劉艷飛， 張增猛， 楊 勇， 賈云瑞， 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

近年來，隨著人類對海洋探索的逐漸深入，水下機器人因為其安全性高、操作方便、工作效率高等優(yōu)點，越來越廣泛地應用到海洋資源勘探、沉船打撈、海底調(diào)查等領域[1]。傳統(tǒng)水下航行器的驅動裝置大多為電機、液壓缸等，如劉海波等[2]通過液壓缸的伸縮來驅動曲柄滑塊，將液壓缸的直線運動轉化為曲柄滑塊的旋轉運動，帶動機器人噴嘴轉動，改變噴嘴的射流方向進而實現(xiàn)噴水矢量推進；羅慶生等[3]通過在噴水推進水下機器人的4組推力臂的末端安裝2個垂直布置的電機來控制噴水推進裝置射流方向。當電機、液壓缸等長時間在水下工作時，存在密封和腐蝕等一系列問題難以解決，同時也增加了水下航行器的生產(chǎn)和維修成本[4]。水壓人工肌肉作為一種新型綠色環(huán)保的驅動裝置，其工作介質是水，可與噴水推進裝置采用同一動力源，減輕了設備的重量[5-6]，具有推重比大、環(huán)境兼容性好、控制精度高等優(yōu)點，適合作為水下機器人的驅動裝置[7]。

水壓人工肌肉由端部接頭、扣壓環(huán)、橡膠管和編織網(wǎng)組成，工作時人工肌肉內(nèi)部一端封閉，向肌肉內(nèi)部橡膠管通入高壓水后，橡膠管充壓膨脹，在外部編織網(wǎng)的束縛下，肌肉軸向收縮徑向膨脹，從而產(chǎn)生相應的輸出力和位移完成驅動。MORI等[8]通過試驗研究McKibben型水壓人工肌肉，制造參數(shù)為初始直徑40 mm、初始編織角25°的人工肌肉，工作壓力達到4 MPa時輸出力高達28 kN。在此基礎上，張增猛等[9-10]提出高強度水壓人工肌肉，并對其靜態(tài)特性進行試驗研究，結果表明制造參數(shù)初始直徑30 mm、初始編織角35°的水壓人工肌肉，工作壓力達到4 MPa時輸出拉力為14 kN。水壓人工肌肉具備承受內(nèi)部高壓力、大拉力負載的高強度性能，為水壓人工肌肉驅動機械關節(jié)提供了條件；并且水壓人工肌肉驅動機械關節(jié)在水下機械臂、機械手、可穿戴式康復機器人等領域得到了廣泛應用。SUZUMORI等[11]研發(fā)利用水壓人工肌肉驅動的機械手，每根手指都有一個五連桿關節(jié)機構。NIKKHAH等[12]提出了一種基于對抗結構的液壓人工肌肉的新型驅動方法，并將其應用于驅動肘關節(jié)的二頭肌-三頭肌配置中。為了研究水壓人工肌肉調(diào)節(jié)關節(jié)的驅動性能，車進凱等[13]設計了串并聯(lián)混合式三自由度水壓人工肌肉機械關節(jié)，利用一對水壓人工肌肉的拮抗作用來實現(xiàn)對關節(jié)的驅動。為進行水壓人工肌肉驅動噴嘴矢量調(diào)節(jié)機構設計提供重要參考。

基于水壓人工肌肉調(diào)節(jié)關節(jié)轉角的驅動方式，本研究采用2對水壓人工肌肉相互垂直布置的方式開發(fā)了二自由度噴水矢量推進系統(tǒng)，滿足噴嘴在水平面和垂直面方向上的角度調(diào)節(jié)，并進行了噴嘴矢量調(diào)節(jié)試驗和水下自航試驗，結果表明，水壓人工肌肉驅動噴水矢量推進系統(tǒng)能夠滿足水下機器人的運動需求，為研發(fā)高性能水下智能裝備奠定了基礎。

