Vol.45 No.3Mar. 2021
第45卷第3期2021年3月
液压与$动
Chinese Hydraulics & Pneumatics doi ： 10.11832/j. issn. 1000-4858.2021.03.006
基于拮抗机制的可变刚度流体驱动
陈英龙，张军豪，张增猛，弓永军
(大连海事大学船舶与海洋工程学院，辽宁大连116000)
摘要：柔性致动器具有柔顺性高、环境适应性强及人机交互性好等特—
o 针对传统柔性制动器刚度
控制性能差的问题，基于柔性伸长肌和收缩肌的拮抗机制，提出一种新型可变刚度的流体驱动柔性致动器， 该致动器能够实现伸长/缩短的复合动作，并通过协同调整伸长和收缩力实现刚度的控制；基于伸长及收缩 织物的柔性形变机理，建立了柔性致动器的力学特性模型，并进行了仿真分析；开展了柔性致动器的力学特
性试验，测试了致动器在不同充压及形变位移下的力学特性，并验证了柔性致动器的刚度调节特性。
关键词：柔性致动器；伸长肌；收缩肌；变刚度
中图分类号:TH137 :TH138 文献标志码：B 文章编号：1000-4858 (2021)03-0040-07
A Novel StiWness-variable Fluid-driven Soft Actuator Based on the
Mechanism of Antayonism
CHEN Ying-long, ZHANG Jun-hvo, ZHANG Zeny-meny , GONG Yony-jun
(Mechanical Engineering , Dalian MariXme University, Dalian, Liaoning 116000)
Abstract : Soft actuators p —sessed highly flexible , complee environment adaptabVity and safe human-interaction.
Firstly , V order to solve the limitwion of 30X1—0 control poorly of traditional soft actuators , based on the
antagonistic mechanism of extensor and contractor muscles , a novel va/abm-stiWrns fluid-driven soft actuator is proposed in this paper. The actuator can realize the composite action of elongation^conhaction , and realize stiWnys control by cooperatively adjusting the elongation and contraction forces. Secondly , based on the flexible deformation
mechanism of the stretched and contracted fabrics , the mechanical model of the soft actuator is established and simulated. FinOly , the mechanical prope/ies of the actuator were tested under dWerent pressures and deformation
displacements , and the va/able-stiWnvs chgycW/tWs of the actuator were ve/ied• This research has signidcance to the research of soft actuator with va/abm stiWnys.
Key wordt : soft actuator , extensor muscle , contractor muscle , variabm stiWnys
