纯水液压人工肌肉驱动系统的动态特性研究.pdf

2 0 1 1 年 5月 第 3 9卷 第 9期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS M a v 2 01 1 V0 l _ 3 9 No ． 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 9 ． 0 0 9 纯水液压人工肌 肉驱动 系统的动态特性研究 安莉，聂文婷 ，付永钦 ，王丹 ，游步东，柯尊荣 南昌大学机电学院，江西南昌 3 3 0 0 3 1 摘要将液压仿生人工肌肉系统作为一种液压传动控制系统 ，同时将液压仿生人工肌肉视为变截面积液压缸 ，在液压 缸动态特性方程的基础上推导出描述液压仿生人工肌肉驱动系统动态特性的非线性数学模型，并用计算机仿真分析该系统 的动态工作特性 ，为该系统动态特性的实验研究奠定基础。 关键词 纯水液压系统；动态特性；仿真研究 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 9 0 2 9 4 Dy na mi c Cha r a c t e r i s t i c s I n v e s t i g a t i o n o n Dr i v i ng Sy s t e m o f W a t e r Hy dr a u l i c M u s c l e AN L i ， NI E W e n t i n g， F U Yo n g q i n， W ANG Da n， YOU Bu d o n g， KE Zu nr o n g N a n c h a n g U n i v e r s i t y ， N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 3 1 ，C h i n a A b s t r a c t T a k i n g t h e w a t e r h y d r a u l i c m u s c l e WHMs y s t e m a s a h y d r a u l i c d r i v e c o n t r o l s y s t e m m e a n w h i l e r e g a r d i n g WH M a s a v a ri a b l e c r o s s s e c t i o n c y l i n d e r ， a n o n l i n e a r ma t h e ma t i c mo d e l d e s c r i b i n g t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f W HM s y s t e m wa s d e r i v e d ． Th e s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f t h e dy na mi c c ha r ac t e r i s t i c s wa s ca r r i e d o u t b y c o mpu t er ． A1 1 t h o s e p r o v i de t h e o r e t i c a l fimnd a t i o n f o r e x pe r i me nt a l s t ud y o n t h e d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s o f W HM． Ke y wo r ds W a t e r h y dr a u l i c s y s t e m ； Dy na mi c c h a r a c t e ris t i c s ； Si mul a t i o n 人工 肌 肉 A M A r t i fi c i a l M u s c l e 驱 动技 术 是仿 生学应用于流体驱动领域 的结果 ，是该领域 的研究前 沿之一 。