1 水壓人工肌肉驅動噴嘴矢量調(diào)節(jié)原理

水壓人工肌肉驅動關節(jié)單自由度方向轉動原理如圖1所示，1號、2號水壓人工肌肉一端與固定機架連接，另一端通過鋼絲繩與轉動關節(jié)連接。工作時首先調(diào)節(jié)2根人工肌肉的充水壓力，肌肉從原長狀態(tài)收縮至初始工作狀態(tài)且1號、2號水壓人工肌肉的軸向輸出力F1，F(xiàn)2和肌肉當前工作長度均相同。改變1號、2號人工肌肉工作壓力，1號肌肉工作壓力升高繼續(xù)收縮，2號肌肉工作壓力降低伸長，再次達到穩(wěn)定狀態(tài)時偏轉機構產(chǎn)生轉角θ，且在關節(jié)轉動過程中1號、2號人工肌肉的驅動力臂恒為偏轉機構半徑R，肌肉的長度變化量始終滿足Δl1=Δl2。

圖1 關節(jié)單自由度轉動原理Fig.1 Principle of single-degree-of-freedom rotation of joints

與水壓人工肌肉驅動關節(jié)轉角不同的是，人工肌肉驅動噴嘴矢量調(diào)節(jié)機構轉動時，2根肌肉的驅動力臂產(chǎn)生變化分別為B1，B2，如圖2所示。在初始工作狀態(tài)下，1號、2號水壓人工肌肉的工作長度均為L0；噴嘴矢量調(diào)節(jié)機構產(chǎn)生轉角θ時，2根肌肉的工作長度分別為L1，L2，且噴嘴矢量調(diào)節(jié)機構在偏轉過程中1號、2號人工肌肉產(chǎn)生偏角分別為α1，α2。人工肌肉的力臂長度B1，B2、偏角α1，α2、工作長度L1，L2與噴嘴偏轉角度θ的關系如圖3所示。

圖2 噴嘴矢量機構幾何分析Fig.2 Geometric analysis of nozzle vector mechanism

圖3 人工肌肉力臂、偏角、工作長度-噴嘴轉角關系Fig.3 Relationship between artificial muscle moment arm, declination angle, working length-nozzle rotation angle

存在幾何關系：

B1=R·cos(θ+α1)

(1)

B2=R·cos(θ-α2)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

假定水壓人工肌肉在工作部分為理想圓柱體，在工作過程中無任何能量損失，橡膠管無壁厚且纖維不可伸長，理論收縮力表達式[14]為：

(7)

式中，D0—— 水壓人工肌肉初始直徑

p—— 充水壓力

ε—— 水壓人工肌肉收縮率

其中，a，b與人工肌肉初始編織角θ0有關，其表達式為：

(8)

(9)

其中，L為水壓人工肌肉原長，Li為人工肌肉工作長度。

為研究水壓人工肌肉的驅動特性，本研究假定一對水壓人工肌肉的結構參數(shù)完全相同。2根水壓人工肌肉在初始工作狀態(tài)下，噴嘴轉角為0°，1號、2號肌肉的初始條件為充水壓力相同、收縮率相同且無外負載，表達式為：

p1=p2=p0，ε1=ε2=ε0

F1(ε1，p1)=F2(ε2，p2)

(10)

式中，p1，p2—— 1號、2號人工肌肉工作壓力

ε1，ε2—— 1號、2號人工肌肉收縮率

在控制噴嘴偏轉角度時，對稱地改變2根水壓人工肌肉的工作壓力，即輸入一個壓差值Δp，此時1號、2號人工肌肉的工作壓力、收縮率、軸向輸出力表達式為：

p11=p0+Δp，p22=p0-Δp

(11)

(12)

(13)

在無任何外負載情況下，噴嘴矢量調(diào)節(jié)機構始終滿足力矩平衡：

F1·B1=F2·B2

(14)

將式(1)～式(6)、式(11)～式(13)帶入式(14)中，得到1號、2號水壓人工肌肉充水壓力差與噴嘴偏轉角度的關系式為：

(15)

