伸長型氣動柔性驅動器設計與實驗

梁 正,武廣斌

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

近20年，機器人和人工智能技術已應用到工業、農業、醫療康復、服務娛樂及宇航等領域，且應用領域越來越貼近人們的日常生活[1-2].柔性驅動器作為機器人驅動單元的核心部件，其柔性程度成為制約軟體機器人發展的重要因素[3-4].當前，常用的柔性驅動器包括氣缸、液壓缸、線性電動機、電動缸等[5]，氣動缸和液壓缸的軸向位置和伸長量無法連續調節，并且它們尺寸大、柔性差、使用不靈活[6]；線性電動機和電動缸的軸向位置可控且精度較高，但其結構復雜、體積較大、緩沖能力較弱、人機共融難度較大且難以實現輕量化和小型化[7-8].

本文所研究伸長型“剛-柔耦合”氣動柔性驅動器，具有軸向伸長量連續可調、驅動力可調、剛度可控等功能，能克服目前軸向驅動器體積大、柔性差、位置不可控等缺陷，有一定剛度能適應不同的工作環境，對軟體機器人的發展具有重要的研究意義.

1 伸長型氣動柔性驅動器結構設計

伸長型氣動柔性驅動器如圖1所示，硅膠管兩端分別與上、下堵頭機械連接形成密封腔體，上、下連接蓋內部有螺紋槽，能與約束彈簧旋緊固定配合；上、下堵頭分別與彈簧兩端固定連接，上、下堵頭留有螺紋孔，與上、下連接蓋螺栓連接，上堵頭設有螺紋孔連接氣動接頭.約束彈簧采用圓柱間隙螺旋彈簧，材料為65Mn，上、下連接蓋采用ABS塑料由3D打印制作完成.柔性驅動器本體結構參數如表1所示.

(a)柔性驅動器三維圖

(b)柔性驅動器實物圖圖1 氣動柔性驅動器

表1 柔性驅動器本體結構參數

2 驅動器靜力學實驗

為研究約束彈簧剛度對伸長性驅動器靜力學性能的影響，分別測量3種不同彈簧絲直徑的驅動器，在0～0.34 MPa氣壓值范圍內的伸長量、軸向驅動力以及在不同初始氣壓條件下的軸向驅動力.表2為3種約束彈簧幾何參數與物理參數.

表2 約束彈簧幾何參數與物理參數

2.1 驅動器伸長量實驗

測量不同粗細彈簧絲制得的驅動器在氣壓值0～0.34 MPa范圍內的伸長量.實驗過程中使用的實驗設備由氣泵、精密減壓閥、氣壓傳感器和三維運動捕捉儀等組成，實驗原理圖為圖2.

圖2 驅動器伸長量實驗原理圖

將在不同氣壓值下(0～0.34 MPa)的實驗數據進行處理，可得到3種不同粗細彈簧制得的驅動器伸長量的變化曲線圖3.由圖3可知，驅動器的伸長量隨氣壓值的增加而逐漸增大，且呈現出一定程度的非線性.當氣壓值達到0.34 MPa時，彈簧絲直徑為2、1.8和1.6 mm,驅動器伸長量分別為47.5、61和88 mm，伸長率為59.4%、76.3%和110%.

氣壓值/MPa圖3 軸向伸長量-氣壓曲線圖

圖4為2 mm彈簧絲直徑驅動器分別在0.1、0.2和0.3 MPa氣壓條件下為伸長狀態.

(a)0.1 MPa

(b)0.2 MPa

(c)0.3 MPa圖4 不同氣壓條件下的伸長狀態

2.2 驅動器驅動力實驗

測量不同粗細彈簧絲制得的驅動器在氣壓值0～0.34 MPa范圍內的軸向驅動力.實驗過程中使用的實驗設備由氣泵、精密減壓閥、數顯式推拉力計、固定座、XY移動臺和氣壓傳感器等組成.

實驗方法是將驅動器一端與固定座連接，固定座安裝在XY移動臺上，將測力計固定在XY移動滑臺上，實驗過程中驅動器始終處于原長狀態，調節滑臺使測力計頂端與驅動器上端蓋接觸，逐步提高氣壓值，分別測量彈簧絲直徑為2、1.8和1.6 mm時軸向驅動力大小，測量過程均采取面接觸測量.實驗原理圖如圖5所示，根據實驗原理搭建實驗系統裝置,見圖6.

