基于液压控制的一种新型柔性驱动器及其有限元分析.pdf

第 7期 2 0 1 0年 7月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 7 0 0 1 7 - 0 2 基于液压控制的一种新型柔性驱动器及其有限元分析 于 萍 张钦 国 朱 颜 刘京广 魏 星 吉林大学 机械科学与工程学院 ， 长春 1 3 0 0 2 5 聊城大学 汽车与交通工程学院 ， 聊城 2 5 2 0 2 9 B a s e d o n a n e w t y p e o f h y d r au l i c c o n t r o I a n d d r iv e f l e x i b l e f i n i t e e l e me n t an a l y s i s Y U P i n g ， Z H A N G Q i n - g u o ， Z H U Y a n ， L I U J i n g - g u a n g ， WE I X i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， J i l i n U n i v e r s i t y ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 5 ， C h i n a L i a o c h e n g U n i v e r s i t y ， L i a o c h e n g 2 5 2 0 2 9 ， C h i n a t he ￡ e 中图分类号 T H1 6 ， T P 3 9 1 ． 7 2 文献标识码 A 液压驱动的人工肌肉技术是流体驱动领域的新发展， 它突破 了流体执行器必须由流体推动活塞来产生执行动作这一传统观念， 它没有活塞和活塞杆 ， 仅 由橡胶 简和两端接头组成 ， 充人流体介质 后能象强健的肌肉那样产生强大的伸缩力。 目前国内研究的主要是 采用气压驱动 ， 对采用液压驱动的研究 尚属空白。通常液压系统的 工作压力比相应的气动系统高许多倍， 而且液压介质流经阀| 1 时的 噪声较小及液压介质具有不可压缩胜， 因而采用液压驱动与气压驱 动相比具有输出力大、 响应速度快、 工作噪声小、 传动精度高等优势 因此它更适合用作超级机器人的驱动器。 除了在机器人领域的潜在 应用外， 人工肌肉产品还可用作驱动处理核废物的机械手、 自动生 产线中用于驱动加紧和定位装置以及食品汽车等生产线中用来驱 动各种操作器等目前， 可用于制作液压驱动 E 肌肉的复合橡胶叮 在2 0 MP a 压力、 一 6 一 3 0 0 。 C范围内耐冲击达 1 5 0万次以上。 1 液压驱动器的工作原理及结构简图 单用橡胶所制成的软管， 当充压时只能进行轴向的伸张， 能 发生弯曲。假设橡胶软管壁侧线为轴向刚性和径向柔胜 可弯曲 ， 那么当软管充压时， 除了管壁上那条刚性侧线不能伸张外， 其余管 壁侧线都将伸张。 同时 ， 由于那条刚性侧线 的限制 ， 使得软管壁上各 个侧线的伸长量都不一样， 从而会导致软管的弯曲， 达到了单个驱 动元件的弯曲效果， 如图 1 所示。所以把一条径向柔l生 较好的钢丝 集成到软管壳体壁里， 并且该钢丝的轴线与软管的轴线相平行。 图 1液压驱动元件 2液压驱动器特性分析 2 ． 1液压驱动器的径向变形分析 由于橡胶弹性 圆柱壳内部缠有密集的细钢丝 ， 因此弹性 圆柱 1 0 安 全值 总 4结论 采用有限元法建模计算和分析， 对铸铁槽沟盖板强度及工作 能力得到 以下结论 。 1 铸铁槽沟盖板的选材对安全值有直接影响， HT 1 5 0 ， 厚板 的最小安全系数 n 1 ． 8 6 ， 薄板的最小安全系数 n 1 ． 6 3 ； H T 2 0 0 ， 厚 为企业降低了工程建设成本， 创造较好的经济效益和社会效益。 参考文献 1 濮良贵， 纪名刚． 机械设汁[ M] ． j E 京 高等教育出版社 ， 2 0 0 2 2丁科 ， 陈月顺． 有限单元法[ M] ． 