軟體機器人用柔性泵的有限元分析與工藝優化

張艷霞，趙輝

(1.鄭州信息科技職業學院機電工程學院，河南鄭州 450008;2.鄭州航空工業管理學院信息管理中心，河南鄭州 450046)

0 前言

近期，采用橡膠、硅樹脂等材料制成的各種軟體機器人層出不窮，而流體壓力驅動的柔性驅動器作為軟機器人研究中的一項關鍵技術，受到了越來越多的關注。這些流體驅動器具有以下有利于人機交互的特點：(1)對人沒有危險；(2)實現了自適應運動；(3)在外力作用下不易折斷。然而，傳統的流體驅動器需要大型設備來產生流體壓力，導致系統尺寸和噪聲較大。

為了解決尺寸和噪聲問題，目前不少研究人員利用電液動力學現象，設計出了具有各種電極形狀的流體驅動器或流體泵。電液動力學現象是一種通過向電介質流體施加高電壓而產生的流動現象。STISHKOV、BOGDANOV研制了一種基于電液動力學現象的環式電極流體泵，該泵通過電場不對稱實現單向流動。同樣利用電液動力學現象，ALESHIN等采用帶屏蔽的三電極電路研制了氣動流體驅動器，獲得了相比傳統電極方案更高的能效。此外，CACUCCIOLO等發現使用多個電極可以促進柔性泵增加產生的壓力。但是，上述流體驅動器或者流體泵存在性能不理想、制造工藝復雜或者需要特殊材料的問題，無法滿足軟體機器人的實際需求。

因此，本文作者提出了一種電極對稱放置的可伸縮柔性泵，并設計了相匹配的制造工藝。采用簡單的電極配置模型設計了一個交叉指型電極柔性泵。在假設電場僅作用于相鄰電極之間的條件下，利用有限元分析模型來分析單位長度產生的壓力，其結果被用來優化電極之間的間隙，以最大限度地提高柔性泵的性能。利用優化后的工藝制備了多個柔性泵，實現了可靠、高效的柔性泵制造工藝。

1 柔性泵設計原理

基于電液動力學現象，所提柔性泵工作原理如圖1所示。

圖1 柔性泵工作原理

作為一種電荷注入型流體泵，當在該柔性泵的介質液體上施加高電場(6～20 V/μm)時，會將電子從陰極發射到介質液體中。這些電子與電介質液體中的中性物質反應并產生離子。然后離子被電場加速，中性物質分子移動。因此，電介質液體在通道內流動，柔性泵產生流向較高電位的流體，產生的壓力與電場的平方成正比。

2 柔性泵所產生壓力的最大化

將兩個陽極和相鄰的兩個陰極視為一個泵單元，構建一個簡單的交叉指型電極配置模型如圖2所示。

圖2 簡單的交叉指型電極配置模型

圖2中的虛線表示一個單元。對于恒定的外加電壓，壓力取決于、和。當()和()分別定義為距離和處產生的壓力時，電極間的電場應產生流體壓力。該柔性泵由多個泵單元串聯連接，泵送機構示意如圖3所示。

圖3 泵送機構示意

在設計叉指電極時，電極間距是決定柔性泵產生壓力的關鍵參數，因此，需要根據圖2所示電極配置模型來分析單元兩個邊緣之間的壓差。

設表示陰極和陽極之間形成的均勻電場的強度，其距離為。設表示屬于下一個單元的陽極和陰極之間的強度，距離為。設表示由電液動力學現象引起的兩個平行電極間的壓差，與電場強度的平方值成正比，則的計算方式如下:

(1)

式中：為獨立于、和的常數。

(2)

對式(2)進行求導:

(3)

可以得到：

(4)

(5)

圖4 有限元分析結果

3 制造工藝設計

設計的柔性泵制造工藝如圖5所示。

圖5 柔性泵制造工藝

圖5(a)說明了柔性泵使用的3個主要元件：聚丙烯片，銅片電極和膠黏劑。銅具有很高的導電性，常用作介質驅動器的電極。使用了一種膠粘型丙烯酸彈性體(3M VHB4910J)作為中間層，因為它具有很好的電絕緣性，并且與柔性泵兼容。

圖5(b)—(f)說明了如何加工這些材料。銅片最初附著在聚丙烯片上。然后，使用切割繪圖機(日圖 CE6000-40)在銅片上創建交叉切口。去除多余的部分，用激光切割機(金威刻LF6025GT)將銅片切割成每個單元。最后，組裝成柔性泵，制備了6個不同電極配置的。柔性泵的結構和6個樣品的照片如圖6所示。

圖6 柔性泵的結構和照片

圖6所示單個泵質量為2.1 g。現有的方法要么需要較長的制造過程，例如3D打印和樹脂硬化，要么需要復雜的制造工藝和特殊材料。然而，采用上述數字化制造方法，每小時可制造5臺柔性泵，可靠性和制造效率明顯提高。

