水压人工肌肉水下驱动试验系统设计与试验研究

谢雨晴， 张增猛， 车进凯， 弓永军

(大连海事大学 船舶与海洋工程学院， 辽宁 大连 116026)

引言

流体驱动的人工肌肉是仿生学应用于流体驱动领域的新型驱动器，包括气动人工肌肉、油液压人工肌肉和水压人工肌肉。人工肌肉是在1950年由医生Joseph L McKibben发明的机械式气动臂矫正器用于控制残疾人的手[1]，即McKibben型气动人工肌肉。张氢等[2]研制了一款42 g的轻小型气动人工肌肉，在0.4 MPa下收缩率达到了21.1 %，在0.34 MPa下产生了28.58 N的拉力；设计了一个质量450 g的轻型多自由度灵巧手，并使用该气动人工肌肉对其进行驱动。隋立明等[3-4]设计的一种基于气动软体驱动器的爬行机器人，模仿环节动物的纵肌与环肌功能，通过蠕动的方式实现平面或管道中的运动。安莉等[5]对水压人工肌肉的静态数学模型和工作特性也开展了研究工作，在理想条件下，水压人工肌肉在编织角超过54.7°后不能输出拉力，两端变形对输出力影响较大，其输出力随着液压介质压力p的增大而增大。KENNETH等[6]用Shadow开发的橡胶人工肌肉作为水下驱动器，基于橡胶型肌肉静态模型设计了测试装置。在工作压力为0.3 MPa时，半径为20 mm的水压人工肌肉输出力约为500 N，比同条件下的气动人工肌肉高出了15%。与油液压人工肌肉相比，水压人工肌肉与海洋环境兼容性更好[7]。目前，学者们对水压人工肌肉的模型和驱动特性研究较多，对水压人工肌肉水下驱动的可靠性试验研究较少。BENJAMIN团队[8]通过改进PAM端部配件的设计以增加致动器的疲劳寿命，并搭建气动人工肌肉疲劳试验装置进行疲劳寿命试验，在高频(30 Hz)条件下循环1.2亿次后均未失效，但该气动人工肌肉的额定工作压力仅620 kPa，与水压人工肌肉额定工作压力差距较大。KINGSLEY[9]通过改变PAM的材料和制造技术以延长人工肌肉寿命，搭建执行器疲劳试验台对肌肉进行循环实验，在额定压力655 kPa下，PAM循环14700次后失效。GLENN K等[10]通过单轴拉伸预测McKibben执行器的疲劳寿命，认为PAM的疲劳寿命取决于橡胶材料的寿命，在小收缩量工作压力90 kPa时，乳胶执行器循环17620次后失效。执行器收缩量的大小对疲劳极限有显著影响，较小的执行器冲程导致更高的疲劳极限。张增猛等[11-12]对高强度水压人工肌肉的静态和动态特性进行了试验研究，所研制的人工肌肉在工作压力达到6 MPa 时产生最大静态收缩力约为15 kN，其力/重量比是传统液压缸的5倍，证明水压人工肌肉具有适用于紧凑型和轻量级液压系统的潜力，并且该驱动器可广泛地应用于海底工程的水下机械手。

水压人工肌肉在水下工作过程中编织网和橡胶管可能出现性能退化，导致水压人工肌肉失效，分析失效机理,确定水压人工肌肉潜在的薄弱环节，在保证性能的同时采取改进措施，有效地消除隐患。因此，为了使水压人工肌肉更好的应用于水下环境，需要对水压人工肌肉在水下的性能演化规律和可靠性进行研究。