引言
柔性致动器由柔性材料或添加很少的刚性材料制
作，具有高度灵活性和复杂环境适应性等优点，近年来 引起国内外研究机构和学者的广泛关注，并取得一系 列进展，如：由编织网和弹性橡胶制作的气动人工肌 肉［1］，由形状记忆合金驱动的仿章鱼触手机构［2］，裹 有电活性聚合物的人工肌肉等［3］ &
柔性致动器在实际应用中，不仅要求具备高度的3d缝纫机器人
柔性，在特定条件下还需要具备稳定且可控的身形及 一定的输出力，因此，可变刚度的柔性致动器具有一定 的研究价值&在已有的研究中，使柔性致动器可变冈度 的原理主要有两种：第一种是在材料或结构中增加拮
抗作用，使机构处于稳定的状态，如：耦合驱动结构、层
收稿日期：2020-11-05
作者简介：陈英龙(1984—)，男，满族，吉林长春人，副教授, 博士，主要研究方向为流体传动与控制、软体机器人、海洋机电
装备等&
2021年第3期液压与'动41
干扰结构和阻塞原理；第二种通过材料在固、液形态间产生相变实现变刚度，如磁流体$%%&
傅晓云等$基于弹簧研制的气动人工肌肉，通过控制气压力来控制刚度。陈煜宇等$结合气动人工肌肉技术及纤维堵塞刚度调节机理，设计了一种刚度可调能力的手术操作臂。杨扬等$7%设计了一种变刚度气动肌肉抓手装置，每根肌肉具有4个腔室且外侧设置有纸质结构，通过该结构实现变刚度。圣安等的手结构$8%“肌”与“纵肌”同时收缩的方式使结构缩紧，机构内产生作，实现变刚度，能实现刚度和置的控制且。本研基于肌和收缩肌的拮机制，设计制作了一种合动结构的动，
合结构实现变刚度方式动，通过形成结构间的作，于一种力、结构的状态，一度上实现刚度&
流体动的动通等弹体作基体，外纤维度$研：的动流体动，具有质、设
及控制方便等，内外合的肌和收缩肌同时动来调节动的刚度，种肌肉的基体
，外同材质和结构的具有的，，收缩肌材质机
，具有质，间等；肌
弹，可肌的&
研的研3点：
(1)的设计并制作新型可变刚度的动;
(2)一种的动的力
模型；
(3)的动器具有显著地变刚度能力，并可于长度进行刚度调节。
1柔性致动器的设计
基于目前已有的研究成果$10%，总结了传统柔性致动器的不足如下：
(1)当收缩致动器充压时，只能收缩和产生收缩力;
(2)当伸长致动器充压时，只能伸长和产生伸
力;
(3)目前还没有单一的柔性致动器可以实现轴向的和收缩;
(4)每种动在固度时具有固的刚度值，无法实现变刚度。
针对，根据收缩致动器和动器的运动特点，本研将两种具有的和浇铸的结合，分别设计了肌和收缩肌，最后将者复合外腔结构，定义缩流体驱动柔性致动器(Extensor-Contractor Antagonistic Fluid-driven Actuator，ECAFA)，当两腔充以不同的压力时可实现变刚度。
动器的整体设计如图1c所示，外形为圆柱状，底端有2个充气孔，分别用做伸肌和缩肌充压。致动端扣压的方式进行密封和固定，伸肌和缩肌外种不同功能的作(结构如图所示)&对于伸肌和缩肌的基体而言(图1c中剖面深和剖面浅部分)，应具好的能和一的强度，保证在充压时可实现或收缩，同时不被气压充破&具有天然的且有较好的强度，是作为基体的最佳选择&但，在基体后，如果外添加任何的限制，伸肌充压后只会：并，因基体的侧壁面积大于顶壁面积&为了这一，许多学者双螺旋纤维在基体外，可基体的输入压力，但双螺旋纤维线间存在间隙，存在着基体不规则现象，本研
来作，可有限制肌的，
&
伸长肌收缩肌
弹性织物
ZZT
二联件
Wffwl
WWW
：伸长肌收缩肌
「充压氏态册怦」32
c)织物的各向异性试验b)尺寸及充压示意图c)整体剖视图
图1柔性致动器的概念图
对于肌的外，在充压应具有大的能&弹的结构可实现最大的机械形变，同时会产生形变，在力机上
做的拉力C试如图1c左图所示，弹具有的&对于收缩肌的外，在充压
应实现的大，同时应缩，这可产生
42液压与'动第45卷第3期
收缩力，肌产生的力产生作用&
机行形结构，具有结构对，力
时会产生相似的形变，同做了拉力-位移试验来
试机的性能如图la右图所示，2个方向的位移
