液动人工肌肉驱动仿人灵丹性眼睛的设计

液动人工肌肉驱动仿人灵丹性眼睛的设计

1机器人植物自动装置随着机器人和柔性自动化技术的发展，不同的关节机器人已经广泛使用。为了适应科学技术的发展，软机器人的研究已成为国内外的研究热点。关节型机械手是模仿人的手部动作,按照给定轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置,特别可在高压、多粉尘、易爆等恶劣环境中代替人类作业,因此获得日益广泛的应用。机器人灵巧手是一个高度集成化的机电系统,涉及机械、电子、计算机等多个学科领域。20世纪80年代以来,由于气动人工肌肉的发展,将人工肌肉作为机器人的驱动装置越来越受到研究者的注意,但是对采用流体驱动的人工肌肉研究甚少。对人工肌肉的驱动特性做了研究,设计出了液动人工肌肉驱动的仿人灵巧手指。2模仿人类的灵活手指2.1柔性可弯曲单用橡胶所制成的软管,当充压时只能进行轴向的伸张,不能发生弯曲。假设橡胶软管壁一侧线为轴向刚性和径向柔性(可弯曲),那么当软管充压时,除了管壁上那条刚性侧线不能伸张外,其余管壁侧线都将伸张,如图1所示。同时,由于那条刚性侧线的限制,使得软管壁上各个侧线的伸长量都不一样,从而会导致软管的弯曲,达到了单个驱动元件的弯曲效果。所以把一条径向柔性较好的钢丝集成到软管壳体壁里,并且该钢丝的轴线与软管的轴线相平行。2.2.不同管道合理压力柔性管一端固定在刚性手指的一端,另一端可在手指的滑槽内滑动,如图2所示。当向管内供油时,管内压强增大,促使橡胶管发生轴向伸长,管内有钢丝的一侧不能伸长,所以没有钢丝的一侧便发生了弯曲变形。从而带动手指的各个关节发生弯曲,实现工作要求。3基于手动设备的动态特性和模拟分析3.1动态特性方程假设弯曲关节的一端固定在基座上,如图3所示。那么弯曲关节可以等效为一个等截面的悬臂梁。当弯曲关节发生小的变形时,由图所示的几何关系可得:根据悬臂梁模型,可以得到系统的固有频率:式中:EI—抗弯刚度;m1—自由端的集中质量;m2—关节液压驱动元件的质量。由此可得关节液压驱动元件的动态特性方程:式中:b—系统的阻力系数。设流体压力阀出口处的流体压强为p,流体粘度υ、ρ密度分别用υ、ρ表示,压力阀与关节液压驱动元件之间的柔性细管的长度为l,半径为R。由哈根—泊阿苏依定律可得到流入关节液压驱动元件的流体流量:对于关节液压驱动元件,根据流体的连续性方程可得:式中:K—流体的体积弹性模量。可得到系统的传递函数:3.2负载对关节动态特性的影响在MATLAB中,对液压驱动元件模型进行仿真,讨论外部结构参数对其动态特性的影响。首先研究外部负载对关节液压驱动元件动态特性的影响。在不同负载下关节液压驱动元件的阶跃响应特性,如图4(a)所示。从图中可以看出,随着负载的增加,关节液压驱动元件的响应特性变差。因此,对于一定结构的关节液压驱动元件,要获得较好的动态特性,其负载值不能过大。其次,考察柔性细管的半径对关节动态特性的影响。随着柔性细管半径的减小,如图4(b)所示。弯曲关节出现过阻尼的特性。因此,可以通过选择合适的柔性细管来获得期望的动态特性。4橡胶管道的有限分析4.1几何模型的建立圆筒是由Mooney-Rivlin材料构成,根据对称性选取橡胶管横截面的1/4建立几何模型,内径为5mm,外径为20mm,并选择PLANE182单元进行求解,采用自由网格划分,如图5所示。4.2如果管道压力为5mpa，分析结果表明管内压强为5MPa时的分析结果几何变形图,如图6所示。等效应力等值线图,如图7所示。4.3如果管道压力为25mpa，分析结果表明管内压强为25MPa时的分析结果几何变形图,如图8所示。等效应力等值线图,如图9所示。4.4橡胶管过大,应力大管内压强为40MPa时的分析结果几何变形图,如图10所示。导致应力等值线图,如图11所示。结果分析:当管内液体压强在5MPa时橡胶管变形很小,可以忽略;当管内压强为25MPa时,橡胶管内壁发生轻微的变形,如图7所示。应力也明显增大,所以为了能够达到工作要求,在管内加入增强纤维,限制其径向变形,同时在一侧加入钢丝,限制这一侧的轴向伸长,在目前看来设计耐压为25MPa的驱动器是可以实现的;当管内压强达到40MPa时,变形已经非常明显,如图8所示。橡胶管承受应力太大,如图9所示。即使内部加入增强纤维或钢丝弹簧,在现有的技术条件下也很难达到工作要求。5橡胶管特性分析结果(1)研究设计了一种新型液压驱动元件控制的仿人灵巧手指,建立了驱动器的结构模型,分析了其动态特性。(2)用ANSYS10.0软件对橡胶管特性进行了非线性分析,得到橡胶管内部压强分别为5MPa、25MPa和40MPa时柔性液压驱动器的应力应变等值线图,并且进行了比较,与根据理论推导的分析结果相比基本吻合,分