（机械电子工程专业论文）水压人工肌肉驱动特性仿真与实验研究.pdf

中文摘要 摘要 水下作业机械手是载人深潜器以及水下机器人工作的重要设备。目前水下作 业机械手主要是采用油压缸或油压压马达驱动的方案，虽然已经应用多年，仍然 存在与海洋兼容性差以及液压缸活塞杆易受腐蚀等缺点。因此有人提出应用水压 人工肌肉驱动水下作业机械手关节。 水压人工肌肉相对于液压缸等传统驱动器，具有输出力大、响应快、效率高、 适合在水下作业等突出的优点。由于采用了水作为驱动介质，水压人工肌肉的驱 动特性研究极为重要。因此，本文以水压人工肌肉为研究对象，进行仿真分析和 实验来研究其驱动特性。 本文第一章分析了目前水下作业机械手的应用现状，提出了应用水压人工肌 肉驱动水下作业机械手关节的重要性。分析了目前世界上关于气动人工肌肉以及 水压人工肌肉的研究现状，并指出了本文的主要研究内容。 本文第二章对水压人工肌肉的结构进行了分析，确定了适合水压人工肌肉工 作的各部分零件的材料。基于能量守恒原理，建立了水压人工肌肉静态数学模型， 并仿真分析了结构参数对水压人工肌肉输出力的影响。 本文第三章首先设计了水压人工肌肉控制回路，推导了水压人工肌肉流量方 程以及动力学方程，并结合静态数学模型建立了水压人工肌肉驱动特性仿真模型。 分别进行了不同人工肌肉结构参数的仿真分析和不同控制回路参数的仿真分析得 到了大量数据。 本文第四章设计了水压人工肌肉驱动特性实验系统的原理图，并按照实验原 理完成了半桥供水系统以及数据控制与采集系统的搭建，以及电液比例加载系统 和驱动特性实验台架系统的设计。 本文第五章设计了水压人工肌肉的静动态实验方案，并完成了液压半桥控制 回路的调压特性试验。为下一步试验的进行奠定了良好的基础。 关键词：水压；水压人工肌肉；驱动特性；仿真分析。 英文摘要 a b s t r a c t t h eu n d e r w a t e rm a n i p u l a t o r ( u m ) i st h e i m p o r t a n ti n s t r u m e n to ft h ed e e p s u b m e r g e n c ev e h i c l e ( d s v ) a n d r e m o t eo p e r a t e dv e h i c l e ( r o v ) a tp r e s e n tt h eu m i so f t e nd r i v e nb yo i lh y d r a u l i cc y l i n d e ro ro i lh y d r a u l i cm o t o r a l t h o u g hi th a sb e e n a p p l i e df o rm a n yy e a r s ，t h e r ea r es t i l ls o m eu n a v o i d a b l es h o r t c o m i n g s ，s u c ha sp o o r c o m p a t i b i l i t yw i t ht h eo c e a na n ds u s c e p t i b l et oc o r r o s i o n t h e r e f o r es o m e o n ep u t s f o r w a r dt h ei d e ao f a p p l y i n gw a t e rh y d r a u l i cm u s c l e ( w h m ) t od r i v e j o i n to f t h eu m c o m p a r e dw i t hh y d r a u l i cc y l i n d e ra n dt h et r a d i t i o n a la c t u a t o r s ，t h ew h mh a s m a n yo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s ，s u c ha sl a r g eo u t p u tf o r c e ，f a s tr e s p o n s e ，h i g he f f i c i e n c y , s u i t a b l ef o ru n d e r w a t e ro p e r a t i o n sa n ds oo n b e c a u s eo f t h eb i gc o m p r e s s i o nd i f f e r e n c e o f t h ed r i v i n gm e d i a ，t h ed r i v i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h ew h ms h o u mb ea n a l y z e d s o ，t h e d r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw h m i ss t u d i e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s i nt h i