軟體機(jī)器人用柔性泵的有限元分析與工藝優(yōu)化

張艷霞，趙輝

(1.鄭州信息科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450008;2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)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(jī)器人層出不窮，而流體壓力驅(qū)動(dòng)的柔性驅(qū)動(dòng)器作為軟機(jī)器人研究中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。這些流體驅(qū)動(dòng)器具有以下有利于人機(jī)交互的特點(diǎn)：(1)對(duì)人沒有危險(xiǎn)；(2)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)；(3)在外力作用下不易折斷。然而，傳統(tǒng)的流體驅(qū)動(dòng)器需要大型設(shè)備來(lái)產(chǎn)生流體壓力，導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸和噪聲較大。

為了解決尺寸和噪聲問(wèn)題，目前不少研究人員利用電液動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出了具有各種電極形狀的流體驅(qū)動(dòng)器或流體泵。電液動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象是一種通過(guò)向電介質(zhì)流體施加高電壓而產(chǎn)生的流動(dòng)現(xiàn)象。STISHKOV、BOGDANOV研制了一種基于電液動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的環(huán)式電極流體泵，該泵通過(guò)電場(chǎng)不對(duì)稱實(shí)現(xiàn)單向流動(dòng)。同樣利用電液動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，ALESHIN等采用帶屏蔽的三電極電路研制了氣動(dòng)流體驅(qū)動(dòng)器，獲得了相比傳統(tǒng)電極方案更高的能效。此外，CACUCCIOLO等發(fā)現(xiàn)使用多個(gè)電極可以促進(jìn)柔性泵增加產(chǎn)生的壓力。但是，上述流體驅(qū)動(dòng)器或者流體泵存在性能不理想、制造工藝復(fù)雜或者需要特殊材料的問(wèn)題，無(wú)法滿足軟體機(jī)器人的實(shí)際需求。

因此，本文作者提出了一種電極對(duì)稱放置的可伸縮柔性泵，并設(shè)計(jì)了相匹配的制造工藝。采用簡(jiǎn)單的電極配置模型設(shè)計(jì)了一個(gè)交叉指型電極柔性泵。在假設(shè)電場(chǎng)僅作用于相鄰電極之間的條件下，利用有限元分析模型來(lái)分析單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的壓力，其結(jié)果被用來(lái)優(yōu)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(yōu)化后的工藝制備了多個(gè)柔性泵，實(shí)現(xiàn)了可靠、高效的柔性泵制造工藝。

1 柔性泵設(shè)計(jì)原理

基于電液動(dòng)力學(xué)現(xiàn)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(dāng)在該柔性泵的介質(zhì)液體上施加高電場(chǎng)(6～20 V/μm)時(shí)，會(huì)將電子從陰極發(fā)射到介質(zhì)液體中。這些電子與電介質(zhì)液體中的中性物質(zhì)反應(yīng)并產(chǎn)生離子。然后離子被電場(chǎng)加速，中性物質(zhì)分子移動(dòng)。因此，電介質(zhì)液體在通道內(nèi)流動(dòng)，柔性泵產(chǎn)生流向較高電位的流體，產(chǎn)生的壓力與電場(chǎng)的平方成正比。

2 柔性泵所產(chǎn)生壓力的最大化

將兩個(gè)陽(yáng)極和相鄰的兩個(gè)陰極視為一個(gè)泵單元，構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的交叉指型電極配置模型如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)單的交叉指型電極配置模型

圖2中的虛線表示一個(gè)單元。對(duì)于恒定的外加電壓，壓力取決于、和。當(dāng)()和()分別定義為距離和處產(chǎn)生的壓力時(shí)，電極間的電場(chǎng)應(yīng)產(chǎn)生流體壓力。該柔性泵由多個(gè)泵單元串聯(lián)連接，泵送機(jī)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 泵送機(jī)構(gòu)示意

在設(shè)計(jì)叉指電極時(shí)，電極間距是決定柔性泵產(chǎn)生壓力的關(guān)鍵參數(shù)，因此，需要根據(jù)圖2所示電極配置模型來(lái)分析單元兩個(gè)邊緣之間的壓差。

設(shè)表示陰極和陽(yáng)極之間形成的均勻電場(chǎng)的強(qiáng)度，其距離為。設(shè)表示屬于下一個(gè)單元的陽(yáng)極和陰極之間的強(qiáng)度，距離為。設(shè)表示由電液動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象引起的兩個(gè)平行電極間的壓差，與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方值成正比，則的計(jì)算方式如下:

(1)

式中：為獨(dú)立于、和的常數(shù)。

(2)

對(duì)式(2)進(jìn)行求導(dǎo):

(3)

可以得到：

(4)

(5)

圖4 有限元分析結(jié)果

3 制造工藝設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(shuō)明了柔性泵使用的3個(gè)主要元件：聚丙烯片，銅片電極和膠黏劑。銅具有很高的導(dǎo)電性，常用作介質(zhì)驅(qū)動(dòng)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?yàn)樗哂泻芎玫碾娊^緣性，并且與柔性泵兼容。

圖5(b)—(f)說(shuō)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(jī)(日?qǐng)D CE6000-40)在銅片上創(chuàng)建交叉切口。去除多余的部分，用激光切割機(jī)(金威刻LF6025GT)將銅片切割成每個(gè)單元。最后，組裝成柔性泵，制備了6個(gè)不同電極配置的。柔性泵的結(jié)構(gòu)和6個(gè)樣品的照片如圖6所示。

