串聯(lián)結(jié)構(gòu)對氣動復(fù)合彈性體彎曲變形的影響

劉洪波 劉齊

摘要：為研究串聯(lián)結(jié)構(gòu)對氣動復(fù)合彈性體彎曲變形的影響，本文提出雙驅(qū)動型單向彎曲關(guān)節(jié)與單向彎曲關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)。利用靜力學(xué)實驗裝置進行了氣動復(fù)合彈性體不同驅(qū)動方式下的彎曲變形對比實驗，獲得了串聯(lián)結(jié)構(gòu)對氣動復(fù)合彈性體彎曲變形性能的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明：在0.35MPa下，遠關(guān)節(jié)單獨驅(qū)動時彎曲角度為74°，基關(guān)節(jié)單獨驅(qū)動時彎曲角度為88°，基遠關(guān)節(jié)同時驅(qū)動時彎曲角度為162.5°。從數(shù)值上看，基、遠關(guān)節(jié)同時驅(qū)動時的彎曲角度近似等于基關(guān)節(jié)單獨驅(qū)動與遠關(guān)節(jié)單獨驅(qū)動之和，即符合線性疊加原理。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)結(jié)構(gòu)；氣動復(fù)合彈性體；彎曲變形

氣動復(fù)合彈性體在變形時具有柔順性好、結(jié)構(gòu)簡單、清潔無污染等優(yōu)點[1]。近幾十年來，國內(nèi)外專家對其性能進行了廣泛研究。例如：美國McKibben型肌肉[2]以色列海法大學(xué)Yoel Shapiro等人研制一種單自由度的彎曲型驅(qū)動器及浙江工業(yè)大學(xué)張立彬等人提出的新型的彎曲關(guān)節(jié)（FPBJ）[3]等。但是關(guān)于串聯(lián)結(jié)構(gòu)對形變性能的影響研究較少，為此本文對串聯(lián)結(jié)構(gòu)下的氣動復(fù)合彈性體進行了彎曲變形對比實驗。

一、氣動復(fù)合彈性體串聯(lián)結(jié)構(gòu)彎曲變形實驗分析

為了提高柔性關(guān)節(jié)的彎曲變形能力并保持一定的夾持能力，本文采用雙驅(qū)動型單向彎曲關(guān)節(jié)與單向彎曲關(guān)節(jié)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)（圖1）。該串聯(lián)模型具有三種工作方式：基關(guān)節(jié)單獨驅(qū)動、遠關(guān)節(jié)單獨驅(qū)動和基遠關(guān)節(jié)同時驅(qū)動。

利用圖2所示的靜力學(xué)實驗系統(tǒng)，完成三種不同驅(qū)動方式下關(guān)節(jié)的彎曲變形實驗。該實驗系統(tǒng)（圖3）主要由氣壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)兩部分組成。其中，氣壓控制系統(tǒng)主要包括氣源、氣動三聯(lián)件、精密減壓閥等組成，而數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)則有單片機、陀螺儀以及上位機等組成。

實驗測量過程中，通過調(diào)節(jié)精密減壓閥來控制氣壓值P的大小，通過單片機和陀螺儀來測量不同氣壓值下關(guān)節(jié)相對應(yīng)的彎曲角度θ，在相同條件下進行多組實驗，并記錄實驗數(shù)據(jù)。

從圖4可以看出，三種驅(qū)動方式下，遠關(guān)節(jié)端面的彎曲角度均隨著氣壓值的增加而變大且彎曲變形曲線具有一定的非線性。在0.35MPa下，遠關(guān)節(jié)單獨驅(qū)動時彎曲角度為74°，基關(guān)節(jié)單獨驅(qū)動時彎曲角度為88°，基遠關(guān)節(jié)同時驅(qū)動時彎曲角度為162.5°。從數(shù)值上看，基、遠關(guān)節(jié)同時驅(qū)動時的彎曲角度近似等于基關(guān)節(jié)單獨驅(qū)動與遠關(guān)節(jié)單獨驅(qū)動之和，即符合線性疊加原理。

二、結(jié)論

本文主要對串聯(lián)結(jié)構(gòu)下的氣動復(fù)合彈性體進行了彎曲變形的對比實驗，并獲得了串聯(lián)結(jié)構(gòu)對氣動復(fù)合彈性體彎曲變形性能的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明，串聯(lián)結(jié)構(gòu)下的氣動復(fù)合彈性體彎曲變形符合線性疊加原理。

參考文獻：

[1]陶國良，謝建蔚，周洪.氣動人工肌肉的發(fā)展趨勢和研究現(xiàn)狀[J].機械工程報，2009，45（10）：75-83.

[2]張遠深，劉明春，趙娜，等.McKibben氣動人工肌肉技術(shù)的發(fā)展歷程[J].液壓與氣動，2008，32（7）：13-15.

[3]邵鐵鋒，張立彬，都明宇等.非完全對稱氣動柔性彎曲關(guān)節(jié)力學(xué)特性實驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45（11）：337-343.