sp a p e r t h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sp a p e ra n a l y z e st h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o no ft h eu m ，a n d p o i n t so u tt h ei m p o r t a n c eo fa p p l y i n gw h m t od r i v et h eu mj o i n t t h er e s e a r c h s i t u a t i o n so ft h ep n e u m a t i ca r t i f i c i a lm u s c l e sa n dt h ew h mh a v eb e e ns t u d i e da n dt h e m a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri sg i v e no u t t h es e c o n dc h a p t e ro ft h i sp a p e rf w s t l ya n a l y z e st h es t r u c t u r eo ft h ew h m , a n d s e l e c t st h em a t e r i a l sf o re a c hp a r to ft h ew h ms u i t a b l ef o ru n d e r w a t e ro p e r a t i o n s a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n , t h es t a t i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e w h m i sf o u n d e d t h es t r u c t u r a lp a m m a e r si m p a c tt ot h eo u t p u tf o r c eo ft h ew h mi s a n a l y z e dt h r o u g hs i m u l a t i o n t h et h i r dc h a p t e ro ft h i sp a p e rd e s i g n sac o n t r o ll o o p sf o rt h ew h m b e c a u s et h e f l o we q u a t i o na n dt h ek i n e t i c e q u a t i o n o ft h ew h ma r ed e r i v e d , t h e d r i v i n g c h a r a c t e r i s t i e ss i m u l a t i o nm o d e lo ft h ew h mi se s t a b l i s h e d s i m u l a t i o n sf o rd i f f e r e n t p a r a m a e r so ft h ew h m s t r u c t u r e sa n do ft h ec o n t r o ll o o p sw e r ec a r r i e do u t t h r o u 曲 t h es i m u l a t i o n s ，al o to fd a t aa r eo b t a i n e dt ob ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t s t h ef o u r t hc h a p t e ro f t h i sp a p e rd e s i g n st h es y s t e ms c h e m a t i co f t h ed r i v i n g 英文摘要 c h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n to fw h m i na c c o r d a n c ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lp r i n c i p l e ，t h e h a l fb r i d g ec o n t r o ll o o ps y s t e ma n dt h ed a q & d a cs y s t e ma r es u c c e s s f u l l yb u i l t ，a n d t h er e s tt w os u b - s y s t e m sa r ed e s i g n e da n da r eb e i n gm a n u f a c t u r i n g t h ef i f t hc h a p t e ro ft h i sp a p e rd e s i g n st h es t a t i ca n