謝雨晴， 張?jiān)雒停?車(chē)進(jìn)凱， 弓永軍

(大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

引言

流體驅(qū)動(dòng)的人工肌肉是仿生學(xué)應(yīng)用于流體驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的新型驅(qū)動(dòng)器，包括氣動(dòng)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(yī)生Joseph L McKibben發(fā)明的機(jī)械式氣動(dòng)臂矯正器用于控制殘疾人的手[1]，即McKibben型氣動(dòng)人工肌肉。張氫等[2]研制了一款42 g的輕小型氣動(dòng)人工肌肉，在0.4 MPa下收縮率達(dá)到了21.1 %，在0.34 MPa下產(chǎn)生了28.58 N的拉力；設(shè)計(jì)了一個(gè)質(zhì)量450 g的輕型多自由度靈巧手，并使用該氣動(dòng)人工肌肉對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。隋立明等[3-4]設(shè)計(jì)的一種基于氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器的爬行機(jī)器人，模仿環(huán)節(jié)動(dòng)物的縱肌與環(huán)肌功能，通過(guò)蠕動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)平面或管道中的運(yùn)動(dòng)。安莉等[5]對(duì)水壓人工肌肉的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和工作特性也開(kāi)展了研究工作，在理想條件下，水壓人工肌肉在編織角超過(guò)54.7°后不能輸出拉力，兩端變形對(duì)輸出力影響較大，其輸出力隨著液壓介質(zhì)壓力p的增大而增大。KENNETH等[6]用Shadow開(kāi)發(fā)的橡膠人工肌肉作為水下驅(qū)動(dòng)器，基于橡膠型肌肉靜態(tài)模型設(shè)計(jì)了測(cè)試裝置。在工作壓力為0.3 MPa時(shí)，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(dòng)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(huán)境兼容性更好[7]。目前，學(xué)者們對(duì)水壓人工肌肉的模型和驅(qū)動(dòng)特性研究較多，對(duì)水壓人工肌肉水下驅(qū)動(dòng)的可靠性試驗(yàn)研究較少。BENJAMIN團(tuán)隊(duì)[8]通過(guò)改進(jìn)PAM端部配件的設(shè)計(jì)以增加致動(dòng)器的疲勞壽命，并搭建氣動(dòng)人工肌肉疲勞試驗(yàn)裝置進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，在高頻(30 Hz)條件下循環(huán)1.2億次后均未失效，但該氣動(dòng)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(guò)改變PAM的材料和制造技術(shù)以延長(zhǎng)人工肌肉壽命，搭建執(zhí)行器疲勞試驗(yàn)臺(tái)對(duì)肌肉進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)，在額定壓力655 kPa下，PAM循環(huán)14700次后失效。GLENN K等[10]通過(guò)單軸拉伸預(yù)測(cè)McKibben執(zhí)行器的疲勞壽命，認(rèn)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(shí)，乳膠執(zhí)行器循環(huán)17620次后失效。執(zhí)行器收縮量的大小對(duì)疲勞極限有顯著影響，較小的執(zhí)行器沖程導(dǎo)致更高的疲勞極限。張?jiān)雒偷萚11-12]對(duì)高強(qiáng)度水壓人工肌肉的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，所研制的人工肌肉在工作壓力達(dá)到6 MPa 時(shí)產(chǎn)生最大靜態(tài)收縮力約為15 kN，其力/重量比是傳統(tǒng)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(jí)液壓系統(tǒng)的潛力，并且該驅(qū)動(dòng)器可廣泛地應(yīng)用于海底工程的水下機(jī)械手。

水壓人工肌肉在水下工作過(guò)程中編織網(wǎng)和橡膠管可能出現(xiàn)性能退化，導(dǎo)致水壓人工肌肉失效，分析失效機(jī)理,確定水壓人工肌肉潛在的薄弱環(huán)節(jié)，在保證性能的同時(shí)采取改進(jìn)措施，有效地消除隱患。因此，為了使水壓人工肌肉更好的應(yīng)用于水下環(huán)境，需要對(duì)水壓人工肌肉在水下的性能演化規(guī)律和可靠性進(jìn)行研究。