气动人工肌 肉 P M P n e u m a t i c M u s c l e 广泛 应用于机器人和自动化生产线等领域 ，产生了巨大的 经济效益和社会效 益 ，但其 工作 噪声 大 、输 出力小 、 传动精 度和重复度低等 固有缺点一直 困扰着 A M 技术 的发 展⋯。 作 者 提 出 一 种 纯 水 液 压 人 工 肌 肉 WH M Wa t e r H y d r a u l i c Mu s c l e ，如 图 1 ，其核心 在于 A M不再 由气压驱 动 ，而 由纯水液压介质驱动 。 l 2 3 4 S 6 7 1 一法 兰2 一 接 管螺 母3 一密 封 圈4 一 盘形 弹 簧 卜内部 圆锥6 _ _ 隔膜 软 管7 一 纯水 液 压介 质 图 1 纯水压人 工肌 肉 WHM结构示意图 WH M突破了液压缸必须由流体推动活塞来产生 执行动作这一传统概念，其没有活塞杆，甚至连活塞 也没有 ，仅 由外包钢 丝编织 网的橡胶筒和两端接 头组 成 ，充压后像 强健的肌 肉那样产生强大 的收缩力 。液 压介质流动噪声较小、不可压缩及系统压力高，因而 WH M 较 P M具有工 作 噪声小 、输 出力 大 、传 动精 度 和重 复度高等优势 。同时 ，与常规 油 压执行 器 相 比， WH M更具绿 色环 保之优点 。 纯水液压介质几乎不可压缩 ，而气体的可压缩性 是液体的千倍 ，因此 ，P M膨胀收缩产生的执行动作 有很强 的迟 滞性 ，而 WHM 的响 应速 度则 要快 很 多。 P M 执行系统的动态过程 分为 “ 等容充气”、“ 充气 收 缩 ” 、 “ 排 气 伸 长 ”和 “ 等 容 排 气 ” 四个 过 程 ； WHM执行系统 的动态 过程 则 由于 水 的不 可压缩 性而 分为 “ 充水收 缩 ”和 “ 排水 伸 长 ” 两个 过 程 。 由 于驱动介质 的巨大差异 ，WH M 驱动 系统 的动态特 性 与以往 P M 驱动系统 的动态特性 大不一样 。 WH M 的静态 输出力具 有严 重 的非线性 特 征 ，模 型复杂，两端变形对其输出力影响较大，橡胶弹性和 内部摩 擦也对输 出力影 响较小 ，工程实际应用 中可忽 略不记 。作 者 拟 以 WH M 的 静态 输 出力 模 型 为基 础 ，建立描述 WH M 驱动系统完整 统一 的动 态数学模 型 ，并研究该系统 的动 态特性 ，为 WH M执行 系统 的 控制和应用奠定理论基 础 。 1 WHM驱动系统动态特性分析 1 ． 1 WHM 模 型 原理 研 究纯水液压人工肌 肉驱 动系统 的动态特性 ，就 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 7 基金项目江西省教育厅项 目 G J J 1 0 2 9 4 ；江西省 自然科学基金重点资助项目 2 0 0 9 G Z C 0 0 8 8 ；国家大学生创新性实验计 划项 目 0 8 1 0 4 0 3 0 2 7 作者简介 安莉 1 9 8 9 一 ，女 ，本科 生 ，主 要从 事 纯水 液 压技 术 研究 。电话 1 5 8 7 9 0 0 7 1 6 9，Em a i l a l i n a 2 0 0 9 一c o o l y e a h ．n e t 。 3 O 机床与液压 第 3 9卷 是研究 WH M及其驱动 的负载所组成 的执行 系统 在工 作过程 中，各动态参数与结构参数之 间的关系及变化 规律 。WH M是一 种全新 的液压执 行元件 ，为研究 其 动态特性 ，将其执行系统视为一种液压传动系统 ，用 传统的研究液压缸动态特性的方法来研究其动态特 性 。 WH M 工作时 的结 构 变化 如 图 2 ，现将 WH M 视 为变截面积 的液压 缸 。WH M 充入 纯水 液 压介 质 时 ， 压缩液体的压力能一部分对外负载做功 ，一部分作为 弹性能储存在橡胶 中。放液时 ，橡胶弹性能释放 ，对 外做功 ，实 现 WH M 的伸 长。必 须 注意 的是 WH M 仅是一个单一 的工作容腔 ，在～个工作 阶段 中只有充 液或排液一种工况 ；而液压 缸有左 右两个 工作 容腔 ， 在一个工作 阶段 当左腔充 人液体 时则右 腔排 出液体 ； WH M在充人 液体 时 ，其 长 度缩 短 ，在 排 出液体 时 ， 其长度伸长，从而输出位移 ；WH M轴向长度收缩或 伸长时 ，其径 向直径增大或减小 ，等效作用面积是变 化 的。 