dt h ed y n a m i ce x p e r i m e n t p r o g r a m a n dt h ep r e s s u r ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t a lo ft h eh y d r a u l i ch a l f b r i d g ec o n t r o ll o o pi sc a r r i e do u t a l lt h ep r e p a r a t i o n sf o rt h en e x ts t e ph a v e b e e nd o n e k e yw o r d s ：w a t e rh y d r a u l i c ；w a t e rh y d r a u l i cm u s c l e ；d r i v i n g c h a r a c t e r i s t i c s ；s i m u l a t i o na n a l y s i s 水压人工肌肉驱动特性仿真与实验研究 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 本课题来源为国家自然科学基金项目“海水液压人工肌肉驱动的水下作业机械手关 键技术研究”的研究项目。 1 1 1 课题的背景 水下作业机械手技术是衡量一个国家海洋开发技术的重要指标之一，也是彰显一个 国家综合实力的重要方面。作为载人深潜器以及水下作业机器人工作的主体，水下作业 机械手在海洋资源勘探开发、海洋科学研究、水下施工维修、水下救助与沉船打捞，以 至军事领域都具有不可替代的作用1 】【2 】。 图1 1a l v i n 号载人深潜器 f i g 1 1a l v i nd s p 图1 2 水下遥控机器人 f i g 1 2 r o v 图1 1 所示是美国a l v i n 号载人深潜器。其作业系统中的7 自由度液压机械手最大 举力可达i k n ，最大伸距为1 7 5 m ，最大夹紧力矩约为4 0 n m 。a l v i n 曾经执行过多次科 考任务，例如1 9 7 7 第一次发现海底火山，1 9 8 5 年找到泰坦尼克号沉船的残骸等。a l v i n 号载人潜水器是美国海洋科学界最重要的科考装备之一，近年来下潜工作了近4 0 0 0 次， 为人类探索深海未知世界以及执行各种特殊任务，立下了不可磨灭的功勋p 】。 国际上有很多专业的水下机械手生产研制公司，他们所研制的水下机械手大部分是 应用于r o v 上的，如图1 2 所示。例如：美国k o d i a k5 自由度遥控机械手；美国d e e p s e as y s t e mi n t e r n a t i o n a l 公司装载在m a x 2 0 0 0 上的机械手；美国w e s t e r ns p a c ea n dm a r i n e 第一章绪论 公司的m k 3 7 机械手；美国a l s t o ma u t o m a t i o ns c h i l l i n gr o b o t i c 公司的c o n a n 遥控 机械手、o r i o n 遥控机械手和r i gm a s t e r 遥控机械手；以及英国h y d r o - l e k 公司的系 列机械手等【3 】【4 】。 近年来，随着海洋开发的迅猛发展，尤其是在大深度和危险区域，对水下作业机械 手新技术的研究和应用需求越来越紧迫【2 1 。考虑到功率重量比、动力适配性和经济指标 等综合因素，目前世界上常见的水下作业机械手主要是采用油压驱动方案，驱动液压缸 和液压马达进行运动5 1 ，并且已经应用多年，技术已经相当纯熟，这种方案具有油压系 统的一般优点，如输出力大、容易标准化等1 6 1 ，然而目前的水下作业机械手存在以下几 点不容忽视的问题： ( 1 ) 油压系统复杂、液压油易污染环境，在水下环境的兼容性较差； ( 2 ) 液压缸活塞杆伸出缩回过程中易受污染，会对液压油造成污染； ( 3 ) 液压缸响应慢、刚度大，容易损坏操作对象； ( 4 ) 系统维修困难，费用高。 鉴于以上几个缺点均是严重限制目前水下作业机械手技术进步的严重问题，另外考 虑到水下作业机械手的工作环境主要是湖泊或者是海洋等环境，如果能够采用水压人工 肌肉驱动器，以工作环境周围的水为工作介质，过滤后加压，进行驱动水下作业机械手 关节，必然导致一场水下作业机械手技术的革命，而且将极大地丰富水压人工肌肉的应 用、推广和技术进步。 1 1 2 课题的意义 直接以过滤后的海水为工作介质的海水液压是新型的绿色传动技术，具有清洁安 全、与海洋环境兼容性好的优点，并且采用开式系统无需压力补偿，符合当今水下作业 向大深度发展的新趋势7 1 。水压人工肌肉结构简单，仿生性好，具有柔性，价格低廉且 维护方便，有利于实现小型化和轻型化，相比气动人工肌肉输出力更大、响应速度更快、 工作噪声更侧钔。人工肌肉动作平滑，无相对摩擦运动部件，对于水下作业工况，不会 产生液压缸伸出杆受环境污染或其他影响的问题 9 1 。因此，应用海水液压人工肌肉的水 下作业机械手研制成本低、控制性能与可维护性好，是水下机器人技术的新发展方向， 水压人工肌肉驱动特性仿真与实验研究 对于提高我国海洋高新技术装备水平具有重要意义。 