不同是因为机的初始角度不同导致&
当肌充入压力时，致动推力，此
时收缩肌呈被压缩状态，如图lb示；当肌
保持一定压力下，收缩肌内部充压不断，大
于肌内部压力时，致动缩力，此时致
动器会相对地缩短，如图lb示，在这个过
保证收缩肌后的外于肌的&根据设计原则，设计的致动器的尺寸如图lb图所示。
2柔性致动器的制作
动器的制作过程分为％个&在第一个阶，如图2a所示，为模具，3D的模具和型芯来肌基体的外形尺寸（如和长度），模具和间螺钉固定，存在的缝隙用生料带密封。第二调制，的ELASTOSIL®M4601，分A,H分，质量/体积混合9：1，分B中含有，用于
分A的固&在23K合后的密度为l.Ol g/cm3，经过真空发生室去除气泡后，缓慢倒入模具产生气，合固后的度
6N/mm2或5N/mm2，断裂伸长率为700%，撕裂强度大于30N/mm，线性收缩于0或1%。后的肌基体，如图2b示，外面的作纤维线的&收缩肌的外表面没有，和肌相比，模具和的尺寸不同，材料和制备过程相同。第T肌基体强度和限制，将
度纤维在肌的外表面，再将弹固定在其外表面。由于弹，在肌外表面，的方式将弹做成圆筒紧紧贴在肌的外表面，如图2c所示。收缩肌不
度纤维丝，机呈圆，将收缩肌基体插入机可。第装，接分别装在肌和收缩肌的两端，再将收缩肌插入肌内部，如图2d示，两端扣压机压紧，因此肌和收缩肌可保持相对位置不变。最后, 2个紧在装好的肌端，如图2示，整个致动器制作。改进进气置后的致动器实物图如图2f所示。
图2柔性致动器的制作过程
自然状态收缩肌
单点系泊系统b）收缩肌的运动分析
自然状态伸长肌
c）几何模型d）伸长肌的运动分析
图3柔性致动器的运动及几何分析
3柔性致动器的力学特性
动器的力模型基于设建：基体之间和的间不存在力，以及基体不存在弹性力。，
动器的和结构如图3a所示，内部的收缩肌可认为是气动人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscle, PAM），可着平行于纵的，然后被或整的形状，如图3b示。扁平的现机构的，可着宽度扩，同时沿着长度收缩。这种运动对应于和纵向收缩。在没有的，运动将基体的力学控制。外部的肌可
结构，弹纤维，受力时会变形，而，具有良好的变形性能。当肌充压时，的变化如图
3d
2021年第3期液压与'动43所示。
图3c所示的是简化后的致动器几何模型，假定伸长肌和收缩肌为理想的圆柱状月表示致动器的长度，"和/表示直径,Q表示收缩肌外层单股纱线与纵向中心线的夹角，"表示纱线缠绕基体的圈数,6表示单股纱线的长度。
收缩肌的初始长度，直径和体积分别表示如下：
(ex'ex=!-(elastic
(11)其中，'-是相对体积且d'-=d'e x-d'r为伸长肌充压时弹性织物的弹力，可用如下公式表示：
/、NEA
(Pcn-Pxx X-
d'cn
d!Z
(12)其中,"是与弹性织物弹力的相关系数;-为弹性织物(；ov
&b-co!(1)
"cn b-sin!
(2)
公交门
'cn
!"2°n!cn(3) -4
其中，下标con代表收缩肌的参数&中乳胶丝的数量;/为单根乳胶丝的横截面积;.为乳胶丝的弹性模量&
将式(12)带入式(11)并化简，可得收缩肌的输出力如：
(x&(1-$2；2!)
[2*x6-(*cn-*x)賈b2]
伸长肌的初始长度，直径和体积分别表示如下：
兀&!cn(4)
兀&3"cn(5)
卩&!"凤&(6)
4n
高压瓶
其中，下标.代表伸长肌的参数。
基于PAM的已有模型,CHOU和HANNAFORD 等[11获得的力学模型如下：
其中，*UPAM的相对压力。
对于本研究提出的致动器中的收缩肌而言，其内部压力受伸长肌内部压力的影响，比如，较高的伸长肌压力会使收缩肌的相对压力减/J、，因此,P'可表示为：
P'&Pcn-P.(8)其中，P cn为收缩肌内部的压力;P.为伸长肌内部的压力。
将式(1)、式(3)和式(8 +带入式(7)中，致动器输出的收缩力(r可表示如下：
d'
(ccn&(P cn-P.)dff0(9)
d!cn
微分方程(9)用角度！可表示为：
L/\62(1+COS2!)