p p 图2 纯水液压人工肌肉充放液简化物 1 ． 2充液能 量 方程 WH M 的充液能量方程为 韭 一 一卫 一d V r 1 、 d ￡一 d f 、 式 中P为腔室 内压力 ； q 为进入腔室 的液体质量流量 ； l ， 为腔室工作容积 ； t 为 时间。 由于纤维层 的刚性远 大于橡 胶筒的刚性 ，认 为单 根纤维 的长度 在液 压仿 生人工肌 肉运动过程 中保持恒 定。纤维层 中的几何参数之 间的函数关 系为 L／ c o s 0 n竹D ／ s i n0 由上述三式 可得 业 d t L L 4 V 1 p 些 d t 一 z。 一 一 叮Tn ＼ 4 1T n J 其 中 为橡胶筒体积 ； L为 WH M 工作长度 ； 0为工作 中编织角 ； f 为编制线长度 ； n为编织线绕转 圈数 。 同样 ，可得液压仿生人工肌 肉放液过程 的能量方 程为 一 一 号 2 d I ， d 、 ～ 其 中 q ， 为腔室排出的液体质量流量 。 由上述两式可得 d P 41 T n ， ． 一 3 L d 、 一 【 ‰ l P J 1 ． 3充放 液体 流量 方程 不考虑泄漏影 响 ，并且忽 略管道分 布阻力 和管道 柔度 的影 响 ，液体进入 液压仿生人工肌 肉的质 量流量 方程 为 q A P ,／ 1 6 1 ∞ o r ， b 3 f 0 - J P- b i仃 bl ’ 式 中 P 为充 液上 游压力 ； A 为进排液管道系统 的总有效面积 ； b ． 为 临界压力 比。 液压仿 生人工肌 肉腔室排 出液体 的质量流量方程 如下 ， { 霉 纯水液压仿 生人工肌 肉受力模型如 图 3 所 示。 F ， Ft P J [ ， 图 3 WH M 受力模型图 由牛顿第二运动定律 可以获得液压仿生人工肌肉 执行 系统 的动力学 方程 ig n F 5 式 中m． 为液压仿生人 工肌肉质量 ； m ， 为惯性 负载质量 ； ． 为外部摩擦力 ； F 为外 部力负载 ； F为液压仿生人工肌 肉输 出力 ； s i g n为摩擦力算子 ，s i g n 1 。 第 9期 安莉 等 纯水液压人 工肌 肉驱动 系统 的动态特性研究 3 l F 为外部库仑摩擦 力 ，假定 为一常数 。WH M 充 液后得收缩力 F为 F P-P o 一 一 f 6 式 中 为橡胶简 弹性应变 能 ； 厂 为液压仿生人工肌 肉内部摩擦力 。 式 6 中 WH M 瞬 时 收缩 力 的计 算 比较复 杂 ， 文 献 [ 5 ]较详细地描述 了其计 算过程 。 1 ． 5 系统 模 型 联立上述各方程 ，可得描述液压仿 生人 工肌 肉执 行系统动态特性数学模 型的微分 方程组 。 充液收缩过程 yy ， F】 s i g n F I C2 C Y 0 1 一Y 一 4 “ r r n V ’ 。 排液伸长过程 y0 ， l F I f s i g nF y _ Y 2 一C 2 q C 3 Y l Y 2 上 述两式 为描述液压仿生人工肌 肉执行 系统 动态 特性的数 学模 型。通 过模 型 可 以知 道 液 体 的 压缩 性 、阀的流量 特性 、液压仿 生人工肌 肉橡胶 的特性 以 及所受的摩擦力等 因素导致该 系统是 非线性的 。 2 WHM的驱动动态特性仿真 为 了对液压仿生人工肌 肉动态特性 的性能有更 为 详细 的了解 ，对液压仿生人 工肌 肉的充放液动态过程 进行计算机数值仿真 ，得 到该系统的动态驱动特性 。 作者对 WH M驱动系统动态特 性仿真所 预设 的工 况有以下 3种 1 小车受恒定 负载和路 面摩擦力 ； 2 小 车仅受 变负载 ； 3 小 车受 变负载和路面摩擦力 。 因 WH M驱动系统具有下述 两个特 点 1 WH M 开 始 运 动 之前 存 在 一 个 充 液启 动 过 程 ，在此过程 中静摩擦力 大小是随 着 WH M 腔室 内压 力不 断升高而变化 的 ； 2 WH M 的长度 不会 超过其初 始长度 ，即 WH M在初始位置只能收缩不能伸长。 为 了分析方便 ，可将 液压人 工肌 肉的充放液 动态 过程划分为充液收缩 、排液伸长两个阶段。