通过水压人工肌肉的驱动特性的仿真分析与实验研究，可以分析水压人工肌肉驱动 压力与收缩率以及输出力之间的耦合关系，可以得知水压人工肌肉输出力与收缩率以及 流量的相互关系，可以为未来将水压人工肌肉应用于水下作业机械手奠定充分的基础。 同时对水压人工肌肉的相关研究具有极大的促进作用。 1 2 人工肌肉研究进展 1 2 1 人工肌肉简介 人工肌肉技术是流体驱动领域中仿生学应用的结果，是流体驱动领域的前沿研究之 一【9 1 。人工肌肉结构简单，原理如图1 3 所示。仅由外部编织网和内部橡胶筒以及两端 的接头组成，没有活塞杆，甚至连活塞也没有，在充人高压流体介质后就像强健的肌肉 一样能够产生强大的收缩力9 】【1 0 】。由于肌肉只能单方向收缩，所以经常需要成对使用， 以实现直线运动或者是转动，将肌肉安装在不同的场所，可以实现不同的功能。 厂一编织弼 缸黼爸 l 、，”编织角 v 图1 - 3 人工肌肉结构原理图及工作状态 f i g 1 3s t r u c t u r eo f a r t i f i c i a lm u s c l ea n di t sw o r k i n gs t a t e 人工肌肉最早在上世纪3 0 年代被俄罗斯发明家s g a r a s i e v 设计并制造出来，而且 设计了很多种类，最初想法是用液压驱动。但在当时，人工肌肉的材料和工作压力受到 很大的限制，最大工作压力范围只有5 0 0 8 0 0 k p a ，在此压力范围内若采用液压驱动， 人工肌肉的功率重量比值太低，采用液压驱动的方式是不理想的，所以人们以后设计流 体驱动的人工肌肉时多采用压缩空气作为工作介质9 】【1 2 】。 人工肌肉分为气动人工肌肉和液压人工肌肉。其中气动人工肌肉又分为m c k i b b e n 型、y a r i o t t 型、r o m a c 型、折叠型以及多自由度气动肌肉等等。液压人工肌肉分为水 第一章绪论 压人工肌肉和油压人工肌肉【l l 】。 1 2 2 气动人工肌肉研究进展 ( 1 ) 国外气动人工肌肉研究进展 上世纪5 0 年代，美国医生j o s e p h l m c k i b b e n 发明了一种气动人工肌肉，并以其名 字命名，应用设计了能够辅助残疾手指运动的气动装置【1 3 】【1 4 1 ，如图1 4 所示，m c k i b b e n 型气动肌肉标志着气动肌肉的出现。气动人工肌肉最初主要应用于医学领域。随后世界 上很多专家学者和厂家注意到气动肌肉的潜在应用价值，相继研制和开发出各种类型的 气动肌肉【”】，到目前为止，只有日本b r i d g e s t o n e 公司、德国f e s t o 公司和英国s h a d o w 公司生产的气动肌肉得到比较广泛的应用 1 6 】【17 1 。这三种肌肉的构造与m e k i b b e n 肌肉极 其相似，特性也基本相同，所以把这种类型的气动肌肉统称为m c k i b b e n 型气动肌肉。 此外，英国的w e s tg r o u p 公司、m e r l i n 系统公司、加拿大的e p 工业公司以及美国 的g o o d yr e a r 轮胎公司、i m a g e sc o 仪器公司等也推出了商品化的气动肌肉，在机器人、 工业自动化等领域进行应用【1 9 】【2 们。气动肌肉目前最典型的应用总共包括三方面：仿人灵 巧手、移动机器人以及理疗康复1 3 】【1 7 】【2 0 】。 图1 4 手指辅助治疗的气动肌肉 f i g 1 4p n e u m a t i cm u s c l ef o rf i n g e rm e d i c a l 图1 5r u b b e r t u a t o r 气动人工肌肉 f i g 1 5r u b b e r t u a t o ra r t i f i c i a lm u s c l e 二十世纪八十年代，日本b r i d g e s t o n e 公司的工程师们注意到气动肌肉与气压轮胎 的相似性，开始对气动肌肉进行研究，在m c k i b b e n 肌肉的设计基础上，开发设计出了 r u b b e r t u a t o r ，如图1 5 所示。并用其制造出喷漆用的多关节柔性机器人手臂( s o f ta r m ) 。 该公司在r u b b e r t u a t o r 之后又发明了多种不同结构的气动肌肉。从此气动肌肉进入实际 应用领域【1 3 】【1 6 】【1 7 】。 水压人t 肌肉驱动特性仿真与实验研究 訇1 6f e s t o 公司气动肌肉 i g 1 6f e s t of l u i d i cm u s c l e 图1 8 f e s t o 机器人 f i g 1 8f e s t or o b o t 图1 7s h a d o w 公司气动肌防 f i g 1 7s h a d o wa i rm u s c l e 图1 9s h a d o w 灵巧手 f i g 1 9d e x t e r o u sh a n d 德国f e s t o 公司发明的适合工业应用的气动肌肉f l u i d i cm u s c l e ，结构如图1 6 所示。 