北京 北京大学出版社， 2 0 0 6 3 盛和太等． A N S Y S 有限元原理与工程应用实例大全[ M] ． 北京 清华大学 出版社， 2 0 0 6 4裴玉龙， 道路勘测设 汁[ M] _ 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社， 2 0 0 4 造 № 与 机叮 1 8 于 萍等 基于液压控制的一种新型柔性驱动器及其有限元分析 第 7期 壳的径向变形主要由螺旋细钢丝的变形所决定。首先， 我们考虑 弹性圆柱壳发生伸长变形时， 螺旋细钢丝轴向变形与径向变形之 间的关系。 图 2螺旋细钢丝 假设弹性 圆柱壳在未发生变形时的初始 长度为 ， 共有圈细钢 丝， 这时弹性壳的平均半径为 ， 儿何关系， 如图 2 所示． ．叮彳 导 2 L 1 圆柱壳被拉长为 ， J 时， 螺旋细钢丝的变肜如 2所示， 由图 示的几何关系可得 f 1 2 L z 2 由式 2 ． 1 、 2 - 2 式 ， 可得 3 当弹性圆柱壳发生弯曲变形时， 由【皋 】 2 可得到弹性壳轴向的 长度为 L O r m r m s i n o 4 2 ．2 液压驱动器的轴向变形分析 在压强为 的流体作用下， 驱动元件的受力和变形， 如图3 所示。假设圆柱形外壳材料具有理想的弹件， 术变形时的初始长 度为， J 。 ， 弹性壳的厚度为 。当发生变形， 弯曲角为时， 弹性壳轴 向的伸长量为 AL 1 s i n 5 由应变公式f 呵 得 s 6 根据胡克定律 ， 弹性壳横截面的应力为 r ， E r m 1 s i n 7 同时 ， 由于弹性壳发生轴向伸长变形 ， 其肇厚变为 占 6 L 丽 o 8 图 3液压驱动元件的受力和变形 3 橡胶管的有限元分析 3 ． 1建模及加载 圆筒是由M o o n e y R i v l i n 材料构成，根据对称性选取橡胶管 横截面的 1 ／ 4 建立几何模型，并选择 P I A N E 1 8 2 单元进行求解， 采用 自由网格划 1 ,5 1 ， 如图 4 所示。 图 4有限元模型 3 ． 2结果分析 当管内压强为 3 0 MP a时， 橡胶管内壁发生轻微的变形， 如图 5所示。应力也明显增大， 所以为了能够达到工作要求， 在管内加 入增强纤维， 限制其 向变形， 任目前看来设计耐压为 3 0 MP a 的 驱动器是可以实现的； 当管 内压强达到 5 0 MP a 时 ， 变形 已经非常 明显， 橡胶管承受应力太大， 如图6 所示。 即使内部加入增强纤维 或钢丝弹簧， 在现有的技术条件 卜 1 乜 很难达到工作要求。 图 5等效应力等值线 图 图 6等效应力等值线图 4结论 1 本文研究设 汁了一种新型液压驱动元件 ， 建立 了驱动器 的结构模型， 分析 _r 其动态特 。 2 片 j A N S Y S 1 0 ． 0 软件对橡胶管挣胜进行了非线性分析， 得 到橡胶管内部压强分别为 5 MP a 、 3 0 MP a 和 5 0 MP a 时驱动器的应 力应变等值线图 ， 并且进行了比较 ， 与根据理论推导的分析结果 相比皋本吻合， 分析结果为以后设计提供了理论参考。 参考文献 1 叶先磊． A N S Y S 1 二 程分析软件应用实例E M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 3 2郭木河， 张戎军 ， 孙增圻 ， 孙富春． 录}生机械手的建模与控制[ J ] ． 控制与决 策 ， 1 9 9 8 ， 2 0 1 3 刘洪文 材料力学． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 4 4白英． 理论力学． 北京 中国农业大学出版社 ， 2 0 0 4 5 周长城． A N S Y S基础与典型范例． 北京 电子1 二 业出版社， 2 0 0 7 6 徐芝伦． 应用j 陛 力学[ M ] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 2 7陆祥生， 杨秀连． 机械手理论及应用[ M] _ 北京 中国铁道出版社 ， 1 9 8 5