充液收 缩过程是 WH M 的主要工作过 程。 3 WH M驱动系统动态特性仿真 小车受恒定负载和路面摩擦力时 ，WH M驱动系 统 的动态特性仿真参数如表 1 。 表 1 仿真参数表 工况 l 】 大气压力P 。 ／ P a 工作压 力 p ／ P a 人工肌 肉初始长度 L o ／ m 人工肌肉初始直径 D ／ m 人工肌 肉初始 编织角 。 人 工肌 肉质量 m。 ／ k g 橡胶弹性模 量 E ／ MP a 内部摩擦 因数 恒 定外负载 F ／ N 小 车质量 m ／ k g 路 面摩擦 因数 重力加速度 m S 图 4为小车受 恒定负载 和路 面摩擦时 的 WH M 的 驱动模型 。 F f ft 图 4 WH M驱 动模 型 恒定负载 小车仅受 变负载情况下仿真参数 与情 况 1的不同 之处见表 2 。 表 2 仿 真参数表 工况 2 变外负载 系数 B 路 面摩擦 因数 3 8 00 O 图 5为小车受变 负载时 WH M驱动模型 。 图 5 WH M 驱动模型 变负 载 小 车受变负载和路面摩擦 力情 况下 ，仿真参数与 上面两种情况略有不同，其参数变化见表 3 。 表 3 仿真参数表 工况 3 变外负 载系数 B 路 面摩 擦因数 3 3 0 0 0 ． 48 0 O 2 ● j ㈣ 一 眦 一 ∽ 渤 加 ． 二 m 一 ％ ； 此一 一 2 一 一 l 】 y 式 3 2 机床与液压 第 3 9卷 图 6为小车受变负载 和路 面摩擦力 时 WH M 的驱 动模型 。 图 6 WHM驱动模型 变负载及路面摩擦力 在 3种工况下 ，分别 研究 WH M 输 出力 F、加速 度 a 、速度 、行程 S 等动态参数，得其动态特性曲 线 。 图 7是 WH M输 出力 F与 时间 t 的关 系 曲线 ，图 中 F 、 、 分 别 为 工 况 1 、工 况 2 、工 况 3时 WH M 的输 出力 F 。该 曲线大概 可分 为 4段 在开 始 工作 后约在 0 ． 0 0 2 S 即达到最 大值 ，随后 出现拐 点 ， 输 出力与 时间关 系呈 线性 下 降 ，到 t 0 ． 0 2 5 S 左 右 曲线下 降趋 于平缓 ，约 在 t 0 ． 1 0 5 S 又开 始线 性 下 降 。 图 8是 WH M加 速度 C t 与 时间 t 的关 系 曲线 图 ， 其中n 、C t 、o 分别对应工况 1 、工况 2 、工况 3时 的加速度 C t 。由图易知该 曲线 也可分为 4段 ，约在t 0 ． 0 0 2 S 时即达 到最大 值 ，随后 出现 拐点 ，曲线呈 线 性下降，在 t 0 ． 0 2 5 S 左右时下降开始趋于平缓，约 在 t 0 ． 1 0 5 S 后又开始快速下降。 l 000 8 0 0 Z 6 0 0 400 2 0 0 0 0 0 ． 0 4 0 ． 0 8 0 ． 1 2 0 ． 1 6 t ／ s 图7 输出力 F与 时间t 的关系 20 0 150 100 。 50 暑 O 一50 -100 ．1S0 ． 200 0 0 ． 0 4 0 ．0 8 0 ． 1 2 0 ． 1 6 t ／ s 图 8 加速度 。与 时间 t 的关系 图 9是 WHM速 度 与时 间 t 的关 系 曲线 ，图 中 ， 、 、 分 别对 应工况 1 、工 况 2及 工况 3时 的速 度 。液压 仿生 人 工 肌 肉速 度 与 时 间 的关 系 曲线 开 始呈 线性上 升 ，约 在 t 0 ． 0 3 0 S 后 趋 于平缓 ，约在 t 0 ． 1 2 5 S 后 开始 呈线 性 下 降 ，整 个 位 移 曲线 呈 驼 峰状 。 图 l 0是 WH M行程 s 与时间 t 的关 系曲线 ，图 中 s 、s 、s ， 分别对应工况 1 、工况 2 及工况 3时的行程 S 。液压仿生人 工肌 肉行程 与时 间 的关 系 曲线 开始 时 缓慢 上升 ，约在 t 0 ． 0 0 2 S 后 开始 呈 线性 上升 ，在 t 0 ． 0 4 0 S左 右 后 曲 线 开 始 趋 于 平 缓 ，约 在 t 0 ． 1 0 5 S 后又快速上升 。 7 6 5 4 三3 2 l 0 0 0 ． 04 0． 0 8 0． 1 2 0． 