尤向榮, 秦現(xiàn)生, 王 偉, 張順琦

(西北工業(yè)大學, 陜西西安 710072)

0 引 言

仿肌肉驅動器是目前國內外仿生研究的熱點,動物肌肉有很多傳統(tǒng)驅動器沒有或遠達不到的性能,如功率/重量比高, 運動機構簡單, 能量可以儲備,以實現(xiàn)強大的爆發(fā)力等。仿肌肉驅動器的設計和實現(xiàn)比較有代表的方向有形狀記憶合金(以下簡稱SMA)、電致伸縮聚合物(以下簡稱EAP)、壓電陶瓷(以下簡稱PZT)和氣動人工肌肉(以下簡稱PMA)。 SMA驅動器的應用較多, 文獻[1 -2] 都利用SMA絲實現(xiàn)了對仿生機器人的驅動, 文獻[3] 介紹了電致伸縮聚合物的驅動原理,文獻[4]利用壓電陶瓷設計了壓電直線電動機;氣動人工肌肉種類繁多, 文獻[5] 對氣動人工肌肉的原理及應用進行了闡述,文獻[6] 概述了仿肌肉驅動器的發(fā)展現(xiàn)狀以及各種仿肌肉驅動器的原理和應用。一個好的仿肌肉驅動器應具有優(yōu)秀的驅動特性和高疲勞壽命,并且一維伸縮、應變大、強度好、無噪聲、能量密度大和柔順性好等特征, 仿肌肉驅動器的研究雖然取得了一些成果,但現(xiàn)有的仿肌肉驅動器遠未達到上述目標。本文通過分析模仿動物骨骼肌的結構和運動形式, 設計了一種基于電磁場的新型仿肌肉驅動器,并通過電磁場分析對其結構參數(shù)進行了優(yōu)化。

1 動物肌肉結構和工作原理

動物肌肉(骨骼肌)的組織結構如圖1a所示。肌肉的基本單元是肌小節(jié),肌小節(jié)經過串聯(lián)組成了肌原纖維,肌原纖維經過并聯(lián)組成了肌纖維,肌纖維再經過并聯(lián)組成了肌肉。因此肌肉的伸縮其根本在于肌小節(jié)的運動。 H.E.Huxley和A.F.Huxley在1954年分別獨立地提出肌肉收縮的肌絲滑行學說,該學說認為:肌小節(jié)的縮短是細肌絲在粗肌絲之間主動地相對滑行結果[7]。

圖1b描述了肌小節(jié)的兩種運動狀態(tài),上面為伸張狀態(tài), 下面為收縮狀態(tài)。肌小節(jié)兩種狀態(tài)的變化最終導致了肌肉的伸展與收縮。本文設計的仿肌肉驅動器就是以此為基礎建立的。

圖1 動物肌肉結構

2 驅動器設計

通過圖1可以看到, 單個肌小節(jié)實現(xiàn)的運動比較簡單,只有伸縮兩個狀態(tài)。仿肌肉驅動器的設計就是遵循這一原理, 首先是設計出實現(xiàn)肌小節(jié)伸縮運動的裝置,再通過串并聯(lián)結構實現(xiàn)對肌肉的仿生。

電磁力的發(fā)現(xiàn)及應用推動了整個世界的發(fā)展,電動機可以說是現(xiàn)代社會的動力之源, 而且電磁力的理論基礎及應用都比較成熟, 所以在設計仿肌肉驅動器時首先想到的就是設計出一種結構能更好地應用電磁力來實現(xiàn)肌小節(jié)的運動。文獻[9] 中涉及到電致伸縮器為仿肌肉驅動器的設計提供了一種思路,但是電致伸縮器存在著抗疲勞性差, 電磁場利用不全面等缺點。由于仿肌肉驅動器要實現(xiàn)一維運動,傳統(tǒng)的旋轉電機要實現(xiàn)一維直線運動,必須通過絲杠-螺母機構把旋轉運動變換成直線運動, 這損耗了很大一部分能量, 而且響應速度很慢。因此傳統(tǒng)電機也很難實現(xiàn)仿肌肉驅動器的設計。

但是本文從步進電機中得到了啟發(fā),步進電動機的原理如圖2a所示, 當A相通電時,轉子的1、3極腳與定子的A相極腳對齊, 當B相通電時, 轉子的2、4極腳與定子的B相極腳對齊,在A、B相變化中轉子轉過了一個角度。在設計仿肌小節(jié)的結構中,利用步進電動機的原理,把旋轉運動的步進電機沿軸向劈開,形成了如圖2b所示的結構。 A相極腳依然和1、3極腳相對齊, B相極腳和2、4 極腳錯開一定的距離,當A相通電時,由于電磁力的作用, 使1、3極腳和A相極腳對齊。當A相斷電, B相通電時, 2、4極腳和B相極腳對齊,這樣通過控制A、B相的通斷電就實現(xiàn)了類似肌小節(jié)Z線和M線之間的相對伸縮運動。

圖2 仿肌小節(jié)驅動器原理

根據(jù)以上原理設計了仿肌小節(jié)驅動器, 但是在實際機械設計中發(fā)現(xiàn), 平板式的驅動器需要的部件較多, 結構較復雜,這和仿肌肉驅動器簡單高效的要求是相違背的。因此對機械結構進行了創(chuàng)新設計,用圓筒型結構代替了平板結構, 模型如圖3所示。圓筒型結構具有結構簡單、磁路對稱性好、電磁場利用率高、加工方便等優(yōu)點,也提高了能量密度。

