人工肌肉驱动蠕动泵的设计

许士杰，陈心怡，张文宣，唐 昊，刘 磊

(南京工程学院,江苏 南京 211167)

0 引 言

某些情况下需要能够传输高粘度且固液混合的流体的设备，而能够适应各种各样情况的便携式设备很少。这些设备通常采用容积式泵或叶片泵传输流体。容积式泵可以通过用活塞或类似的装置机械地加高压来传输高粘度、固液混合的流体。但是这种泵必须足够承受传输流体的高压。同时，在长距离传输、垂直上升或复杂的传输线路时，其传输效率低。叶片泵通过转动叶轮来增加流体的流动，形成比容积式泵大的流速，但由于其排压小，不适合传输高粘度流体。此外，由于固液混合物中的固体成分和叶轮相碰撞，很容易损坏泵[1]。因此，一种可有效节省工厂空间或在户外用于(如疏浚工作)传输高粘度、固液混合的流体的小泵亟待研发，这种泵不受传输线路长度和复杂性的影响，可以控制排压和流量。

这些小型设备需要一个相对较小的力来输送物体。例如Spillman研发了一种由滚轴和橡胶管构成的蠕动式传送机。Mangan的传送机采用了一种环状放置McKibben型气动人工肌肉的方案。然而，这些设备都只能传送球状固体，并不适合流体传输。

1 方案由来

蚯蚓以及与之类似的一些生物通过蠕动爬行来移动。一条蚯蚓由110～200个具有独立组织的体节构成。蚯蚓有两层肌肉：在皮下呈环状分布的环肌和环肌下沿着蚯蚓长度方向分布的纵向肌肉。在前部体节伸长的时候，后部的体节做与之相反的收缩。蚯蚓的蠕动爬行模式：首先，蚯蚓用纵向肌肉收缩前部体节。接着收缩传递到了后部，与此同时前部体节再依靠环肌伸长。这种运动通过蚯蚓的体节进行传播。这样，蚯蚓就可以通过重复的伸缩来向前移动，相反，外壁上的体节却能保持固定。基于这种蠕动爬行模式的装置只要保证扩展后的节密封良好并且运动可以传递到后部的节的话便可以推动液体。

2 理想的驱动器

现如今，气动人工肌肉与蠕动泵在各自领域已经获得相对充足的发展，经过分析，将气动人工肌肉应用于蠕动泵上，既使得气动人工肌肉的应用领域进一步拓宽，又可以在极大程度上改善目前市场上的蠕动泵的不足，使得蠕动泵可以更好地应用于运输方面，提高固体、液体等的运输效率。

参照蚯蚓蠕动原理所制的气动人工肌肉是一种结构简单、功率自重比大、有良好柔性、可高效运输高密度流质、不会损害操作对象的新型气动执行元件[1]。作为一种新型的拉伸执行元件，气动人工肌肉与其它执行元件相比较具有以下一些特有的优点：①结构简单，重量轻，易于小型化；②具有柔性，不会损害操作对象；③动作平滑，无相对摩擦运动部件；④输出力-自重比大，能量转换效率高；⑤在操作过程中产生的热、噪声小；⑥价格低廉，维护方便，应用领域广泛[2]。

3 方案设计

3.1 工作原理

该新型的、能够传输高粘度流体的蠕动泵由机械部分和电气控制部分组成。其中，在机械设计部分，以乳胶管为基材制作了气动人工肌肉，人工肌肉与人工肌肉之间用金属连接件衔接，借助氧焊将连接部分密封，共计三节，通过对其的顺序控制实现运输流质的功能；在电气控制部分，鉴于气泵供气的不稳定，在控制回路中加入了调压阀、减压阀以及储气罐，保证提供稳定的气压，同时加入二位三通阀以及三位五通换向阀，用继电器集成模板实现对各阀体的通断控制，最后将信息采集板与上位机连接，利用VB程序进行分节控制，使得该装置运输效率高，并节约能量。

图1、2为借助SolidWorks软件，由三维生成的二维图，分别呈现了蠕动泵的内部结构及其工作流程。

图1 蠕动泵内部结构模拟图 图2 蠕动泵工作流程图

3.2 运动系统

即机械设计部分，包括人工肌肉膨胀元件、人工肌肉连接元件以及空气管道。以膨胀性与密封性极好的乳胶管为基材制作了气动人工肌肉，人工肌肉与人工肌肉之间用衔接，借助氧焊将连接部分密封，共计三节，通过对其的顺序控制实现运输流质的功能。人工肌肉的内径12 mm，外径17 mm，长100 mm。肌肉可膨胀最大直径为56 mm，最大长度为200 mm，膨胀时间为1.3 s，当膨胀时间为0.8时，直径可达到40 mm。人工肌肉伸缩元件内置于玻璃管道中，且周边留有空隙。泵盖左右两端分别设置有出水口，并设有三根空气管道分别通向三个膨胀单元。气泵为人工肌肉膨胀元件充气时需要设置一定的顺序，首先为最下端的人工肌肉膨胀元件充气，我们测定为一个人工肌肉膨胀元件充满气约需10 s，则10 s后将停止对最下端人工肌肉膨胀元件充气，转而对中间的人工肌肉膨胀元件充气，同理，再过10 s之后将对最上端的人工肌肉膨胀元件充气。而抽气时三个人工肌肉膨胀元件将被同时抽气，直至恢复初始状态。人工肌肉膨胀元件密封性与膨胀性极好，不仅可以横向充塞玻璃管，还可以膨胀致使金属连接件(法兰)所占横向空间忽略不计。