當1號、2號水壓人工肌肉規(guī)格參數(shù)相同，并且給定人工肌肉初始工作壓力、初始收縮率、噴嘴矢量調(diào)節(jié)機構半徑數(shù)值時，噴嘴偏轉角度與人工肌肉工作壓力差存在一一對應關系。在式(13)中，代入取定的噴嘴偏轉角度，可得到1號、2號人工肌肉工作壓力差。因此在水壓人工肌肉驅動噴嘴矢量調(diào)節(jié)工作過程中，通過調(diào)節(jié)肌肉充水壓力大小改變肌肉壓力差，即可實現(xiàn)噴嘴矢量調(diào)節(jié)。

2 噴水矢量推進系統(tǒng)設計與搭建

噴水矢量推進機器人在執(zhí)行水下作業(yè)任務時，需要滿足轉向、上升、下潛等運動，因此在1對水壓人工肌肉驅動噴嘴在一個自由度上矢量調(diào)節(jié)的基礎上，采用2對相互垂直布置的水壓人工肌肉驅動噴嘴二自由度矢量調(diào)節(jié)。如圖4所示，搭建水壓人工肌肉驅動噴水矢量推進系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)安裝在浮體框架上。

1.噴嘴 2.偏轉機構 3.水壓人工肌肉 4.支撐桿 5.通水閥塊 6.撐板 7.浮體框架圖4 噴水矢量推進系統(tǒng)三維模型Fig.4 3D model of water jet vector propulsion system

從圖4中可知，噴水矢量推進系統(tǒng)采用類似懸臂梁結構設計，由噴嘴、機械偏轉機構、支撐桿、水壓人工肌肉以及通水閥塊等組成。噴嘴通過螺栓與機械偏轉機構固定連接，偏轉機構的另一側與水壓人工肌肉通過萬向節(jié)相連，萬向節(jié)轉動角度為90°，能夠消除人工肌肉驅動噴嘴偏轉時產(chǎn)生的扭矩。在噴水矢量推進系統(tǒng)工作過程中，通水閥塊一端通過液壓管與泵源相連，給水壓人工肌肉供水，使得肌肉充壓收縮，帶動偏轉機構轉動。水壓人工肌肉充水壓力不同，其收縮量也不同，因此改變水壓人工肌肉的充水壓力，即可實現(xiàn)噴嘴矢量調(diào)節(jié)。

搭建水壓人工肌肉驅動噴水矢量推進系統(tǒng)試驗臺，如圖5所示，該試驗臺包括安裝平臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。安裝平臺即為浮體框架；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括三軸傾角傳感器、拉線位移傳感器、壓力變送器以及負責實時定位的激光雷達傳感器，分別采集噴嘴偏轉角度、水壓人工肌肉的位移、充水壓力和噴水矢量推進系統(tǒng)在水中的坐標，傳感器性能參數(shù)如表1所示。三軸傾角傳感器與噴嘴固連，并需要進行環(huán)境校準，以消除磁場干擾帶來的測量誤差。拉線位移傳感器通過螺釘安裝在通水閥塊前端的安裝板上。

1.噴嘴 2.三軸傾角傳感器 3.機械偏轉機構 4.水壓人工肌肉 5.支撐桿 6.拉線位移傳感器 7.通水閥塊 8.浮體框架圖5 噴水矢量推進系統(tǒng)試驗臺Fig.5 Water jet vector propulsion system test bench

表1 傳感器性能參數(shù)Tab.1 Sensor performance parameters

以Danfoss高壓海水泵為噴水矢量推進系統(tǒng)動力源，基于液壓系統(tǒng)B型半橋原理搭建水壓人工肌肉驅動噴水矢量推進液壓系統(tǒng)回路，如圖5所示。每根水壓人工肌肉控制支路都是一個基于B型半橋的液壓回路，系統(tǒng)輸入管路中的液阻7視為固定液阻，比例節(jié)流閥8為可變液阻，從液阻7和比例節(jié)流閥8中間輸出B型半橋的控制信號，實現(xiàn)水壓人工肌肉的充水壓力調(diào)節(jié)。在噴嘴偏轉角度矢量調(diào)節(jié)過程中，通過改變先導輸入電壓控制信號的大小來控制比例節(jié)流閥的閥口開度大小，從而改變水壓人工肌肉的充水壓力，實現(xiàn)噴嘴偏角的矢量調(diào)節(jié)。