其最大的特点是将编织网嵌入橡胶管的橡胶中，使得寿命可达1 0 0 0 万次以上。图1 8 所示为f e s t o 公司应用数十条气动肌肉制作的机器人，其手指可以模拟人手的动作，实 现抓取和传送物品。目前已经在很多场合进行应用，同时f e s t o 公司还对气动肌肉的应 用作了许多令人耳目一新的工作【1 3 】【1 9 】【2 l 】。 英国s h a d o w 公司研制了气动人工肌肉a i rm u s c l e ，如图1 7 所示。图1 9 所示的就 是应用4 0 根s h a d o w 公司的a i rm u s c l e 驱动的c 6 p 6 号灵巧手，可以实现比较复杂的运 动，完成人手的各种动作。灵巧手系统中集成的电子元件控制每根肌肉的气动伺服阀并 且管理肌肉对应的压力传感器之间的通信。整个机械手总质量约为3 9k g 。已经大批量 地应用于生产实际中，取得了良好的效果1 9 】【2 0 】【2 2 1 。 第一章绪论 图1 1 0 移动机器人图1 1 l 下肢外骨骼 f i g 1 10m o v i n gr o b o tf i g 1 1 lo u t s i d es k e l e t o no fl e g s 图1 1 0 足比利时布耆塞尔自由大学采用折叠型气动肌肉制作了两足步行机器人 l u c y 。具有6 个自由度，每个自由度由2 根气动肌肉驱动，能实现径向平面的静态稳 定行走。图1 1 l 是s a lf - 0 r d 大学研制的用于助力和主动步行恢复训练的穿戴式人体下肢 外骨骼。具有1 0 个自由度，每个自由度能达到的最大力矩约6 0n m ，总质量约1 2k g 【1 3 l 。 ( 2 ) 国内气动人工肌肉研究进展 我国各高校自上个世纪9 0 年代以来，陆续开始了气动肌肉的研究。虽然研究起步 较晚，但是进展很快。北京航空航天大学的宗光华较早开始气动肌肉的研究。上海交通 大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、浙江大学等都进行了相关的研 究2 3 1 1 2 4 1 2 5 】【2 6 】，在基本特性研究和模型改进研究、新型结构和相应元件设计和开发方面 的研究以及在控制策略研究方面均有一定的研究成果例【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 1 】。但是目前国内关于 气动人工肌肉的研究以及应用气动人工肌肉进行产品开发方面上，与国外相比存在着相 当大的差距。而且目前气动肌肉仍然没有国产化的产品，这严重限制了气动人工肌肉在 我国的深度推广以及广泛应用。 ( 3 ) 气动人工肌肉的优点 气动人工肌肉除具有气压传动技术所具有的低成本、清洁、安装简便等优点之外， 还具有输出力自重比大、能量转换效率高、动作平滑，无相对摩擦运动部件、与生物肌 水压人工肌肉驱动特性仿真与实验研究 肉类似的力学特性、优异的驱动性能和良好的工作柔性等优点b 】【1 4 】【他】，因而得已，。泛 应用在机器人和自动化生产线以及理疗康复等领域，并产生了巨大的经济效益和社会效 益。 尽管气动人工肌肉的研制已达到很高水平，然而，气动人工肌肉输出力小、工作噪 声大、传动精度和重复度低等固有缺点一直困扰着人工肌肉技术的发展，在很多场合已 经不能满足人们日益增长的需求。 1 2 3 水压人工肌肉研究进展 而随着科技的发展，材料性能结构的逐步完善，开发水压人工肌肉成为现实和可能。 水压人工肌肉除具备气动人工肌肉的优点外，还具有输出力大、响应快、效率高、适合 在水下作业等十分突出的优点【8 】f 9 】，尤其在当今社会，水下作业活动日益增多，水压人 工肌肉的设计及应用对于丰富水下作业机械手技术以及科考、救助打捞等领域有着重要 意义。目前，国内外对水压人工肌肉的研究依然很少，只有日本小松机械制作所3 2 】【3 3 】、 日本冈山大学和国内的南昌大学正在做相关的研究。 ( 1 ) 日本小松机械制作所 ( a ) 三只机械手嘞驱动肌肉 图1 1 2 三指机械手及其驱动肌肉 f 追1 12t h r e e - f i n g e rh a n da n di t sd r i v i n gm u s c l e 日本小松机械制作所开发了一个海水液压驱动的水下作业机械手系统样机，整个系 统包括一个高压轴向柱塞泵、流量控制伺服阀、水下机械手臂和远程控制部分。其中， 机械手臂的肩关节和肘关节用偏心叶片式马达进行驱动，而腕关节和手指关节用人工肌 肉驱动，三指机械手及其驱动肌肉如图1 1 2 所示。这个肌肉的直径仅为3 m m ，质量大 唰 第一章绪论 约为5 9 ，但每根肌肉的最大输出力却达到了5 0 0 n ，其输出力质量比非常可观，充分体 现了水压人工肌肉的优点【3 4 】。 ( 2 ) 日本冈山大学 图1 1 3 人工肌肉样机 f i g 1 13a r t i f i c i a lm u s c l ep r o t o t y p e 图1 1 4 外部编织网 f i g 1 1 4s l e e v eo f a r t i f i e i a lm u s c l e 日本冈山大学制作了水压人工肌肉样机，如图1 1 3 所示。应用p b o 纤维制作了不 同编织角的编织网，并进行实验。