3.3 以总泵头为主的控制系统

该电气控制系统利用VB程序的运行来进行分节控制，上位机与信息采集板相连，在控制回路中加入调压阀、减压阀以及储气罐，以保证提供稳定的气压，同时连入二位三通阀以及三位五通换向阀，用继电器集成模板实现对各阀体的通断控制。从而实现总体的系统控制。具体实施方式：当输出电压为1.4 V时，按下启动按钮，自动运行程序开始，底部肌肉膨胀，充气时间为0.9，此时置中位，倒数第二节进气，充气时间0.9，保持中位0.9 s，最后一节放气0.6 s；倒数第三节进气0.9 s，并重复上述过程。到第二节时中位保持1.4 s放气0.6 s，同时第一节进气1.3 s后放气0.6 s。一个循环结束，共计5.6 s。

图3 控制系统实物图

4 总泵头效率的计算

泵的能源效率可以用泵输出功率Pw与输入功率P的百分比。效率越高，意味着泵性能越好。能源效率η是由公式(1)确定:

η=Pw/P

(1)

泵的输入功率P是使泵正常工作所要达到的值；输出功率Pw是在一个单位时间内由泵借助气动人工肌肉提供给流质的能量，由公式(2)确定：

Pw=QH

(2)

对于输入功率P，按照理想情况下气泵所提供的气体体积来计算，其中：N是指蠕动泵的泵输入在一个周期内空气的平均总使用量，n是指在一个循环中应用空气压力的伸缩装置的数量，则气体分子总数Nm由公式(3)可得：

Nm=N×n

(3)

假设气泵的额定功率为Pv，工作周期为T，V为气动人工肌肉膨胀所需要的气体体积，则据公式(4)可得输入功率P为：

(4)

5 部分控制程序

Private Sub Command1_Click()

Me.Visible = False

Form2.Show

End Sub

Private Sub Command2_Click()

Me.Visible = False

Form3.Show

End Sub

Private Sub Form_Load()

Me.WindowState = 2

End Sub

Private Sub Command4_Click()

D1 = DASingleOutV12(1, value1)

Timer1.Enabled = True

N = t Mod 4

Select Case N

Case 0

K0 = DoSetV12(0, 1)

K1 = DoSetV12(1, 0)

k2 = DoSetV12(2, 0)

k3 = DoSetV12(3, 1)

k4 = DoSetV12(4, 0)

Case 1

K0 = DoSetV12(0, 0)

K1 = DoSetV12(1, 0)

k2 = DoSetV12(2, 1)

k3 = DoSetV12(3, 0)

k4 = DoSetV12(4, 0)

Case 2

K0 = DoSetV12(0, 0)

K1 = DoSetV12(1, 1)

k2 = DoSetV12(2, 0)

k3 = DoSetV12(3, 0)

k4 = DoSetV12(4, 1)

Case 3

K0 = DoSetV12(0, 0)

K1 = DoSetV12(1, 0)

k2 = DoSetV12(2, 0)

k3 = DoSetV12(3, 0)

k4 = DoSetV12(4, 0)

End Select

End Sub

6 应用前景与展望

本项目研究设计的一种新型的、能够传输高粘度流体的蠕动泵，可以有效避免目前蠕动泵在运输高密度流质过程中造成的设备损坏、安装不便等问题，能在各种运输系统中得到应用，如工厂的管道运输、野外和紧急情况。这样的一种新型的基于气动人工肌肉驱动的蠕动泵，在保证其运输效率可以控制的前提下，不仅在运输系统中占用更小的空间，更有望在管道运输中发挥更大的作用。

7 结 语

本文提出了一种基于气动人工肌肉驱动的蠕动泵，在其机械设计部分及电气控制部分颇具创新性与可行性。机械设计部分实现了以乳胶管为基材制作三节气动人工肌肉并用金属连接件衔接，借助氧焊将连接部分密封，通过对其的顺序控制实现运输流质的功能；电气控制部分通过在控制回路中加入调压阀、减压阀、储气罐以及换向阀，用继电器集成模板对各阀体进行通断控制，信息采集板与上位机连接，最终利用VB程序进行分节控制的方式实现了对机械部分的控制。但由于研究条件的限制，仅通过模型的调试验证了该方案的可行性，如果可以在实际应用中进行试验，相信可以可以得出更完备的测试数据，加以改进后会取得更良好的效果。我们也相信这种能传输高粘度流体的新型蠕动泵凭借其性能的优势将得到广泛的推广。