基于液压控制的一种新型柔性驱动器及其有限元分析

　　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，仅由橡胶筒和两端接头组成，充入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口时的噪声较小及液压介质具有不可压缩性，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人工肌肉的复合橡胶可在20MPa 压力、-60°~300°C 范围内耐冲击达 150 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，不能发生弯曲。假设橡胶软管壁一侧线为轴向刚性和径向柔性（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。所以把一条径向柔性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。

　　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。

　　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rm，几何关系，如图2 所示。可得：

　　圆柱壳被拉长为L′时，螺旋细钢丝的变形如图 2 所示，由图示的几何关系可得：

　　当弹性圆柱壳发生弯曲变形时，由图 2 可得到弹性壳轴向的长度为：

　　2.2 液压驱动器的轴向变形分析

　　在压强为 PL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性，未变形时的初始长度为 L0，弹性壳的厚度为 δ。当发生变形，弯曲角为时，弹性壳轴向的伸长量为：

　　由应变公式[15]可得：