实验结果表明，安装编织角为2 5 。的p b o 纤维编织 网的人工肌肉特性最好，最大耐压4 m p a ，最大输出力为2 8 k n ，最大收缩率为2 5 。 将样机应用到柔性机械手当中，机械手的每个手指包含一个五连杆被动关节机构， 由两根或三根肌肉驱动。肌肉直径是4 0 毫米，长度是6 0 0 毫米【3 5 1 。进行了质量抓取实 验，并确定在供给压力为1 3 m p a 时，机器手可以产生5 0 0 k g 的抓握能力。人工肌肉在 高供水压力下也可以进行稳定的抓握。手指变形以适应柱，实现在任何方向坚固和稳定 的抓取，在如林业工业、建筑工地和灾区等行业非常有用 3 6 1 。 ( a ) 水平抓取( b ) 竖直抓取 图1 1 5 机械手水平及竖直抓取实验 f i g 1 13h o r i z o n t a la n dv e r t i c a le x p e r i m e n to fr o b o th a n d 水压人工肌肉驱动特性仿真与实验研究 ( 3 ) 江西南昌大学 国内南昌大学的柯尊荣等也提出了以水为工作介质研究人工肌肉【8 】【9 】，并在论文中 推导了理想情况下人工肌肉理论输出力的计算过程，并且建立了考虑肌肉两端变形、橡 胶弹性变形以及内部摩擦等情况下的精确的人工肌肉输出力模型。并通过仿真，研究了 模型各相关参数对输出力的影响权重，分析了纯水液压人工肌肉的等压输出力特性和等 容输出力特性，并且对人工肌肉驱动特性进行了分析，为开发纯水液压人工肌肉提供了 理论依据1 0 】。而安莉等通过充液能量方程、充液流量方程以及动力学方程建立了水压人 工肌肉的驱动特性方程组，并通过仿真对驱动特性进行了研究p 7 1 。 1 3 本文的主要研究内容 ( 1 ) 分析水压人工肌肉的结构及材料，并建立静态数学模型； ( 2 ) 建立水压人工肌肉的驱动特性仿真模型并进行仿真分析研究； ( 3 ) 设计并搭建水压人工肌肉驱动特性实验系统； ( 4 ) 设计水压人工肌肉驱动特性静动态实验方案。 第二章水压人工肌肉结构材料分析与静态数学模型分析 第二章水压人工肌肉结构材料分析与静态数学模型分析 2 1 引言 水压人工肌肉相比气动人工肌肉以及传统驱动器，具有输出力大、响应快、 效率高、适合在水下作业等突出的优点，原因在于结构的改进、材料和驱动介质 的不同。尽管目前人工肌肉的理论模型和其实际特性存在很大的差异，但是建立 人工肌肉理论静态数学模型仍是研究人工肌肉静动态特性的基础。 本章将首先对水压人工肌肉的结构与各部分材料进行分析，然后根据能量守 恒定律建立水压人工肌肉理论静态数学模型，最后仿真分析水压人工肌肉结构参 数对输出力的影响。 2 2 水压人工肌肉结构与材料分析 根据第一章的介绍，水压人工肌肉、s h a d o w 和f e s t o 公司气动人工肌肉，均 属于m c k i b b e n 型人工肌肉，所以在原理上和结构上十分相似。图2 1 所示为水压 人工肌肉的结构原理图。下面对水压人工肌肉的结构以及各部分材料进行详细的 分析介绍。 l 、2 、3 端部连接件4 盘形弹簧5 、每橡胶管与编织网7 4 3 型密封圈 图2 1 水压人工肌肉结构原理图 f i g 2 1s t r u c t u r eo fw a t e rh y d r a u l i cm u s c l e 水压人工肌肉驱动特性仿真与实验研究 2 2 1 水压人工肌肉结构分析 水压人工肌肉的结构与气动肌肉基本一致，如图2 1 所示。主要包括端部连接 件、内部橡胶管和外部编织网【8 】【1 5 】 2 6 】。水压人工肌肉的驱动介质是自来水或者是 海水，因此水压人工肌肉在设计之初不仅需要考虑连接件的强度问题，更要考虑 各部分的耐腐蚀问题。 水压人工肌肉之所以能够实现较大的输出力，主要是因为设计了全新的接头 连接形式以及采用强度刚度更高的编织线材料，保证内部橡胶管的受力膨胀过程 中不会造成肌肉的损坏或发生危险。所以，随着结构的逐步改进和材料的不断更 新，水压人工肌肉将能够承受更大的驱动压力，并且产生更大的输出力。 根据实际的需要，可以合理的设计肌肉的初始编织角和初始直径，并且选择 合适的初始长度，以满足某些特殊场合的工作要求。参照气动人工肌肉的设计思 想，水压人工肌肉进水口的数量可以是一个或两个，进水方式也可以是径向或者 是轴向。 下面对水压人工肌肉各部分材料做简单的介绍。 2 2 2 水压人工肌肉各部分材料选择 ( 1 ) 肌肉端部连接件材料 气动人工肌肉主要工作在干燥或者远离潮湿的环境下，端部连接件材料不需 要考虑防锈，因此选择铝合金等材料。而水压人工肌肉将来可能在深海环境下工 作，所以在选择材料时，必须考虑防锈防腐蚀的问题，首选不锈钢材料。常用的 不锈钢包括3 0 4 不锈钢与3 1 6 不锈钢【3 8 】。 3 0 4 不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，相比2 0 0 系列的不锈钢材料，其防锈 性能要强很多。耐高温也比较好，高达1 0 0 0 1 2 0 0 摄氏度。具有优良的不锈耐腐蚀 性能和较好的抗晶间腐蚀性能。在浓度9 5 的沸腾温度以下的硝酸中，3 0 4 不锈 钢具有很强的抗腐蚀性；对碱溶液及大部分有机酸和无机酸亦具有良好的耐腐蚀 能力。