液動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)仿人靈丹性眼睛的設(shè)計(jì)

1機(jī)器人植物自動(dòng)裝置隨著機(jī)器人和柔性自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，不同的關(guān)節(jié)機(jī)器人已經(jīng)廣泛使用。為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軟機(jī)器人的研究已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手是模仿人的手部動(dòng)作,按照給定軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和操作的自動(dòng)裝置,特別可在高壓、多粉塵、易爆等惡劣環(huán)境中代替人類作業(yè),因此獲得日益廣泛的應(yīng)用。機(jī)器人靈巧手是一個(gè)高度集成化的機(jī)電系統(tǒng),涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代以來,由于氣動(dòng)人工肌肉的發(fā)展,將人工肌肉作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置越來越受到研究者的注意,但是對(duì)采用流體驅(qū)動(dòng)的人工肌肉研究甚少。對(duì)人工肌肉的驅(qū)動(dòng)特性做了研究,設(shè)計(jì)出了液動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的仿人靈巧手指。2模仿人類的靈活手指2.1柔性可彎曲單用橡膠所制成的軟管,當(dāng)充壓時(shí)只能進(jìn)行軸向的伸張,不能發(fā)生彎曲。假設(shè)橡膠軟管壁一側(cè)線為軸向剛性和徑向柔性(可彎曲),那么當(dāng)軟管充壓時(shí),除了管壁上那條剛性側(cè)線不能伸張外,其余管壁側(cè)線都將伸張,如圖1所示。同時(shí),由于那條剛性側(cè)線的限制,使得軟管壁上各個(gè)側(cè)線的伸長(zhǎng)量都不一樣,從而會(huì)導(dǎo)致軟管的彎曲,達(dá)到了單個(gè)驅(qū)動(dòng)元件的彎曲效果。所以把一條徑向柔性較好的鋼絲集成到軟管殼體壁里,并且該鋼絲的軸線與軟管的軸線相平行。2.2.不同管道合理壓力柔性管一端固定在剛性手指的一端,另一端可在手指的滑槽內(nèi)滑動(dòng),如圖2所示。當(dāng)向管內(nèi)供油時(shí),管內(nèi)壓強(qiáng)增大,促使橡膠管發(fā)生軸向伸長(zhǎng),管內(nèi)有鋼絲的一側(cè)不能伸長(zhǎng),所以沒有鋼絲的一側(cè)便發(fā)生了彎曲變形。從而帶動(dòng)手指的各個(gè)關(guān)節(jié)發(fā)生彎曲,實(shí)現(xiàn)工作要求。3基于手動(dòng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性和模擬分析3.1動(dòng)態(tài)特性方程假設(shè)彎曲關(guān)節(jié)的一端固定在基座上,如圖3所示。那么彎曲關(guān)節(jié)可以等效為一個(gè)等截面的懸臂梁。當(dāng)彎曲關(guān)節(jié)發(fā)生小的變形時(shí),由圖所示的幾何關(guān)系可得:根據(jù)懸臂梁模型,可以得到系統(tǒng)的固有頻率:式中:EI—抗彎剛度;m1—自由端的集中質(zhì)量;m2—關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)元件的質(zhì)量。由此可得關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)態(tài)特性方程:式中:b—系統(tǒng)的阻力系數(shù)。設(shè)流體壓力閥出口處的流體壓強(qiáng)為p,流體粘度υ、ρ密度分別用υ、ρ表示,壓力閥與關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)元件之間的柔性細(xì)管的長(zhǎng)度為l,半徑為R。由哈根—泊阿蘇依定律可得到流入關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)元件的流體流量:對(duì)于關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)元件,根據(jù)流體的連續(xù)性方程可得:式中:K—流體的體積彈性模量。可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù):3.2負(fù)載對(duì)關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響在MATLAB中,對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)元件模型進(jìn)行仿真,討論外部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響。首先研究外部負(fù)載對(duì)關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)態(tài)特性的影響。在不同負(fù)載下關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)元件的階躍響應(yīng)特性,如圖4(a)所示。從圖中可以看出,隨著負(fù)載的增加,關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)元件的響應(yīng)特性變差。因此,對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)元件,要獲得較好的動(dòng)態(tài)特性,其負(fù)載值不能過大。其次,考察柔性細(xì)管的半徑對(duì)關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響。隨著柔性細(xì)管半徑的減小,如圖4(b)所示。彎曲關(guān)節(jié)出現(xiàn)過阻尼的特性。因此,可以通過選擇合適的柔性細(xì)管來獲得期望的動(dòng)態(tài)特性。4橡膠管道的有限分析4.1幾何模型的建立圓筒是由Mooney-Rivlin材料構(gòu)成,根據(jù)對(duì)稱性選取橡膠管橫截面的1/4建立幾何模型,內(nèi)徑為5mm,外徑為20mm,并選擇PLANE182單元進(jìn)行求解,采用自由網(wǎng)格劃分,如圖5所示。4.2如果管道壓力為5mpa，分析結(jié)果表明管內(nèi)壓強(qiáng)為5MPa時(shí)的分析結(jié)果幾何變形圖,如圖6所示。等效應(yīng)力等值線圖,如圖7所示。4.3如果管道壓力為25mpa，分析結(jié)果表明管內(nèi)壓強(qiáng)為25MPa時(shí)的分析結(jié)果幾何變形圖,如圖8所示。等效應(yīng)力等值線圖,如圖9所示。4.4橡膠管過大,應(yīng)力大管內(nèi)壓強(qiáng)為40MPa時(shí)的分析結(jié)果幾何變形圖,如圖10所示。導(dǎo)致應(yīng)力等值線圖,如圖11所示。結(jié)果分析:當(dāng)管內(nèi)液體壓強(qiáng)在5MPa時(shí)橡膠管變形很小,可以忽略;當(dāng)管內(nèi)壓強(qiáng)為25MPa時(shí),橡膠管內(nèi)壁發(fā)生輕微的變形,如圖7所示。應(yīng)力也明顯增大,所以為了能夠達(dá)到工作要求,在管內(nèi)加入增強(qiáng)纖維,限制其徑向變形,同時(shí)在一側(cè)加入鋼絲,限制這一側(cè)的軸向伸長(zhǎng),在目前看來設(shè)計(jì)耐壓為25MPa的驅(qū)動(dòng)器是可以實(shí)現(xiàn)的;當(dāng)管內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到40MPa時(shí),變形已經(jīng)非常明顯,如圖8所示。橡膠管承受應(yīng)力太大,如圖9所示。即使內(nèi)部加入增強(qiáng)纖維或鋼絲彈簧,在現(xiàn)有的技術(shù)條件下也很難達(dá)到工作要求。5橡膠管特性分析結(jié)果(1)研究設(shè)計(jì)了一種新型液壓驅(qū)動(dòng)元件控制的仿人靈巧手指,建立了驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)模型,分析了其動(dòng)態(tài)特性。(2)用ANSYS10.0軟件對(duì)橡膠管特性進(jìn)行了非線性分析,得到橡膠管內(nèi)部壓強(qiáng)分別為5MPa、25MPa和40MPa時(shí)柔性液壓驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)力應(yīng)變等值線圖,并且進(jìn)行了比較,與根據(jù)理論推導(dǎo)的分析結(jié)果相比基本吻合,分