1.水箱 2.過濾器 3.水壓泵 4.電機 5.溢流閥 6.單向閥 7.液阻 8.比例節(jié)流閥 9.水壓人工肌肉 10.機械偏轉機構圖6 噴嘴矢量調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)原理圖

水壓人工肌肉驅動噴水矢量推進控制系統(tǒng)如圖7所示，包括PC機、NI采集卡、24 V直流電源。PC作為上位機，控制NI采集卡輸出頻率為0.5 Hz的電壓脈沖信號，控制水壓人工肌肉的充水壓力大小；使用LabVIEW軟件在上位機中采集噴嘴偏轉角度、水壓人工肌肉的位移、充水壓力和噴嘴矢量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實時坐標數(shù)據(jù)，采集周期為0.01 s；24 V直流電源用于給采集卡供電。

3 噴嘴偏角矢量調(diào)節(jié)試驗與分析

根據(jù)水壓人工肌肉定收縮量試驗，原長為300 mm、直徑為30 mm、初始編織角為30°的水壓人工肌肉的收縮率范圍為0～0.3，因此取人工肌肉初始收縮率為0.15，此時人工肌肉初始長度L0為255 mm。從圖1機械偏轉機構工作原理可知，偏轉機構由初始位置開始轉動的最大位移量應為人工肌肉最大收縮量的一半，原長300 mm的人工肌肉最大收縮長度為80 mm，因此假定噴嘴偏轉角度為±60°時，由s=πR/3=40 mm 計算得到偏轉機構半徑為38.2 mm，考慮到水壓人工肌肉的最大收縮直徑為58.13 mm以及人工肌肉與偏轉機構連接件的尺寸，取偏轉機構半徑R為50 mm。當取水壓人工肌肉初始壓力p0為1 MPa時，根據(jù)式(15)計算得到水壓人工肌肉充水壓力與噴嘴偏角的關系如圖8所示。

圖7 噴水矢量推進控制系統(tǒng)Fig.7 Water jet vector propulsion control system

圖8 水壓人工肌肉充水壓力與噴嘴偏角關系曲線Fig.8 Relationship between water pressure of artificial muscle and nozzle declination angle

從圖8中可以看出，水壓人工肌肉的充水壓力以及壓力差，與噴嘴偏轉角度存在對應關系。當噴嘴偏轉角度為10°，20°，30°，40°，50°，60°時，水壓人工肌肉壓差分別為0.310， 0.614， 0.898， 1.158， 1.386，1.584 MPa。如圖9所示，按順時針方向將水壓人工肌肉標記為1號、2號、3號、4號。在噴嘴偏角矢量調(diào)節(jié)試驗過程中，保持1號、3號人工肌肉充水壓力不變，通過改變2號、4號人工肌肉充水壓力調(diào)節(jié)噴嘴偏轉角度。根據(jù)圖7水壓人工肌肉充水壓力與噴嘴偏角曲線，確定在試驗過程中調(diào)節(jié)1～4號水壓人工肌肉的充水壓力，如表2所示。

圖9 水壓人工肌肉標記Fig.9 Hydraulic artificial muscle marking

表2 水壓人工肌肉充水壓力Tab.2 Hydraulic artificial muscle water filling pressure

如圖10所示，將水壓人工肌肉驅動噴嘴偏角矢量調(diào)節(jié)試驗結果與噴嘴理論偏轉角度進行對比分析，兩者偏轉角度的平均偏差為10.8%，這是因為在機械偏轉機構設計中，采用萬向節(jié)代替鋼絲繩作為水壓人工肌肉與偏轉機構的連接件，萬向節(jié)只能承受轉矩，而不能承受拉力、壓力。因此為了提高萬向節(jié)的承力性能，在萬向節(jié)上采用螺釘緊固，在機械偏轉機構轉動的過程中，螺釘與其他萬向節(jié)會發(fā)生擠壓碰撞，改變噴嘴的實際偏轉角度。另外，因為水壓人工肌肉具有收縮量越大其輸出力就越小的特性，當一對對抗型水壓人工肌肉均接近最大收縮位置時，相對伸長的人工肌肉輸出力大，相對收縮的人工肌肉輸出力小，因此機械偏轉機構不能達到理想的收縮位置。在噴嘴偏角矢量調(diào)節(jié)試驗中，當兩根對抗型水壓人工肌肉壓差為1.584 MPa時，噴嘴實際偏轉角度為56.88°，達不到噴嘴理想偏轉角度60°。