1 水压人工肌肉水下驱动结构设计

1.1 适应不同收缩量的试验结构设计及工作原理

水压人工肌肉水下驱动试验系统如图1所示，该试验系统包括数据采集单元、负载模块和安装平台。数据采集单元包括拉线位移传感器2、拉力传感器11和水下摄像头5；水压人工肌肉充水后轴向收缩进而带动滑台沿轴向方向运动，通过充压和卸压实现水压人工肌肉的往复循环运动，拉线位移传感器和拉力传感器分别采集水压人工肌肉的位移和拉力；水下摄像头用于观测水压人工肌肉在水下的工作情况；负载模块为负载弹簧，负载弹簧的一端与弹簧挡片和螺母实现双锁紧，通过调节弹簧挡片在滑杆上的位置可以更换负载弹簧；安装平台包括位移传感器固定板1、力传感器连接板14、滑杆12和横梁15。该试验系统采用水压人工肌肉作为驱动器，操作简单，只需控制肌肉的工作压力即可实现水压人工肌肉的往复循环运动。

1.位移传感器固定板 2.拉线位移传感器 3.滑台 4.铜套 5.水下摄像头 6.相机支架 7.负载弹簧 8.弹簧挡片 9.水压人工肌肉驱动器 10.注水接头 11.拉力传感器 12.滑杆 13.吊环 14.力传感器连接板 15.横梁 16.锁紧螺母 17.螺母图1 水压人工肌肉水下驱动试验系统

1.2 弹簧静力平衡分析

水压人工肌肉理论收缩力表达式：

Fideal(ε,p)=(πD2/4)p[a(1-ε)2-b]

0≤ε≤εmax

(1)

式中，p—— 水压人工肌肉工作压力

ε—— 水压人工肌肉收缩率

D—— 弹簧中径

a，b—— 是与初始编织角θ0有关的常数

由于压缩弹簧可以随外载荷的大小做出相应的弹性变形，并在卸载后立即回复原状，因此水压人工肌肉的负载模块采用压缩弹簧。当充水压力为0时，水压人工肌肉不工作，随着充水压力的增大，水压人工肌肉轴向收缩，径向膨胀，弹簧压缩到指定工作位置；当卸压时，水压人工肌肉在压缩弹簧的作用下恢复原长。

根据胡克的弹性定律设计满足水压人工肌肉不同收缩量下的弹簧参数。弹簧在发生弹性形变时，弹簧的弹力F和弹簧的伸长量(或压缩量)x成正比，即关系式为:

F=k·x

(2)

表1 满足水压人工肌肉工作行程的弹簧选型

式中，F，k，x分别是弹簧力、弹簧的弹性系数和弹簧伸长量。

压缩弹簧的弹性力和水压人工肌肉的输出力达到平衡时，系统处于静止状态，静力平衡关系式为:

2kx=(πD2/4)p[a(1-ε)2-b]

(3)

根据弹簧的受力大小及水下工作环境选择碳素弹簧钢丝D类，碳素钢强度高，性能好，在表面进行发黑处理可以防水防锈，受循环载荷作用次数在103～106次范围内，为Ⅱ类弹簧。

弹簧选型应满足工作极限载荷:

pj≥1.25pn

(4)

式中，pj和pn分别是弹簧工作极限载荷和最大工作载荷。根据弹簧工作极限载荷，在机械设计手册确定弹簧的线径d、弹簧的内径D1、外径D2、螺旋角α和节距t、工作极限载荷下的单圈变形量fj、单圈刚度pd和弹簧许用应力，满足水压人工肌肉工作行程的弹簧选型如表1所示。根据单圈刚度pd确定弹簧有效圈数n：

n=pd/p′

(5)

式中，n和p′分别是弹簧有效圈数和弹簧刚度。根据弹簧刚度p′和最大工作载荷pn、最小工作载荷p1确定弹簧实际工作行程h：

h=H1-Hn

(6)

式中，H1和Hn分别是最小载荷高度和最大载荷高度。

2 水压人工肌肉水下驱动试验系统

试验系统原理图如图2所示，水液压比例节流阀7和开关阀8并联，当截止阀9关闭，水液压比例节流阀7开启，手动单向节流阀6和水液压比例节流阀7组成B型半桥回路，调节水压人工肌肉11的工作压力；当截止阀9开启，水液压比例节流阀7关闭，手动单向节流阀6和开关阀8组成B型半桥回路，控制水压人工肌肉的往复循环运动。