4 實驗結果與分析

4.1 實驗設置

為了驗證柔性泵的最佳電極配置，制備了6個不同電極配置的泵樣品，以間隔0.5 mm從2.0 mm到4.5 mm遞增，如圖6(b)所示。此外，通過測量泵的壓力、流速和電流指標來量化評估泵的性能。使用絕緣性和化學穩定性較好的Novec 7300(3M)作為柔性泵的工作液。實驗設置如圖7所示。

如圖7(a)所示，通過將泵的一側連接到硅膠管，另一側連接到壓力傳感器(基恩士AP-10S)來測量柔性泵產生的壓力。如圖7(b)所示，通過將硅膠管連接到泵的兩側并將流速傳感器(基恩士 FD-Xa1)放置在管之間來評估流速。如圖7(c)所示，通過將泵連接到示波器來測量電流。根據測量的電流計算功率，并比較該泵與其他現成流體泵的能效。在每個實驗中，輸入電壓在-8 ～8 kV之間以1 kV的增量變化，以測量泵的壓力、流速和電流。

圖7 實驗設置

此外，為了評估泵的可靠性，制備了5個具有相同電極配置(= 4.0 mm)的柔性泵，并比較在8 kV恒定外加電壓下的壓力和流速。

4.2 結果分析

柔性泵的實驗結果如圖8所示。

圖8 柔性泵的實驗結果

圖8(a)—(c)顯示了產生壓力的實驗結果。圖8(a)顯示了外加電壓和壓力之間的關系，可以看出柔性泵產生的壓力隨著的增加而增加。當為4.5 mm、電壓為8 kV時，泵產生的最大壓力為11.2 kPa。圖8(b)顯示了外加電壓和單位長度產生的壓力(壓力除以電極單元的總長度)之間的關系。當為4 mm(=3.4)時，單位長度產生的壓力達到最大值。圖8(c)顯示了當外加電壓為8 kV時，泵單位長度產生的壓力與之間的關系。單位長度產生的壓力在=3.4時最大,這一實驗結果與有限元分析完全吻合，驗證了所用柔性泵電極配置模型在優化電極結構方面的有效性。

圖8(d)—(f)顯示了產生流速的實驗結果。如圖8(f)所示，當=3.4時，流速最大。圖8(g)顯示了施加在每個樣品泵上的電壓和電流之間的關系。當為4 mm、電壓為8 kV時，功耗為93.6 mW，單位能耗產生的壓力為118.6 kPa/W，是6個樣品中最大的。結果表明：電極結構可以從能效的角度進行優化。

圖8(h)顯示了將8 kV外加電壓應用于相同的5個柔性泵時，壓力和流速之間的關系。所有泵之間的壓力誤差和流速誤差分別為3.4%和4.4%。因此，作者提出的制造工藝是可靠的。

將所提柔性泵的性能與其他現有的流體泵進行了比較，性能比較結果如表1所示。

表1 性能比較結果

從表1可見：所提柔性泵每單位質量產生的輸出壓力與微型泵的性能相當。與現有的泵相比，所提柔性泵在單位質量最大流速、單位能耗最大壓力和單位能耗最大流速方面表現出更高的性能。

在此研究中，還利用所提柔性泵實現一個緊湊的便攜系統，該系統使用DC/DC轉換器和通用干電池將電壓提升到8 kV。帶流量計的柔性泵演示如圖9所示。

如圖9(a)所示，向泵施加電壓會逆時針旋轉流量計。導線反轉時，流體反向流動，流量計順時針旋轉，如圖9(b)所示。在施加電壓的情況下，不管泵是平坦的還是彎曲的，流量計均保持旋轉，如圖9(c)和(d)所示。根據流量計旋轉次數(53.1 r/min)，柔性泵的流速為145 mL/min。這一結果與圖8(d)中的結果一致。

圖9 帶流量計的柔性泵演示

結果表明，研制的柔性泵在變形的情況下仍能正常工作。因此，該泵可以應用于諸如智能紡織品和假肢的可穿戴設備。雖然該泵的工作電壓較高，但在可穿戴設備中使用是安全的，因為其驅動電流是微安培級的。

5 結論

本文作者提出一種利用電液動力學現象的高功率密度柔性泵，并設計了簡單、高效和可靠的制造方法。對實際制備的柔性泵進行了真實測試，得出如下結論：(1)單位長度產生的壓力在為4 mm(=3.4)時最大，且與真實測得結果一致，驗證了所用交叉指型電極配置模型在優化電極結構方面的有效性；(2)5個相同配置制備泵之間的壓力誤差和流速誤差均較小，驗證了所提制造工藝是可靠的；(3)與其他現有的流體泵相比，所提柔性泵在單位質量最大流速、最大壓力和單位能耗最大流速方面表現出更高的性能。