纯水液压人工肌肉驱动系统的动态特性研究

　　人工肌肉AM ( Artificial Muscle) 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PM ( Pneumatic Muscle) 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AM 技术的发 展^[1]。作者提出一种纯水液压人工肌肉WHM^{[2 -3]}( Water Hydraulic Muscle) ，如图1，其核心在于AM 不再由气压驱动，而由纯水液压介质驱动。

　　WHM 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WHM 较PM 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，WHM 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，PM 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。PM 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^[4];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^[2]。由于驱动介质的巨大差异，WHM 驱动系统的动态特性与以往 PM 驱动系统的动态特性大不一样。

　　WHM 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^[5]。作者拟以WHM 的静态输出力模型为基础，建立描述WHM 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WHM 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，就是研究 WHM 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。WHM 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。

　　WHM 工作时的结构变化如图2，现将WHM 视为变截面积的液压缸。WHM 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WHM 的伸长。必须注意的是: WHM仅是一个单一的工作容腔，在一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入液体时则右腔排出液体;WHM 在充入液体时，其长度缩短，在排出液体时，其长度伸长，从而输出位移; WHM 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。