圖6 柔性泵的結(jié)構(gòu)和照片

圖6所示單個(gè)泵質(zhì)量為2.1 g?，F(xiàn)有的方法要么需要較長(zhǎng)的制造過(guò)程，例如3D打印和樹脂硬化，要么需要復(fù)雜的制造工藝和特殊材料。然而，采用上述數(shù)字化制造方法，每小時(shí)可制造5臺(tái)柔性泵，可靠性和制造效率明顯提高。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了驗(yàn)證柔性泵的最佳電極配置，制備了6個(gè)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(guò)測(cè)量泵的壓力、流速和電流指標(biāo)來(lái)量化評(píng)估泵的性能。使用絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性較好的Novec 7300(3M)作為柔性泵的工作液。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖7所示。

如圖7(a)所示，通過(guò)將泵的一側(cè)連接到硅膠管，另一側(cè)連接到壓力傳感器(基恩士AP-10S)來(lái)測(cè)量柔性泵產(chǎn)生的壓力。如圖7(b)所示，通過(guò)將硅膠管連接到泵的兩側(cè)并將流速傳感器(基恩士 FD-Xa1)放置在管之間來(lái)評(píng)估流速。如圖7(c)所示，通過(guò)將泵連接到示波器來(lái)測(cè)量電流。根據(jù)測(cè)量的電流計(jì)算功率，并比較該泵與其他現(xiàn)成流體泵的能效。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中，輸入電壓在-8 ～8 kV之間以1 kV的增量變化，以測(cè)量泵的壓力、流速和電流。

圖7 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

此外，為了評(píng)估泵的可靠性，制備了5個(gè)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(jié)果分析

柔性泵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 柔性泵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8(a)—(c)顯示了產(chǎn)生壓力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖8(a)顯示了外加電壓和壓力之間的關(guān)系，可以看出柔性泵產(chǎn)生的壓力隨著的增加而增加。當(dāng)為4.5 mm、電壓為8 kV時(shí)，泵產(chǎn)生的最大壓力為11.2 kPa。圖8(b)顯示了外加電壓和單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的壓力(壓力除以電極單元的總長(zhǎng)度)之間的關(guān)系。當(dāng)為4 mm(=3.4)時(shí)，單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的壓力達(dá)到最大值。圖8(c)顯示了當(dāng)外加電壓為8 kV時(shí)，泵單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的壓力與之間的關(guān)系。單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的壓力在=3.4時(shí)最大,這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析完全吻合，驗(yàn)證了所用柔性泵電極配置模型在優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)方面的有效性。

圖8(d)—(f)顯示了產(chǎn)生流速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如圖8(f)所示，當(dāng)=3.4時(shí)，流速最大。圖8(g)顯示了施加在每個(gè)樣品泵上的電壓和電流之間的關(guān)系。當(dāng)為4 mm、電壓為8 kV時(shí)，功耗為93.6 mW，單位能耗產(chǎn)生的壓力為118.6 kPa/W，是6個(gè)樣品中最大的。結(jié)果表明：電極結(jié)構(gòu)可以從能效的角度進(jìn)行優(yōu)化。

圖8(h)顯示了將8 kV外加電壓應(yīng)用于相同的5個(gè)柔性泵時(shí)，壓力和流速之間的關(guān)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(xiàn)有的流體泵進(jìn)行了比較，性能比較結(jié)果如表1所示。

表1 性能比較結(jié)果

從表1可見：所提柔性泵每單位質(zhì)量產(chǎn)生的輸出壓力與微型泵的性能相當(dāng)。與現(xiàn)有的泵相比，所提柔性泵在單位質(zhì)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(xiàn)出更高的性能。

在此研究中，還利用所提柔性泵實(shí)現(xiàn)一個(gè)緊湊的便攜系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用DC/DC轉(zhuǎn)換器和通用干電池將電壓提升到8 kV。帶流量計(jì)的柔性泵演示如圖9所示。

如圖9(a)所示，向泵施加電壓會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流量計(jì)。導(dǎo)線反轉(zhuǎn)時(shí)，流體反向流動(dòng)，流量計(jì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，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(jì)均保持旋轉(zhuǎn)，如圖9(c)和(d)所示。根據(jù)流量計(jì)旋轉(zhuǎn)次數(shù)(53.1 r/min)，柔性泵的流速為145 mL/min。這一結(jié)果與圖8(d)中的結(jié)果一致。

圖9 帶流量計(jì)的柔性泵演示

結(jié)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(yīng)用于諸如智能紡織品和假肢的可穿戴設(shè)備。雖然該泵的工作電壓較高，但在可穿戴設(shè)備中使用是安全的，因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)電流是微安培級(jí)的。

5 結(jié)論

本文作者提出一種利用電液動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的高功率密度柔性泵，并設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單、高效和可靠的制造方法。對(duì)實(shí)際制備的柔性泵進(jìn)行了真實(shí)測(cè)試，得出如下結(jié)論：(1)單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的壓力在為4 mm(=3.4)時(shí)最大，且與真實(shí)測(cè)得結(jié)果一致，驗(yàn)證了所用交叉指型電極配置模型在優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)方面的有效性；(2)5個(gè)相同配置制備泵之間的壓力誤差和流速誤差均較小，驗(yàn)證了所提制造工藝是可靠的；(3)與其他現(xiàn)有的流體泵相比，所提柔性泵在單位質(zhì)量最大流速、最大壓力和單位能耗最大流速方面表現(xiàn)出更高的性能。