1 水壓人工肌肉水下驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 適應(yīng)不同收縮量的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

水壓人工肌肉水下驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，該試驗(yàn)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集單元、負(fù)載模塊和安裝平臺(tái)。數(shù)據(jù)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(jìn)而帶動(dòng)滑臺(tái)沿軸向方向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)充壓和卸壓實(shí)現(xiàn)水壓人工肌肉的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，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(cè)水壓人工肌肉在水下的工作情況；負(fù)載模塊為負(fù)載彈簧，負(fù)載彈簧的一端與彈簧擋片和螺母實(shí)現(xiàn)雙鎖緊，通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧擋片在滑桿上的位置可以更換負(fù)載彈簧；安裝平臺(tái)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(yàn)系統(tǒng)采用水壓人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)器，操作簡(jiǎn)單，只需控制肌肉的工作壓力即可實(shí)現(xiàn)水壓人工肌肉的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

1.位移傳感器固定板 2.拉線位移傳感器 3.滑臺(tái) 4.銅套 5.水下攝像頭 6.相機(jī)支架 7.負(fù)載彈簧 8.彈簧擋片 9.水壓人工肌肉驅(qū)動(dòng)器 10.注水接頭 11.拉力傳感器 12.滑桿 13.吊環(huán) 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(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 彈簧靜力平衡分析

水壓人工肌肉理論收縮力表達(dá)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(guān)的常數(shù)

由于壓縮彈簧可以隨外載荷的大小做出相應(yīng)的彈性變形，并在卸載后立即回復(fù)原狀，因此水壓人工肌肉的負(fù)載模塊采用壓縮彈簧。當(dāng)充水壓力為0時(shí)，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(dāng)卸壓時(shí)，水壓人工肌肉在壓縮彈簧的作用下恢復(fù)原長(zhǎng)。

根據(jù)胡克的彈性定律設(shè)計(jì)滿(mǎn)足水壓人工肌肉不同收縮量下的彈簧參數(shù)。彈簧在發(fā)生彈性形變時(shí)，彈簧的彈力F和彈簧的伸長(zhǎng)量(或壓縮量)x成正比，即關(guān)系式為:

F=k·x

(2)

表1 滿(mǎn)足水壓人工肌肉工作行程的彈簧選型

式中，F(xiàn)，k，x分別是彈簧力、彈簧的彈性系數(shù)和彈簧伸長(zhǎng)量。

壓縮彈簧的彈性力和水壓人工肌肉的輸出力達(dá)到平衡時(shí)，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，靜力平衡關(guān)系式為:

2kx=(πD2/4)p[a(1-ε)2-b]

(3)

根據(jù)彈簧的受力大小及水下工作環(huán)境選擇碳素彈簧鋼絲D類(lèi)，碳素鋼強(qiáng)度高，性能好，在表面進(jìn)行發(fā)黑處理可以防水防銹，受循環(huán)載荷作用次數(shù)在103～106次范圍內(nèi)，為Ⅱ類(lèi)彈簧。

彈簧選型應(yīng)滿(mǎn)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(jù)彈簧工作極限載荷，在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)確定彈簧的線徑d、彈簧的內(nèi)徑D1、外徑D2、螺旋角α和節(jié)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(yīng)力，滿(mǎn)足水壓人工肌肉工作行程的彈簧選型如表1所示。根據(jù)單圈剛度pd確定彈簧有效圈數(shù)n：

n=pd/p′

(5)

式中，n和p′分別是彈簧有效圈數(shù)和彈簧剛度。根據(jù)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(shí)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(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖2所示，水液壓比例節(jié)流閥7和開(kāi)關(guān)閥8并聯(lián)，當(dāng)截止閥9關(guān)閉，水液壓比例節(jié)流閥7開(kāi)啟，手動(dòng)單向節(jié)流閥6和水液壓比例節(jié)流閥7組成B型半橋回路，調(diào)節(jié)水壓人工肌肉11的工作壓力；當(dāng)截止閥9開(kāi)啟，水液壓比例節(jié)流閥7關(guān)閉，手動(dòng)單向節(jié)流閥6和開(kāi)關(guān)閥8組成B型半橋回路，控制水壓人工肌肉的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