圖5 驅動力測量實驗原理圖

圖6 軸向驅動力-氣壓實驗圖

將在不同氣壓值下(0～0.34 MPa)的實驗數據進行處理，可得到3種不同粗細的彈簧制得的驅動器軸向驅動力的變化曲線(圖7).

氣壓值/MPa圖7 軸向驅動力-氣壓曲線圖

由圖7可知，驅動器的軸向力隨氣壓值的增加而逐漸增大，且呈現出線性變化.當氣壓值達到0.34 MPa時，彈簧絲直徑為2、1.8和1.6 mm的驅動器軸向驅動力為63.98、59.85和59.55 N.由曲線可知，3種軸向器驅動力大小有一定差別，主要由于硅膠管嵌套于約束彈簧內部時，間隙不一致造成.

2.3 驅動器不同初始氣壓條件下的軸向驅動力實驗

測量不同粗細彈簧絲制得的驅動器在不同初始氣壓條件下，在氣壓值0～0.34 MPa范圍內的伸長量.實驗過程中使用的實驗設備由氣泵、精密減壓閥、數顯式推拉力計、固定座、XY移動臺和氣壓傳感器等組成.

實驗方法是將驅動器一端與固定座連接，固定座安裝在XY移動臺上，將測力計固定在XY移動滑臺上，逐步提高氣壓值，調節滑臺使測力計頂端與驅動器端蓋接觸，調零測力計，測量驅動器的驅動力大小，測量過程均采取面接觸測量.

將實驗數據進行處理，關節初始氣壓由0到0.34 MPa，相鄰不同初始氣壓間隔為0.04 MPa，分別測量關節在此條件變形下的驅動力與氣壓關系，可得到3種驅動器在不同初始氣壓值下的軸向驅動力的變化曲線(圖8).由圖8可知，在初始氣壓為0 MPa時，3種驅動器的驅動力最大，彈簧絲直徑為2、1.8和1.6 mm的驅動器驅動力分別為63.98、61.85和59.55 N.

氣壓值/MPa(a)2 mm彈簧絲驅動器

氣壓值/MPa(b)1.8 mm彈簧絲驅動器

氣壓值/MPa(c)1.6 mm彈簧絲驅動器圖6 3種驅動器不同初始氣壓下的軸向驅動力變化曲線

隨著初始氣壓的增加，驅動器的最大驅動力遞減.在相同氣壓下，驅動器的初始氣壓越大，驅動器的驅動力越小.在驅動器初始氣壓一致的情況下，驅動器的驅動力隨氣壓的增加而遞增.在測試驅動力實驗中，在初始氣壓為0 MPa時，剛通入一定的壓縮氣體時，氣囊未充分膨脹，驅動力與工作氣壓呈相關，待充滿后驅動力隨氣壓增加速率明顯加快，變化曲線呈線性增大.

3 結 論

為研究不同剛度的約束彈簧對氣動柔性驅動器靜力學性能的影響，對3種不同彈簧絲直徑的驅動器進行了伸長量-氣壓實驗、軸向驅動力-氣壓實驗和在不同初始氣壓下的軸向驅動力實驗.實驗結果表明：驅動器伸長量隨工作氣壓的增大呈非線性增加，約束彈簧絲直徑越小，驅動器伸長

量越大；伸長量為零時，驅動器具有的軸向驅動能力最大，不同剛度的驅動器最大驅動力相同，且隨工作氣壓的增大呈正相關.在不同初始氣壓下，不同剛度的驅動器隨著氣壓增加，驅動力變化趨勢一致，呈正相關.

本文僅研究彈簧絲直徑參數對驅動器靜力學性能的影響，未深入研究約束彈簧螺距、圈數等結構參數對驅動器力學特性的影響.下一步將作綜合考慮，優化設計出既能保證驅動器具有較強軸向變形能力，又具有較好的力學特性的結構參數，以支持該驅動器在農業采摘、康復醫療和家用服務等領域的應用.