自供气无缆式软体执行器设计与实验.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期机床与液压 :本文引用格式:黄浩然,赵云伟,刘晓敏,等自供气无缆式软体执行器设计与实验机床与液压,():,():收稿日期:基金项目:吉林省科技发展计划();吉林省教育厅“十三五”科技研究();北华研创合字【】;吉林市科技发展计划项目()作者简介:黄浩然(),男,硕士研究生,研究方向为软体机器人。:。通信作者:赵云伟(),男,博士,副教授,研究方向为柔性关节及软体机器人、智能精密制造技术等。:。自供气无缆式软体执行器设计与实验黄浩然,赵云伟,刘晓敏,张维懿(北华大学机械工程学院,吉林吉林)摘要:为摆脱缆线束缚设计一种自供气无缆式软体执行器,将柱塞式微型气泵集成于软体驱动器内
2、部,无需外界气源供入,可往复循环供气驱使驱动器弯曲变形。研究无缆式驱动器结构设计与制作工艺并试制了原理样机,建立微泵气压模型和驱动器变形模型并进行相关实验验证,获得微泵动态性能及驱动器在微型气泵供压下的弯曲变形规律。结果表明:该执行器可实现无缆、独立、自主弯曲变形,在微泵 供压下驱动器可弯曲。关键词:自供气;无缆式;气动;软体执行器中图分类号:,(,):,:;前言虽然目前软体驱动器及软体机器人已经实现多领域应用,但多数软体驱动器受到缆线束缚不能独立工作,需要借助外界动力源。如应用范围较广的流体软体驱动器,其驱动方式多采用外置泵和电磁阀组,控制系统不仅尺寸庞大,而且线路冗长复杂,工作时留有外置缆
3、线便携性差,严重限制了其灵活性及应用。近年来,许多学者展开了无缆式流体驱动软体驱动器及机器人研究。目前主要采用微泵直连或嵌入方式,如驱动器与齿轮泵直连的液动软体鱼,或内侧附着电荷注入型柔性可拉伸泵的单向弯曲软体驱动器,以及内嵌入蠕动泵的气动软体驱动器,虽可实现无缆自主运动,但其动作频率较低,且仅限于腔室体积对等的双腔室软体驱动器。而文中提出在软体驱动器内嵌入微型柱塞式气泵的无缆实现方式,响应快速,可实现负压到正压的全域压力变换,适于单腔至多腔驱动器,且结构简单、低噪声和便携灵活,无需借助外媒可在密闭空间内作业。其泵腔与驱动器内腔直连,实现腔内气体独立循环自供,通过控制电机的转速和脉冲时间即可快
4、速实现软体驱动器的弯曲动作,可独立完成夹持作业或多个组合成柔性夹持器。文中设计一种自供气无缆式软体执行器,研究其结构与制作工艺,建立微泵气压模型与软体驱动器变形模型。试制软体执行器原理样机,搭建实验系统,并进行微泵性能测试与执行器弯曲变形实验验证。执行器结构设计自供气无缆式执行器由软体驱动器和微型气泵组成,其结构见图。其中执行器采用多腔室气动软体驱动器,外形类人指,指端扁平便于夹持。各气室均匀分布,顶部略厚于侧壁约束其径向变形,内侧为限制层侧向约束驱动器变形(图 ()。微型柱塞式气泵集成在软体驱动器内部与软体驱动器内腔直接相连,通过电机带动活塞运动实现自供气(图()。图 软体执行器结构与组成
5、:();()微型柱塞式气泵结构如图 所示,分为推进腔和供压腔两个部分,步进电机位于泵体后部为其提供动力。其中推进腔内包含丝杠和活塞杆等,供压腔内壁开有活塞杆导向槽,由活塞杆推动活塞挤压气体。图 微泵结构 软体执行器采用一体成型失蜡铸模工艺,将微泵直接铸造于软体驱动器内与之复合一体,其制作流程如图 所示,共分为模具组装、浇铸、固化和脱模,具体步骤如下:首先将蜡制驱动器芯部模具和气泵放置于软体驱动器上模具和下模具内,然后配比硅橡胶溶液,将硅胶溶液沿浇道注入模具;固化后脱模,经水浴加热失蜡,最后封装浇道和失蜡孔完成制作。图 软体执行器制作工艺 执行器建模自供气无缆式软体执行器工作机制与变形见图。软体
6、驱动器与微型气泵复合一体,泵腔与驱动器气室构成封闭空间,利用活塞往复循环运动,将泵内气体压入驱动器内腔,使其产生类圆弧弯曲变形。图 软体执行器工作机制与变形 泵输出压力微泵在丝杠带动下推动活塞压缩泵腔气体产生压力,其中活塞移动速度为()式中:为电机转速;为丝杠导程。随活塞推进,泵腔容积变化为 ()其中:()式中:和 分别为泵腔初始容积和压缩容积;为电机脉冲时间;为泵腔内径。由波意耳定律可知,泵的出口压力为 ()驱动器变形气压下驱动器内腔受压膨胀变形,在端部产生的第 期黄浩然 等:自供气无缆式软体执行器设计与实验 主动弯曲力矩 作用下产生弯曲变形,同时受到气室底部限制层的阻碍产生阻抗力矩。根据力
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