氣動空間彎曲柔性關(guān)節(jié)運(yùn)動功能實(shí)驗(yàn)研究

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(1.北華大學(xué) 工程訓(xùn)練中心， 吉林 吉林　132021； 2.北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 吉林 吉林　132021)

引言

氣動柔性關(guān)節(jié)作為一種新型的氣動執(zhí)行元件，與傳統(tǒng)的執(zhí)行元件相比，具有較好的柔順性、無摩擦、清潔和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，得到了國內(nèi)外學(xué)者的重視并得以快速的發(fā)展，具有較好的發(fā)展前景[1-3]。柔性關(guān)節(jié)可用于形狀變化較大的工業(yè)品搬運(yùn)，易碎易壞物品的收集等；也可用于水中仿生動物的關(guān)節(jié)，如魚鰭和魚尾等柔性度要求較高的關(guān)節(jié)；也適用于服務(wù)機(jī)器人、軍事機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人等領(lǐng)域[4,5]。

目前已有的氣動人工關(guān)節(jié)尚不能完全滿足在仿生及特種機(jī)器人等領(lǐng)域的特殊需要，迫切需要高度柔順的新型關(guān)節(jié)[6,7]。本研究提出的氣動空間彎曲柔性關(guān)節(jié)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)軸向伸長和空間彎曲運(yùn)動，從仿生角度[8]具備了手指關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)。

1　關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)功能與運(yùn)動原理

所研制的氣動空間彎曲柔性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1所示，關(guān)節(jié)主要有3個乳膠管、一組約束元件、3個彈簧和上、下端蓋等組成，乳膠管和彈簧沿關(guān)節(jié)中心對稱分布。彈簧作為骨架分別與上、下端蓋固定連接；乳膠管兩端分別與上封頭和下封頭連接，上封頭、下封頭與上端蓋、下端蓋固定連接成一體，在下封頭上設(shè)有流體入口。乳膠管、約束件和封頭構(gòu)成的密封良好的腔體稱為氣動人工肌肉。氣動空間彎曲柔性關(guān)節(jié)相當(dāng)于三個獨(dú)立的人工肌肉并聯(lián)形成的結(jié)構(gòu)，具有三個自由度，能實(shí)現(xiàn)軸向伸長和空間彎曲。

單體氣動人工肌肉通入壓縮氣體時，只做軸線伸長，變形長度取決于氣體壓力p。當(dāng)氣體壓力增加時，人工肌肉軸向膨脹帶動約束元件移動，使關(guān)節(jié)主動變形加大；氣體壓力減小時，關(guān)節(jié)變形減??；卸去壓力時，人工肌肉會在自身的彈力作用下恢復(fù)原狀。

分別對關(guān)節(jié)中三個氣壓值p1、p2、p3進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)向任意方向彎曲和沿軸線方向伸縮。

當(dāng)p1、p2、p3氣體壓力相同時(如圖2a所示，其中，K1、K2和K3分別是三個彈簧的軸向剛度，Kn1、Kn2和Kn3分別是三個乳膠管的軸向剛度)，彎矩矢量和為0，關(guān)節(jié)僅受軸向力作用，將沿軸線方向主動伸長，變形程度由通入壓縮氣體壓力的大小所決定。

圖2　關(guān)節(jié)受力分析

當(dāng)p1單獨(dú)驅(qū)動時，關(guān)節(jié)朝著p2、p3的方向彎曲；當(dāng)p2、p3相同、p1為0時即兩肌肉驅(qū)動時，關(guān)節(jié)向p1的方向彎曲。

當(dāng)p1、p2、p3壓力不同時，彎矩矢量合不為0，如圖2b所示，關(guān)節(jié)發(fā)生彎曲和伸長復(fù)合的變形，彎矩矢量合的方向決定了彎曲方向，彎曲程度由力矩和∑M大小決定。

2　關(guān)節(jié)彎曲實(shí)驗(yàn)及分析

空間彎曲柔性關(guān)節(jié)彎曲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，主要有氣壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)兩部分。具體實(shí)驗(yàn)裝置有氣泵、氣動三聯(lián)件、精密減壓閥、單片機(jī)、數(shù)據(jù)檢測傳感器、上位機(jī)等設(shè)備組成如圖4所示。其中，單片機(jī)主要作用是采集傳感器輸出的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理，處理完以后發(fā)送給上位機(jī)；數(shù)據(jù)檢測傳感器采用磁羅盤和陀螺儀集成一體的傳感器，磁羅盤輸出數(shù)據(jù)處理后能夠得到柔性關(guān)節(jié)的空間彎曲方向φ，陀螺儀輸出數(shù)據(jù)處理后得到柔性關(guān)節(jié)的空間彎曲角度θ。