价格比较便宜，因此在实际生产和生活中均有广泛应用。 第二章水压人工肌肉结构材料分析与静态数学模型分析 3 1 6 不锈钢，因在成分中添加了m o ，故其耐蚀性、耐大气腐蚀性和高温强度 相比3 0 4 不锈钢更好，3 1 6 不锈钢是继3 0 4 不锈钢之后第二个得到广泛应用的钢种， 可以在刻苦的条件下使用。例如海水里用的设备，化学、造纸、草酸、肥料等生 产设备以及沿海地区设施等。 水压人工肌肉将来要在深水海洋的环境下工作，在较高的压力作用下，端部 连接件材料机械强度必须满足要求，同时抗腐蚀性也必须满足要求。相比之下， 3 1 6 不锈钢机械强度优于3 0 4 不锈钢，抗腐蚀性也比3 0 4 不锈钢更强。 综上所述，端部连接件材料选择3 1 6 不锈钢。 ( 2 ) 内部橡胶管材料 水压人工肌肉的工作主要由内部橡胶管和外部编织网的共同作用来实现，橡 胶管可选材料有丁腈橡胶与氯丁橡胶两种。 丁腈橡胶是由丁二烯和丙烯腈乳液聚合法制成的，丁腈橡胶主要采用低温乳 液聚合法生产，耐油性极好，耐热性较好，粘接力强。其缺点是耐低温性差、耐 臭氧性差，电性能低劣，弹性稍低。主要用于制作耐油制品，例如o 形圈、油封、 膜片、快门、波纹管等，也用于制作胶板和耐磨零件3 9 1 。 氯丁橡胶是以氯丁二烯为主要原料，通过均聚或少量其他单体共聚而成的。 氯丁橡胶没有一个特别突出的性能，但是在合成橡胶中它的综合性能是独一无二 的，它的机械强度优异，抗张强度高，耐热、耐光、耐老化性优良，耐油性也优 于其他橡胶。具有较强的耐燃性和优异的抗延燃性，其化学稳定性高，耐水性良 好。氯丁橡胶用途极广，如用来制作运输皮带和传动带，电线、电缆的包皮材料， 制造耐油胶管、垫圈以及耐化学腐蚀的设备衬里【4 0 1 。 根据水压人工肌肉共工作的特点，橡胶管必须选择弹性比较好，耐蚀性也比 较好的材料，并且具有一定的强度，满足要求。 综上所述，通过查阅资料，选择c r 3 2 1 3 2 2 型氯丁橡胶。 水压人工肌肉驱动特性仿真与实验研究 ( 3 ) 编织网材料 编织网材料应为拉伸强度极强，刚度极大，并且在此基础上材料越轻越好， 这里分析两种材料：分别是p b o 纤维和芳纶1 4 1 4 纤维。两种纤维的照片分别如 图2 2 和图2 3 所示。 p b o 纤维 图2 2 p b o 纤维 f i g 2 2p b of i b e r 图2 3 芳纶1 4 1 4 纤维 f i g 2 3a r a m i d1 4 1 4f i b e r 表2 1p b o 主要性能参数 t a b l e 2 1m a i np a r a m e t e r so fp b o 密度 1 5 6 0k g m 3 抗拉强度 5 8 g p a 弹性模量 2 8 0 g p a 断裂伸长率 2 5 热分解温度 6 0 0 p b o 是聚对苯撑苯并二恶唑的简称。是2 0 世纪8 0 年代美国为发展航天航空 事业而开发的复合材料用增强材料，具有十分优异的物理机械性能和化学性能， 主要参数如表2 1 所示。与其它高性能纤维相比，p b o 纤维具有更高的比强度、 比模量和耐热阻燃性能，被誉为“2 1 世纪的超级纤维”，可以用来制作高性能复合 第二章水压人工肌肉结构材料分析与静态数学模型分析 材料应用于未来的航天、航空和国防等高新技术领域。据研究表明：一根直径为 l m m 的p b o 细丝可吊起4 5 0 k g 的重量。 p b o 纤维是目前世界范围内公认的超级纤维，其重要价值已被各国认可。但 是到目前为止，具有产业化生产p b o 纤维技术的只有的日本东洋纺公司。由于其 科技含量高，应用领域影响重大，日本对大多数国家都禁销该产品，仅象征性地 给各国科研机构提供极少量p b o 纤维供研究使用，这种现象造成了p b o 纤维生产 技术的高度垄蝌4 1 1 。 芳纶1 4 1 4 纤维 表2 2 芳纶1 4 1 4 主要性能参数 t a b l e2 2m a i np a r a m e t e r so f a r a m i d1414 密度 1 3 9 0k g m 3 抗拉强度 3 4 g p a 弹性模量 7 3g p a 断裂伸长率 4 6 热分解温度 5 0 0 c 工作温度范围 一1 9 6 2 0 4 ( 2 芳纶1 4 1 4 ，其化学名称为聚对苯二甲酰对苯二胺，主要性能参数如表2 2 所 示。芳纶是强度最高的合成纤维，主要用作轮胎帘子线、橡胶补强材料、特种 绳索和工业织物( 如防弹衣) ，制成增强塑料用于航天器、导弹壳体等高技术 领域。 在航空航天领域，芳纶纤维复合材料用作宇航、火箭和飞机的结构材料，可 以有效地减轻重量，增加有效负荷，节省大量动力燃料。在高级轿车领域，芳纶 1 4 1 4 比重小，强度高，耐热性好，并且对橡胶有良好的粘附性，所以是最理想的 帘子线纤维。在土木工程领域，由于具有轻质量、高强度、高模量、耐腐蚀、不 水压人工肌肉驱动特性仿真与实验研究 导电和抗冲击等性能，芳纶可用于对桥梁、柱体、地铁等进行维修、补强，特别 适合对混凝土结构的加固与修复。总之，芳纶1 4 1 4 纤维具有不可替代的优越性1 4 2 1 。 p b o 纤维的出众的各种特性十分满足水压人工肌肉编织网的需求，但是目前 国内对其研究的较少，而且由于价格较贵，无法进口大量的材料供实验研究所用， 因此选择芳纶1 4 1 4 作为编织网材料，在将来时机成熟之后再选用p b o 纤维。 