(ccn&(P cn-P.)-------.2---------(I")
4
理论上，伸长肌在充压时不会产生径向膨胀。伸长肌受收缩肌的体积变化影响，收缩肌可认为是沿着伸长肌中心的空心圆柱部分，因此，伸长肌的形状可由1个厚壁圆柱壳来表示，伸长肌的输出力可表示：
(13)
致动器可输出2个方向的力，伸长力或收缩力&
{if(>0T伸长力
iiCF<0#收缩力
(14)
将式(10)和式(13)带入式(14)中并化简可得致动器的最终输出力(为：
4m?{
('n P xx)-[ b(12) F
4—ct—-]-8P xx(1-3COS2!)}(15)
a cos a」J
4柔性致动器试验验证
4.1试验系统搭建
飞行棋棋盘柔性致动器实验系统主要包括电路系统和气路系统两部分，如图4a所示，电路系统主要包括微控制器(Arduino Mega2560)和PWM(Pulso Width Modulation)信号转电压信号模块，其中计算机通过USB端口与微控制器相连并为之提供电源，微控制器输出的PWM 信号经模块转换成比例减压阀可识别的电压信号，该模块由12V电源转换器供电&气路系统主要包括空气压缩机、气动二联件和2个比例减压阀，其中比例减压阀可实现对气压的连续控制，阀1控制收缩肌内部压力，阀2控制伸长肌内部压力&
柔性致动器实验系统实物图如图4b所示，致动器固定在三自由度试验平台上，该平台主要包括3个步进电机,3组丝杆以及滑台模组，可方便调整致动器的空间位置&平台底部为力传感器，用于采集致动器在充压时的输出力，力传感器由3D打印的夹具固定&
44液压与'动第45卷第3期
ECAFA
气动二联件空气压缩机
T
压力表
电源转换装置12VGND24V
>_____ 压；
阀①计算机
USB
②h r VCC __-^
L|gnd VI __
—I Pl
乍一
一P2
G —
—LQ ______PWK 曙电压模块
i .
[Arduino Mega 2560
a)气动回路及电路原理
b)实物图图4柔性致动器的试验系统
4.2力学特性
试验验证方法如图5a 所示， 3D 的夹具
将致动器固定， 于悬 态。当 试致动器的
力时，调整三自由度平台 动器的自由端与力
传感器的测力点临界
&但，在 动 施加任
何约束时充压，会产生屈曲现象，如图5b 示，会
力精度。为了 这一 ，在传感器的测力点
装了套筒，如图5c 所示。
， 肌充入0.05 MPa 压力，此时致动器 于被压紧状态，力传感器会采集 力。 来断地充压收缩肌，会产生收缩力，直至
肌的伸
力相抵消，试验结果 结果如图6a 所示。为了
验证模型的可靠性，同
试了
肌在0. 1 MPa 和
0.15 MPa 条件下的 力变化过程，分别如图6b "图
6c 所示。
a )测力装置
b )屈曲现象 c)使用套筒解决屈曲问题
图5测试柔性致动器的输出力
在这3组试验中，试验结果与仿真结果的平均误
差分别为25.45%，24.53%，24.29%O 造 这一误差
的原因 在 力模 的过 ，忽略了 力的存在，比如， 间的 力和基体之间的 力。为了 于力损失产生的误差，在模型中引入修正系数2因此，致动器的最终
力 (total 可表C 如下：
(tae &F-CF
( 16)
在本项研究中，修正系数C 的值由试验结果与仿
真结果的平均误差
，即C $25% O 在这3组试验
，引入修正 后的平均误差分别降为5. 83%，
5.44%，5.13%°
50 :________40 -
Z 30-
疋20-10
0-------------0.00 0.05
0.10 0.0
0.1 0.2 0.3
Peg/MPa
Peon NPa
c) 0.15 MPa
图6柔性致动器的输出力的试验结果
动器的 肌和收缩肌在不同充压条件下会产
生
力或收缩力，
可变刚度 动器的
研
供了理论依据
。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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