器示意圖

2 氣/液相變氣動肌肉執行器驅動實驗

為驗證氣/液相變膨脹做功能否驅動氣動肌肉執行器，設計制作氣/液相變氣動肌肉執行器，并進行驅動實驗。

2.1 驅動實驗簡介

本研究使用外徑為6.76 mm、內徑為4.76 mm、長度為100 mm、型號為MAXAM-5-AA的氣動肌肉執行器；為觀測壓力的產生過程，使用容積為3.93 cm3的透明容器，選用型號為PSE510-R06的壓力傳感器進行實驗。氣/液相變氣動肌肉執行器，如圖3所示，執行器與透明容器內部完全填充工作流體。

圖3 氣/液相變氣動肌肉執行器示意圖

如圖4所示，使用PI控制器控制加熱器的工作狀態，從而控制氣動肌肉執行器內部的壓力[11]，控制器的比例增益與積分增益分別為1000 V/Pa，3 V/(Pa·s)，試驗系統如圖5所示。在上位機中將參考輸入壓力pref的初始值設定為0.3 MPa；10 s時pref由0.3 MPa上升到0.35 MPa； 50 s時pref由0.35 MPa下降到0.3 MPa。

圖4 PI控制器原理圖

圖5 實驗系統示意圖

2.2 驅動實驗結果

氣動肌肉執行器內部的壓力變化曲線與溫度變化曲線，分別如圖6、圖7所示，加熱器的功率變化曲線與能量消耗曲線，分別如圖8、 圖9所示。由圖6～圖9可知，氣/液相變氣動肌肉執行器內部能夠產生壓力，該壓力由0.3 MPa上升到0.35 MPa需要0.56 s，由0.35 MPa下降到0.3 MPa需要1.56 s；在10～50 s時，執行器內部的壓力穩定保持在0.35 MPa左右。壓力上升過程中，執行器內部的溫度迅速升高，加熱器的功率增加到額定值；壓力下降過程中，執行器內部的溫度快速降低，加熱器的功率減小到0 W。加熱器在60 s 內共消耗1.69 kJ能量。

圖6 壓力變化曲線

圖7 溫度變化曲線

圖8 功率變化曲線

圖9 加熱器能量消耗曲線

氣/液相變膨脹做功能夠驅動氣動肌肉執行器，該驅動方式簡化了驅動設備、減小了系統的結構尺寸。然而，該方式對氣動肌肉執行器收縮特性的影響還有待研究，而且氣動肌肉執行器內部的壓力下降緩慢，需要提高執行器的動作效率。

3 氣/液相變氣動肌肉執行器的靜態特性實驗

為分析壓力、溫度與工作流體對執行器收縮特性的影響，進行氣/液相變氣動肌肉執行器的靜態特性實驗，并與空氣驅動方式進行對比。

3.1 靜態特性實驗

氣/液相變氣動肌肉執行器的靜態特性實驗裝置如圖10所示，利用圖5所示的系統對該實驗裝置進行驅動控制與數據記錄，重物的質量分別選定為0.5, 1, 2 kg；參考輸入壓力pref設置成斜率為0.002 MPa/s的斜坡信號，pref達到0.6 MPa后以-0.002 MPa/s的速率下降。作為對比，通過手動調節減壓閥，將氣動肌肉執行器從0 MPa加壓到0.6 MPa，然后從0.6 MPa減壓到0 MPa。

圖10 PAM靜態特性實驗裝置示意圖

3.2 兩種驅動方式實驗結果對比

氣/液相變氣動肌肉執行器的靜態特性實驗結果，如圖11～圖13所示。采用空氣與氣/液相變(GLPC)兩種不同方式驅動時，氣動肌肉執行器收縮率s的變化趨勢基本一致。由于氟碳化合物的黏度大于空氣[12]且液體壓縮困難[13-14]，因此與空氣驅動方式相比，采用氣/液相變驅動時，氣動肌肉執行器的收縮率呈等值減小趨勢，并且負載越大差值越小；執行器的收縮率隨著壓力的增大而增大，隨著壓力的減小而減小；執行器內部的溫度隨著壓力的增大而升高，隨著壓力的減小而降低。

圖11 重物為0.5 kg的實驗結果

圖12 重物為1 kg的實驗結果

圖13 重物為2 kg的實驗結果

利用氣/液相變膨脹做功驅動時，氣動肌肉執行器的收縮率略微減小，提出的驅動方式在特定場合下可以取代傳統的氣壓驅動方式。并且，可以利用空氣驅動氣動肌肉執行器的建模原理，建立并修正氣/液相變氣動肌肉執行器的力學模型。