16 t l s 图 9 速度 与时 间 t 的关系 1 4 l 2 l 0 8 6 4 2 0 0 0． 04 0． O8 0 ． 1 2 0． 1 6 t l s 图 1 0 行程 s 与时 间 t 的关 系 液压 泵工作时 ，产生 0 ． 3 M P a 输 出压力 ，打开开 关后，WH M充人液体收缩 ，瞬间产生很大的输出力 F，方向与恒定外负载 F 和摩擦力 方向相反 ，输 出力随时间减小 ，小车先加速运动后减速停车 。从仿 真 图线可 以看 出其变化趋势 的一致性 。 4结论 1 在充液压力一定 的情况 下 ，WH M 位移收 缩 的最终位 置主要 由外负载决定 ，惯性负载影响较小 ； 2 WH M驱动 系统 的执行速 度较快 ； 3 3 种 不 同工况 下 ，WH M驱 动系统 的动态 变 化规律很相似 ，说明 WH M驱动 系统的动态特性 主要 由WH M的驱动特性决定 ，外部工况参数对系统的影 响相对较小 。 参考文献 【 1 】范伟， 彭光正， 黄雨． 气动人工肌肉驱动器的研究现状及 发展趋势[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 2 3 2 3 6 ． 【 2 】 柯尊荣， 李晓辉． 一种新型绿色液压执行器 水压人工肌 肉[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 6 1 3 ． 【 3 】 K E Z u r t r o n g ， Z H U Y u q u a n ， L I X u a n ． N e w H y d r a u l i c A c t u a t o r s P o s i t i o n S e r v o C o n o l S t r a t e g y [ J ] ． C h i n e s e J o u r n al o f Me - c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7， 2 0 5 4 6 5 3 ． 【 4 】刘军． 气动人工肌肉静动态特性研究[ D ] ． 武汉 华中科 技大学 ， 2 0 0 3 ． 4 ． 【 5 】 安莉， 聂文婷， 游步东， 等． 绿色液压仿生人工肌肉的输 出力特性[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 0 5 7 0 7 4 ． 上接第 2 8页 【 4 】L I A N G H u i ， B A I Z h i f u ， C H E N Wu y i ． I m p r o v i n g A c c u r a c y O f P k m s B y A c t i v e F o r c e C o n t r o l O f R e d u n d a n t L e g [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e S e v e n t h I n t e rna t i o n a l Co n f e r e n c e o n Pr o g r e s s o f Ma c h i n i n g Te c h n o l o g y， 20 0 4 5 8 75 9 2． 【 5 】L I A N G Hu i ， B A I Z h i f u ， C H E N Wu y i ． A N o v e l 3 P R S ／ U P S Re du n da n t Pa r Ml e l Mac hi ne To o l a nd i t s Po s e Er r o r s An a l - y s i s [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e E i g h t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r - e n c e o n P r o g r e s s o f Ma c h i n i n g Te c h n o l o g y ， 2 0 0 6 1 8 1 1 8 4．