圖3 仿肌小節(jié)驅動器

仿肌小節(jié)驅動器的靜子[11]和動子是相互分離的,兩者靠電磁力來保證相對的位移。這樣提高了抗疲勞強度, 而且靜子和動子可以看作是彈性非線性系統(tǒng), 這和肌肉是非常類似的。

仿肌肉驅動器是仿肌小節(jié)驅動器經過串并聯(lián)形成的,如圖4所示。串聯(lián)的形式是上一級的仿肌小節(jié)驅動器的動子連接下一級的靜子,依次相連。串聯(lián)在一起的肌小節(jié)驅動器就可以實現(xiàn)和肌原纖維相類似的功能, 通過控制不同肌小節(jié)驅動器的伸縮狀態(tài), 就可以實現(xiàn)整串的長度、位移以及速度等運動特性。幾串肌小節(jié)驅動器并聯(lián)在一起就組成了仿肌肉驅動器。通過控制不同串的伸縮及通斷電狀態(tài), 就可以調整整個仿肌肉驅動器對外的輸出力大小。

圖4 仿肌肉驅動器

3 電磁場有限元分析

仿肌肉驅動器性能直接取決于電磁場設計的合理與否, 磁路設計以及精確預測電磁力需要對電磁場進行數(shù)值計算和分析。電磁場數(shù)值方法包括有限元法、有限差分法、邊界單元法等, 而比較通用和流行的是有限元法, 并且有許多可以進行有限元分析的軟件, 比較有影響的有:美國Swanson Analysis System的ANSYS有限元產品;美國 MacNcal Schwendlert Corp的MSC/EMS軟件;加拿大Integrated Engineering Software Inc.的系列產品以及美國Ansoft Corp.的Maxwell軟件等。本文采用的是ANSYS軟件的二維有限元磁場分析。

ANSYS電磁場分析首先求解出電磁場的矢量磁勢和標量電勢, 然后經過處理得到其他電磁物理量, 如磁力線分布、磁通量密度、電場分布、渦流電場以及系統(tǒng)能量損失等。

3.1 仿真模型參數(shù)確定

對仿肌小節(jié)驅動器電磁場進行有限元分析, 要對其模型進行簡化。圖3是驅動器的模型剖面圖,由于模型具有軸對稱特征,因此可以把模型簡化為二維模型。

對二維靜態(tài)磁場進行有限元分析, 要首先選定分析中用到的單元。 本文中選定的單元是PLANE53,它的形狀是四邊形含8節(jié)點或者退化為三角形含6個節(jié)點。它主要用來分析矢量磁勢、時間積分電勢、電動勢壓降等,如圖5所示。

圖5 PLANE53單元[ 1 0]

對仿肌小節(jié)驅動器進行ANSYS建模并對其進行網(wǎng)格劃分,如圖6所示。模型由六部分組成,其中

圖6 ANSYS網(wǎng)格劃分

動子和銜鐵采用的材料是電磁純鐵DT4;繞組采用是直徑為0.2 mm的漆包線;環(huán)采用的材料為鋁合金,主要起到調整A相和B相距離的作用,進而可以調整肌小節(jié)驅動器的行程。各個部分的電磁參數(shù)如下(μr為相對磁導率):

動子:μr=1 500;銜鐵:μr=1 500;線圈:μr=1 500,匝數(shù)n=300,電流I=1.5 A;鋁環(huán):μr=1;空氣:μr=1。

在ANSYS電磁場分析中,勵磁線圈需要電流密度。電流密度的計算如下:

3.2 電磁場仿真分析

在A相通電、B相斷電的情況下對模型進行加載求解,其電磁場磁力線如圖7所示。由圖7可知,驅動器的磁場設計是合理的,磁力線集中在A相和動子之間, 漏磁比較少。計算結果顯示, 動子和靜子在Y方向(水平方向)產生的電磁力為10.9 N。仿肌小節(jié)驅動器的質量經測量為0.03 kg,力重比達到了36.3。

圖7 磁場分析結果

仿肌肉驅動器是仿肌小節(jié)驅動器經串并聯(lián)而成的。在串聯(lián)方面,由于力的傳遞性, 不存在力疊加問題,力重比會有一定的下降,但是可以通過并聯(lián)的方式來增加驅動器的輸出力。仿肌肉驅動器的響應速度可以達到ms級,最大效率可以達到90%以上,最大應變也在20%以上,并且無噪聲, 抗疲勞強度高,柔順性較好。本設計還實現(xiàn)了驅動器的雙向移動,在驅動過程中,進一步提高了驅動器的響應速度和綜合性能,達到了預期的研究目的。

4 結 語

本文通過模仿動物肌肉, 利用電磁裝置設計實現(xiàn)了仿肌肉驅動器, 并通過對其進行有限元建模分析, 分析了模型的結構參數(shù), 并驗證了模型的正確性。

該設計還有需要改進的地方,如體積相對較大,功率密度還相對較低等。但是仿肌肉驅動器在很多方面都取得了突破性進展,為各種仿肌肉驅動器的研究提供了新的思路和方法, 這一驅動器正在應用于仿生關節(jié)驅動器的設計中。

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