高压海水泵的主要参数如表2所示。数据采集单元是拉线位移传感器10、拉力传感器12和水下摄像头。上端接拉线位移传感器10，记录试验中肌肉的收缩位移情况。下端接拉力传感器12，记录试验中肌肉的收缩位移情况。在水下环境进行实验，为了记录水压人工肌肉的运动过程和失效形式，将防水摄像头安装在相机支架上同时观察水压人工肌肉局部和整体。拉线位移传感器和拉力传感器防水等级都为IP68，防水防腐蚀且都在湿度工作范围内，测试系统中传感器性能如表3所示。

1.水箱 2.过滤器 3.水压泵 4.电机 5.溢流阀 6.手动节流阀 7.水液压比例节流阀 8.开关阀 9.截止阀 10.拉线位移传感器 11.水压人工肌肉 12.拉力传感器图2 水下驱动试验系统原理图

表2 高压海水泵参数

表3 传感器参数

对该水压人工肌肉水下驱动试验系统进行调试，调试时关闭截止阀，开启水液压比例节流阀，调节水压人工肌肉的工作压力。进行水压人工肌肉的循环试验，水压人工肌肉的参数如表4所示。水压人工肌肉的初始长度为300 mm，初始编织角为25°，编织网材料为UHMWPE纤维，橡胶管由氯丁橡胶制成，橡胶管外径相同为30 mm，橡胶管壁厚为2 mm，扣压环个数为2个，端部扣压量为1.7 mm，编制锭子数为96个，纤维束股数为3根。

表4 水压人工肌肉参数

图3 水压人工肌肉

图4 水压人工肌肉水下驱动试验系统实物照片

安装水压人工肌肉的初始状态收缩量为0，动力源给定恒压5 MPa，采样周期0.01 s。当水液压比例阀完全打开时，系统背压不超过0.5 MPa。使用MATLAB收集试验过程中充水压力、收缩位移和收缩力的数据。数据处理方法为FFT滤波，窗口点数设置为200，截止频率为0.25 Hz。

水压人工肌肉的力和位置控制精度分别可以达到25 N和0.5 mm。测试时给水液压比例阀0～10 V的斜坡电压信号，斜率为0.5，不同收缩量下的收缩力与输出压力试验曲线如图5所示。试验采样时间t为45 s，采样频率为0.01 Hz。利用试验装置对水压人工肌肉进行测试，采集不同收缩量下的收缩力和输出压力数据，水压人工肌肉的输出压力在4.8 MPa时趋于稳定，此时最大收缩力为8100 N，收缩量为28 mm。

图5 不同收缩量下的收缩力与输出压力

测试时给水液压比例阀0～10 V的正弦电压信号，周期为60 s，不同收缩量下的收缩力与输出压力试验曲线如图6所示。试验采样时间t为200 s，采样频率为0.01 Hz。利用试验装置对水压人工肌肉实现循环往复控制。采集不同收缩量下的收缩力和输出压力数据，水压人工肌肉的最大输出压力趋于4 MPa，此时收缩力趋于8000 N，收缩量为28 mm。在试验过程中，试验台能够正常工作，弹簧和传感器件具有良好的工作状态，为下一步水压人工肌肉在水下的研究提供了条件。

3 结论

通过对水压人工肌肉的力位移特性分析和弹簧参

图6 不同收缩率下的收缩力与输出压力

数计算，设计并搭建了水压人工肌肉水下驱动试验系统，用以实现水压人工肌肉在不同行程下的循环载荷试验。调试该水下驱动试验系统并采集水压人工肌肉的收缩力和收缩率，调试结果表明，水压人工肌肉的输出压力都达到4 MPa以上， 收缩力趋于8000 N， 得到了水压人工肌肉力位移特性曲线。