4 氣/液相變氣動肌肉執行器拮抗驅動實驗

氣/液相變氣動肌肉執行器的壓力上升迅速、下降緩慢，降低了執行器的動作效率。為解決此問題，設計制作了拮抗驅動裝置，利用氣/液相變氣動肌肉執行器的快速增壓過程，改善桿件端部作用力在下降過程中的動力學特性。

4.1 拮抗驅動實驗

拮抗驅動裝置，如圖14所示，PMA 1與PMA 2通過齒輪、鏈條連接，桿件端部與力傳感器接觸。當PAM 1收縮而PAM 2不收縮時，齒輪旋轉產生扭矩，從而在桿件端部產生作用力。利用如圖4所示的PI控制器對PAM 1與PAM 2內部的壓力進行控制。

圖14 拮抗驅動裝置示意圖

采用常規驅動方式時，PAM 1與PAM 2內部的初始壓力設定為0.3 MPa；在10 s時，PAM 1內部的壓力增加到0.35 MPa，在50 s時，PAM 1內部的壓力降低到0.3 MPa；在以上過程中，PAM 2內部的壓力始終保持在0.3 MPa。

采用拮抗驅動方式時，PAM 1與PAM 2內部的初始壓力設定為0.3 MPa；在10 s時，PAM 1內部的壓力增加到0.35 MPa；在50 s時，PAM 2內部的壓力也增加到0.35 MPa。

桿件連續動作時，PAM 1與PAM 2內部的初始壓力設定為0.3 MPa；在5 s時，PAM 1內部的壓力增加到0.35 MPa；在10 s時，PAM 2內部的壓力也增加到0.35 MPa；在10～12 s中，PAM 1與PAM 2內部的壓力共同保持在0.35 MPa；為避免PAM 1與PAM 2內部壓力下降不一致，使桿件端部作用力產生擾動，在12 s時，兩者按斜率為-0.05 MPa/s的斜坡信號降低；在13～15 s中，PAM 1與PAM 2內部的壓力共同保持在0.3 MPa。在15～25 s，25～35 s，35～45 s期間，PAM 1與PAM 2的內部壓力重復5～15 s期間的工作循環；在45～50 s中，PAM 1與PAM 2內部的壓力再次保持在0.3 MPa。

4.2 拮抗驅動實驗結果

1) 常規驅動方式

采用常規驅動方式時的實驗結果如圖15所示，桿件端部作用力趨于穩定時需要0.88 s；由于氣/液相變氣動肌肉執行器散熱緩慢，桿件端部作用力的下降過程需要1.45 s；在10～50 s中，桿件端部的作用力保持在0.687 N左右。

圖15 常規驅動方式實驗結果

2) 拮抗驅動方式

采用拮抗驅動方式時的實驗結果如圖16所示，桿件端部作用力下降過程的對比實驗結果，如圖17所示，桿件端部作用力趨于穩定時需要0.85 s；桿件端部作用力的下降過程需要0.58 s，與常規驅動方式相比，拮抗驅動方式能夠加快作用力的下降速率；在10～50 s中，桿件端部作用力保持在0.678 N左右。

圖16 拮抗驅動方式實驗結果

圖17 力下降時的對比實驗結果

3) 桿件連續動作

桿件在連續動作時的實驗結果，如圖18所示。桿件端部作用力在下降過程中不存在擾動，拮抗驅動裝置改善了氣/液相變氣動肌肉執行的動力學特性，能夠讓氣/液相變氣動肌肉執行器迅速產生、停止相同大小的作用力，可以應用于仿生關節等外骨骼機器人領域。

圖18 拮抗驅動裝置連續動作時的實驗結果

5 結論

為簡化氣動肌肉執行器的驅動設備，使系統小巧緊湊。提出了利用氣/液相變膨脹做功來驅動氣動肌肉執行器，對空氣驅動和氣/液相變驅動的氣動肌肉執行器的收縮特性進行了對比，制作了拮抗驅動裝置來改善氣/液相變氣動肌肉執行器作用力的動力學特性。研究表明：氣/液相變氣動肌肉執行器內部可以產生壓力，該壓力能夠較好地跟蹤參考輸入信號；與氣壓驅動方式相比，采用氣/液相變驅動時氣動肌肉執行器的收縮率呈等值減小趨勢；拮抗驅動裝置能夠加快氣/液相變氣動肌肉執行器作用力的下降速率。