圖3　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖4　實(shí)驗(yàn)裝置

為了消除重力對實(shí)驗(yàn)造成的影響，將關(guān)節(jié)垂直固定于X、Y平面，即關(guān)節(jié)的中心軸與Z軸重合。磁羅盤與關(guān)節(jié)上端端蓋通過螺栓結(jié)構(gòu)固定連接，保證磁羅盤的坐標(biāo)系與關(guān)節(jié)坐標(biāo)系(見圖2)平行。實(shí)驗(yàn)中，關(guān)節(jié)中三個氣壓值p1、p2、p3的調(diào)節(jié)范圍是0～0.35 MPa，氣壓增量為0.05 MPa，通入不同組合的氣壓值時，便可以得到一系列的空間彎曲角度θ以及空間彎曲方向φ的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB并進(jìn)行處理，可獲得柔性關(guān)節(jié)空間彎曲角度和空間彎曲方向與氣壓值p1、p2和p3的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中采用柔性關(guān)節(jié)的主要參數(shù)如表1所示。

表1　關(guān)節(jié)的參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程中，關(guān)節(jié)在不同氣壓下主要的空間彎曲形態(tài)如圖5所示。

圖5　關(guān)節(jié)實(shí)物與彎曲形態(tài)

2.1　關(guān)節(jié)空間彎曲方向?qū)嶒?yàn)分析

為了消除重力對實(shí)驗(yàn)造成的影響，將關(guān)節(jié)垂直固定于X、Y平面，即關(guān)節(jié)的中心軸與Z軸重合。通入不同組合的氣壓值時，關(guān)節(jié)會向X、Y平面內(nèi)任意方向彎曲。每次實(shí)驗(yàn)中固定p1，依次改變p2和p3，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，記錄10 s的穩(wěn)態(tài)值作為關(guān)節(jié)彎曲方向的角度值，通過一系列空間彎曲方向?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，得到空間彎曲柔性關(guān)節(jié)彎曲方向φ與所通入的三個氣壓值p1、p2和p3的關(guān)系如圖6所示。

當(dāng)p1、p2和p3三個氣壓值不同時，關(guān)節(jié)將同時受軸向力和彎曲力矩的共同作用，力學(xué)上屬于軸向變形和彎曲變形的耦合變形。關(guān)節(jié)彎矩矢量合的方向決定了彎曲方向，因?yàn)榇朔较蜿P(guān)節(jié)端蓋所受力矩最小。

圖6　空間彎曲方向與氣壓值關(guān)系

當(dāng)p1=0.05 MPa時(見圖6a)，關(guān)節(jié)彎曲方向分布在第一象限的0°～60°和第四象限的300°～360°范圍內(nèi)；當(dāng)p1=0.15 MPa(見圖6b)和p1=0.25 MPa(見圖6c)時，節(jié)彎曲方向分布在第一、二、三和第四象限，區(qū)別在于(見圖6c)比(見圖6b)曲面變化平緩； 當(dāng)p1=0.35 MPa時(見圖6d)，關(guān)節(jié)彎曲方向分布在第一和第四象限，角度φ變化范圍在120°～240°內(nèi)，曲面變化平滑。

從圖6中可以看出，如果將氣壓增量進(jìn)一步細(xì)分，氣動空間彎曲關(guān)節(jié)完全可以實(shí)現(xiàn)0～360°內(nèi)任意方向的彎曲。

2.2　關(guān)節(jié)空間彎曲角度實(shí)驗(yàn)分析

空間彎曲柔性關(guān)節(jié)彎曲角度實(shí)驗(yàn)與空間彎曲方向?qū)嶒?yàn)過程和方法基本相同，關(guān)節(jié)的空間彎曲角度通過陀螺儀來測定，將得到的空間彎曲角度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讀入到MATLAB進(jìn)行處理，得到關(guān)節(jié)空間彎曲角度θ與所通入的三個氣壓值p1、p2和p3的關(guān)系如圖7所示。

圖7　空間彎曲角度與氣壓值關(guān)系

從圖7中知，關(guān)節(jié)的空間彎曲角度范圍0～57.8°，最大值出現(xiàn)在圖7a中p2=p3=0.35 MPa，p1=0的氣壓組合下，即雙肌肉驅(qū)動。從圖7a-圖7d，可以看出，每幅圖中的最低點(diǎn)出現(xiàn)在p1=p2=p3的情況下，此時關(guān)節(jié)僅受軸向力作用，處于軸線伸長狀態(tài)，彎曲角度為0。

由實(shí)驗(yàn)可知，關(guān)節(jié)彎曲角度取決于柔性關(guān)節(jié)內(nèi)三個氣動人工肌肉通入的壓力差形成的力矩和，隨著力矩和數(shù)值的增大，關(guān)節(jié)的彎曲角度變大。

3　結(jié)論

本研究研制的新型氣動空間彎曲柔性關(guān)節(jié)，具有三個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)空間彎曲和軸向伸縮。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)內(nèi)三個氣囊的工作壓力(0～0.35 MPa)，關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)0～360°內(nèi)空間任意方向的彎曲，雙肌肉驅(qū)動時彎曲角度可達(dá)到57.8°。

關(guān)節(jié)的工作氣壓一旦確定，空間彎曲方向和角度就能確定關(guān)節(jié)的空間位置，為以后的理論研究奠定了基礎(chǔ)。

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