高壓海水泵的主要參數(shù)如表2所示。數(shù)據(jù)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(yàn)中肌肉的收縮位移情況。下端接拉力傳感器12，記錄試驗(yàn)中肌肉的收縮位移情況。在水下環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為了記錄水壓人工肌肉的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和失效形式，將防水?dāng)z像頭安裝在相機(jī)支架上同時(shí)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(jí)都為IP68，防水防腐蝕且都在濕度工作范圍內(nèi)，測(cè)試系統(tǒng)中傳感器性能如表3所示。

1.水箱 2.過(guò)濾器 3.水壓泵 4.電機(jī) 5.溢流閥 6.手動(dòng)節(jié)流閥 7.水液壓比例節(jié)流閥 8.開(kāi)關(guān)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(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

表2 高壓海水泵參數(shù)

表3 傳感器參數(shù)

對(duì)該水壓人工肌肉水下驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試時(shí)關(guān)閉截止閥，開(kāi)啟水液壓比例節(jié)流閥，調(diào)節(jié)水壓人工肌肉的工作壓力。進(jìn)行水壓人工肌肉的循環(huán)試驗(yàn)，水壓人工肌肉的參數(shù)如表4所示。水壓人工肌肉的初始長(zhǎng)度為300 mm，初始編織角為25°，編織網(wǎng)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(huán)個(gè)數(shù)為2個(gè)，端部扣壓量為1.7 mm，編制錠子數(shù)為96個(gè)，纖維束股數(shù)為3根。

表4 水壓人工肌肉參數(shù)

圖3 水壓人工肌肉

圖4 水壓人工肌肉水下驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物照片

安裝水壓人工肌肉的初始狀態(tài)收縮量為0，動(dòng)力源給定恒壓5 MPa，采樣周期0.01 s。當(dāng)水液壓比例閥完全打開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)背壓不超過(guò)0.5 MPa。使用MATLAB收集試驗(yàn)過(guò)程中充水壓力、收縮位移和收縮力的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理方法為FFT濾波，窗口點(diǎn)數(shù)設(shè)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(dá)到25 N和0.5 mm。測(cè)試時(shí)給水液壓比例閥0～10 V的斜坡電壓信號(hào)，斜率為0.5，不同收縮量下的收縮力與輸出壓力試驗(yàn)曲線如圖5所示。試驗(yàn)采樣時(shí)間t為45 s，采樣頻率為0.01 Hz。利用試驗(yàn)裝置對(duì)水壓人工肌肉進(jìn)行測(cè)試，采集不同收縮量下的收縮力和輸出壓力數(shù)據(jù)，水壓人工肌肉的輸出壓力在4.8 MPa時(shí)趨于穩(wěn)定，此時(shí)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(cè)試時(shí)給水液壓比例閥0～10 V的正弦電壓信號(hào)，周期為60 s，不同收縮量下的收縮力與輸出壓力試驗(yàn)曲線如圖6所示。試驗(yàn)采樣時(shí)間t為200 s，采樣頻率為0.01 Hz。利用試驗(yàn)裝置對(duì)水壓人工肌肉實(shí)現(xiàn)循環(huán)往復(fù)控制。采集不同收縮量下的收縮力和輸出壓力數(shù)據(jù)，水壓人工肌肉的最大輸出壓力趨于4 MPa，此時(shí)收縮力趨于8000 N，收縮量為28 mm。在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)臺(tái)能夠正常工作，彈簧和傳感器件具有良好的工作狀態(tài)，為下一步水壓人工肌肉在水下的研究提供了條件。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)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(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)并搭建了水壓人工肌肉水下驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)水壓人工肌肉在不同行程下的循環(huán)載荷試驗(yàn)。調(diào)試該水下驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)并采集水壓人工肌肉的收縮力和收縮率，調(diào)試結(jié)果表明，水壓人工肌肉的輸出壓力都達(dá)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。