综上所述，芳纶1 4 1 4 的综合特性满足水压人工肌肉工作的环境的要求。 2 3 水压人工肌肉静态数学模型分析 2 3 1 水压人工肌肉静态数学模型的建立 水压人工肌肉和气动人工肌肉均属于m c k i b b e n 型人工肌肉，因此在静态时可 以使用相同的模型，而建立人工肌肉的静态数学模型是研究人工肌肉静动态特性 的基础。目前，主要采用两种方法对人工肌肉静态特性进行建模。一种是基于基 本物理定律，利用能量守恒性原理分析推导出模型，这种建立模型的方法称之为 解析法。另一种是通过实验，用实验数据拟合系统的模型，这种方法称之为实验 方法【1 0 1 【2 8 l 。本章采用解析法建立人工肌肉静态数学模型。图2 4 和图2 5 所示为人 工肌肉在初始状态下和工作状态下的示意。 譬 图2 4 人工肌肉初始状态图2 5 人工肌肉工作状态 f i g2 4i n i t i a ls t a t eo f w h m f i g2 5w o r l ( i n gs t a t eo f w h m 静态数学模型公式推导过程中用到的参数如下： 第二章水压人工肌肉结构材料分析与静态数学模型分析 d 0 一人工肌肉初始直径m ；卜人工肌肉工作直径m ； 曲一人工肌肉初始编织角。；0 - - - - 人工肌肉工作编织角。； 三o _ 一人工肌肉初始长度m ；己一人工肌肉工作长度m ； f _ 人工肌肉单根编织线长度m ； p 人工肌肉单根编织线长度在肌肉表面绕转圈数； r 人工肌肉驱动压力瓜仇。 对水压人工肌肉充液后，其内部橡胶管开始变形膨胀，由于外部纤维编织网 的刚度很大，其对橡胶筒的约束使得人工肌肉沿径向膨胀和轴向收缩。反之，当 水压人工肌肉放液后，橡胶弹性力迫使肌肉恢复到初始状态。在人工肌肉运动过 程中如果将其与负载相连，就会产生张力，即水压人工肌肉输出力。人工肌肉在 收缩的过程中，输出力会逐渐减小，所以人工肌肉最终能够平稳地到达期望位置。 应用能量守恒原理，在不考虑人工肌肉详细几何结构的前提下，建立人工肌 肉输出力、驱动压力和长度之间的函数关系。人工肌肉可以看作是一个能量转换 元件。当充液时，它将作用在人工肌肉橡胶筒内部表面的压力能转换为机械能， 使其在长度方向产生收缩。设在某平衡状态下，若给人工肌肉一个虚位移，则 引起其容积变化。 由虚功原理，输入功既可以写为 d 既= p d v( 2 - 1 ) 式中：p 人工肌肉驱动压力m p a ；d y 为人工肌肉容腔体积变化。 输出功职埘可以写成 d g ：o 。，= 一砒( 2 2 ) 式中：f 为人工肌肉理论输出力n ；比为人工肌肉长度变化。 根据能量守恒原理，若系统无损耗以及没有能量存储时，输入所做的功应与 输出所做的功相等，即d w f = d w o 鲫所以推导出 水压人工肌肉驱动特性仿真与实验研究 f p 羞 ( 2 3 ) 人工肌肉从初始状态到某一工作状态过程中，长度、直径以及编织角都会发 生变化，不变的只有编织线的长度和编织线的绕转圈数，所以存在以下关系： 厶= l c o s p o ，s i n 岛= n ，r d o ，l = l c o s o ，l s i n 0 = m r d 。 定义收缩率为 占：生兰：1 一一c o s 0 厶c o s o o 忽略人工肌肉两端变形，肌肉内部体积 体积对求导得 y ：一r c d 2 l ：坠璺三 44 瓦费 可得水压人工肌肉静态模型为 d v ，2 3 r 一= 一 d l4 n n 2 f ：3 l 2 - f 1 29 4 n n 2 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 式2 - 7 是水压人工肌肉以长度为参数的输出力模型，这个模型使用起来非常方 便，因为肌肉的长度可以直接测量出来，只需要计算出编织线绕转的圈数n 以及 单根编织线的长度，。 式2 7 通过参数变换可以得到以收缩率为参数的模型 f = p a 0 一s ) 2 一b 】( 2 - 8 ) 其中硒3；rd02，6=盟4sin2804tan 。 酿 第二章水压人工肌肉结构材料分析与静态数学模型分析 由公式2 4 可知，收缩率为肌肉变化长度与肌肉初始长度的比值，所以公式 2 8 和公式2 7 是个原理，只是参数不同。 还有以编织角和直径为参数的模型 f = p ( 3 c o 矿s 2 o - 1 ) 1 2 ( 2 9 ) 脚与笋( 2 - 1 0 ) 式2 - 9 所建立的模型在使用时，必须时时测量肌肉的编织角，而式2 1 0 所建 立模型需要时时测量肌肉的直径。这两种模型相对于以长度或收缩率为参数的模 型要繁琐，因此这两种模型没有得到广泛的使用。此外，还有以直径变化比为参 数的模型等等，这里不详细介绍。 针对式2 8 以收缩率为参数的模型，需要说明的是，仅适用于编织角相同直径 相同但是长度不同的肌肉，因而适用性非常广泛，所以本文均采用此模型。 初始状态下，给人工肌肉充液，收缩率为0 时，输出力最大，输出力会随着 收缩率变大而变小，当收缩率达到最大值时，输出力为0 。从公式中可以看出，a ， b 为只与人工肌肉初始直径和初始编织角相关的一个参数，一旦初始直径和初始