串聯結構對氣動復合彈性體彎曲變形的影響

劉洪波 劉齊

摘要：為研究串聯結構對氣動復合彈性體彎曲變形的影響，本文提出雙驅動型單向彎曲關節與單向彎曲關節串聯結構。利用靜力學實驗裝置進行了氣動復合彈性體不同驅動方式下的彎曲變形對比實驗，獲得了串聯結構對氣動復合彈性體彎曲變形性能的影響規律。實驗結果表明：在0.35MPa下，遠關節單獨驅動時彎曲角度為74°，基關節單獨驅動時彎曲角度為88°，基遠關節同時驅動時彎曲角度為162.5°。從數值上看，基、遠關節同時驅動時的彎曲角度近似等于基關節單獨驅動與遠關節單獨驅動之和，即符合線性疊加原理。

關鍵詞：串聯結構；氣動復合彈性體；彎曲變形

氣動復合彈性體在變形時具有柔順性好、結構簡單、清潔無污染等優點[1]。近幾十年來，國內外專家對其性能進行了廣泛研究。例如：美國McKibben型肌肉[2]以色列海法大學Yoel Shapiro等人研制一種單自由度的彎曲型驅動器及浙江工業大學張立彬等人提出的新型的彎曲關節（FPBJ）[3]等。但是關于串聯結構對形變性能的影響研究較少，為此本文對串聯結構下的氣動復合彈性體進行了彎曲變形對比實驗。

一、氣動復合彈性體串聯結構彎曲變形實驗分析

為了提高柔性關節的彎曲變形能力并保持一定的夾持能力，本文采用雙驅動型單向彎曲關節與單向彎曲關節串聯的結構（圖1）。該串聯模型具有三種工作方式：基關節單獨驅動、遠關節單獨驅動和基遠關節同時驅動。

利用圖2所示的靜力學實驗系統，完成三種不同驅動方式下關節的彎曲變形實驗。該實驗系統（圖3）主要由氣壓控制系統和數據測量系統兩部分組成。其中，氣壓控制系統主要包括氣源、氣動三聯件、精密減壓閥等組成，而數據測量系統則有單片機、陀螺儀以及上位機等組成。

實驗測量過程中，通過調節精密減壓閥來控制氣壓值P的大小，通過單片機和陀螺儀來測量不同氣壓值下關節相對應的彎曲角度θ，在相同條件下進行多組實驗，并記錄實驗數據。

從圖4可以看出，三種驅動方式下，遠關節端面的彎曲角度均隨著氣壓值的增加而變大且彎曲變形曲線具有一定的非線性。在0.35MPa下，遠關節單獨驅動時彎曲角度為74°，基關節單獨驅動時彎曲角度為88°，基遠關節同時驅動時彎曲角度為162.5°。從數值上看，基、遠關節同時驅動時的彎曲角度近似等于基關節單獨驅動與遠關節單獨驅動之和，即符合線性疊加原理。

二、結論

本文主要對串聯結構下的氣動復合彈性體進行了彎曲變形的對比實驗，并獲得了串聯結構對氣動復合彈性體彎曲變形性能的影響規律。實驗結果表明，串聯結構下的氣動復合彈性體彎曲變形符合線性疊加原理。

參考文獻：

[1]陶國良，謝建蔚，周洪.氣動人工肌肉的發展趨勢和研究現狀[J].機械工程報，2009，45（10）：75-83.

[2]張遠深，劉明春，趙娜，等.McKibben氣動人工肌肉技術的發展歷程[J].液壓與氣動，2008，32（7）：13-15.

[3]邵鐵鋒，張立彬，都明宇等.非完全對稱氣動柔性彎曲關節力學特性實驗[J].農業機械學報，2014，45（11）：337-343.