4 水池試驗與分析

在噴嘴偏轉角度矢量調(diào)節(jié)試驗的基礎上，通過聯(lián)調(diào)噴水推進系統(tǒng)和水壓人工肌肉驅動噴嘴偏角矢量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，進行了噴水矢量推進系統(tǒng)水池試驗。開啟高壓水泵給噴嘴矢量調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)和噴嘴供水，在上位機中輸出幅值為±6 V、周期為20 s的三角波控制信號，調(diào)節(jié)水壓人工肌肉的充水壓力，實現(xiàn)噴嘴在-30°～30° 范圍內(nèi)來回偏轉，輸出控制信號如圖11所示。在噴嘴矢量調(diào)節(jié)機構水池航行過程中，安裝在浮體框架上的激光雷達傳感器能夠實時記錄框架的運動軌跡，水池航行試驗現(xiàn)場如圖12所示。

圖10 人工肌肉充水壓力差與噴嘴偏轉角度關系Fig.10 Relationship between artificial muscle water filling pressure difference and nozzle deflection angle

圖11 三角波控制信號Fig.11 Triangle wave control signal

噴嘴實際偏轉角度與上位機輸出三角波控制信號的關系如圖13所示，此時定義在水平面方向上噴嘴向右偏轉為正，向左偏轉為負，從圖中可以看出，水壓人工肌肉驅動噴水矢量推進系統(tǒng)在淹沒情況下，改變?nèi)斯ぜ∪獾某渌畨毫?，能夠實現(xiàn)噴嘴偏轉角度的矢量調(diào)節(jié)。在XY平面內(nèi)描繪水池航行試驗軌跡，如圖14所示。噴水矢量推進系統(tǒng)在水池航行試驗的過程中， 調(diào)節(jié)噴嘴偏轉角度，能夠使搭載了噴水矢量推進系統(tǒng)的浮體框架以類似S形曲線運動。

圖12 水池航行試驗現(xiàn)場圖Fig.12 Site map of tank sailing test

圖13 時間-控制信號、噴嘴偏轉角度關系Fig.13 Relationship between time-control signal and nozzle deflection angle

圖14 水池航行試驗軌跡Fig.14 Track of pool navigation test

5 結論

本研究使用水壓人工肌肉取代電機、液壓缸等作為噴水矢量推進器的驅動裝置，開發(fā)了一種水壓人工肌肉驅動噴水矢量推進系統(tǒng)，對系統(tǒng)中噴嘴偏轉機構進行了設計計算，進行了水壓人工肌肉驅動噴嘴偏角矢量調(diào)節(jié)試驗以及水池航行試驗。根據(jù)理論計算和試驗結果，得出以下結論：

(1) 基于噴嘴偏轉機構設計計算，確定了水壓人工肌肉充水壓差與噴嘴偏轉角度之間的對應關系，即當一對水壓人工肌肉壓差分別為0.310，0.614，0.898，1.158，1.386，1.584 MPa時，噴嘴偏轉角度分別約為10°，20°，30°，40°，50°，60°；

(2) 在噴嘴偏轉角度矢量調(diào)節(jié)試驗中，調(diào)節(jié)人工肌肉壓差為0.310，0.614，0.898，1.158，1.386，1.584 MPa時，噴嘴實際偏轉角度為13.56°，21.66°，33.24°，44.21°，52.80°，56.88°，試驗結果與理論計算結果平均偏差為10.8%，表明以水壓人工肌肉作為驅動器能夠滿足噴嘴偏角矢量調(diào)節(jié)的要求；

(3) 水池試驗表明，水壓人工肌肉驅動的噴水矢量推進系統(tǒng)能夠改變機器人在水中的運動方向，滿足矢量調(diào)節(jié)的基本要求。