气/液相变驱动小型气动肌肉执行器实验

陈 粒，刘 宁

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094；2.福冈工业大学 智能机械工学专攻，日本 福冈 811-0295)

引言

气动肌肉执行器(PMA)是一种和人体肌肉输出特性相似的新型气压驱动元件[1-2]，具有功率/重量比高、柔顺性好[3-4]、结构简单等优点，在工业和医学等领域有着广泛的应用前景[5-6]。当内部压力升高后，气动肌肉执行器径向膨胀、轴向收缩[7-8]，并在端部产生轴向收缩力。然而，气动肌肉执行器需要诸如空气压缩机、储气罐和伺服阀等气动设备进行驱动[9]，使得系统的结构尺寸过于庞大。

为简化驱动设备，使系统小巧紧凑，本研究利用氟碳化合物气/液相变(GLPC)时膨胀做功来驱动气动肌肉执行器，选用金属陶瓷加热器(MCH)加热氟碳化合物，使用PI控制器控制执行器内部的压力，制作拮抗驱动装置改善执行器作用力的动力学特性。通过实验研究，验证用气/液相变膨胀做功原理驱动气动肌肉执行器的可行性，并与空气驱动方式对比气动肌肉执行器的收缩特性，提高气/液相变气动肌肉执行器作用力的动作效率。

1 气/液相变气动肌肉执行器方案简介

气/液相变是指物质由液态转变为气态或由气态转变为液态的现象。达到沸点后，液体沸腾并汽化为气体，体积膨胀使密闭容器内的压力增大。热量散失后，气体冷凝为液体，体积收缩使密闭容器内的压力降低。

气/液相变气动肌肉执行器的原理，如图1所示，执行器内部充满工作流体并安装加热器[9]。加热器通电后，工作流体沸腾并膨胀为气体，执行器径向膨胀并在轴向产生作用力；加热器断电后，系统散失热能，工作流体冷凝为液体，执行器恢复到加热前的状态。气/液相变气动肌肉执行器不需要空气压缩机、减压阀等气动元件，简化了驱动设备，使系统小巧紧凑。

图1 气/液相变气动肌肉执行器原理图

本研究使用氟碳化合物(C5F11NO)作为工作流体，将其主要特性与水进行对比，如表1所示。氟碳化合物的沸点较低，汽化热约为水的1/22，热膨胀系数约为水的7倍[10]。为氟碳化合物提供较小的热能，便能使其发生液/气相变，并得到较大的膨胀体积。

表1 工作流体的主要特性

金属陶瓷加热器升温快、抗腐蚀、耐高温，本研究使用如图2所示的金属陶瓷加热器加热工作流体，型号为CT-JRG5570的加热器的主要参数，如表2所示。

表2 金属陶瓷加热器的主要参数

图2 金属陶瓷加热器示意图

2 气/液相变气动肌肉执行器驱动实验

为验证气/液相变膨胀做功能否驱动气动肌肉执行器，设计制作气/液相变气动肌肉执行器，并进行驱动实验。

2.1 驱动实验简介

本研究使用外径为6.76 mm、内径为4.76 mm、长度为100 mm、型号为MAXAM-5-AA的气动肌肉执行器；为观测压力的产生过程，使用容积为3.93 cm3的透明容器，选用型号为PSE510-R06的压力传感器进行实验。气/液相变气动肌肉执行器，如图3所示，执行器与透明容器内部完全填充工作流体。

图3 气/液相变气动肌肉执行器示意图

如图4所示，使用PI控制器控制加热器的工作状态，从而控制气动肌肉执行器内部的压力[11]，控制器的比例增益与积分增益分别为1000 V/Pa，3 V/(Pa·s)，试验系统如图5所示。在上位机中将参考输入压力pref的初始值设定为0.3 MPa；10 s时pref由0.3 MPa上升到0.35 MPa； 50 s时pref由0.35 MPa下降到0.3 MPa。

图4 PI控制器原理图

图5 实验系统示意图

2.2 驱动实验结果

气动肌肉执行器内部的压力变化曲线与温度变化曲线，分别如图6、图7所示，加热器的功率变化曲线与能量消耗曲线，分别如图8、 图9所示。由图6～图9可知，气/液相变气动肌肉执行器内部能够产生压力，该压力由0.3 MPa上升到0.35 MPa需要0.56 s，由0.35 MPa下降到0.3 MPa需要1.56 s；在10～50 s时，执行器内部的压力稳定保持在0.35 MPa左右。压力上升过程中，执行器内部的温度迅速升高，加热器的功率增加到额定值；压力下降过程中，执行器内部的温度快速降低，加热器的功率减小到0 W。加热器在60 s 内共消耗1.69 kJ能量。

图6 压力变化曲线

图7 温度变化曲线

图8 功率变化曲线

图9 加热器能量消耗曲线

气/液相变膨胀做功能够驱动气动肌肉执行器，该驱动方式简化了驱动设备、减小了系统的结构尺寸。然而，该方式对气动肌肉执行器收缩特性的影响还有待研究，而且气动肌肉执行器内部的压力下降缓慢，需要提高执行器的动作效率。

3 气/液相变气动肌肉执行器的静态特性实验

为分析压力、温度与工作流体对执行器收缩特性的影响，进行气/液相变气动肌肉执行器的静态特性实验，并与空气驱动方式进行对比。

3.1 静态特性实验

气/液相变气动肌肉执行器的静态特性实验装置如图10所示，利用图5所示的系统对该实验装置进行驱动控制与数据记录，重物的质量分别选定为0.5, 1, 2 kg；参考输入压力pref设置成斜率为0.002 MPa/s的斜坡信号，pref达到0.6 MPa后以-0.002 MPa/s的速率下降。作为对比，通过手动调节减压阀，将气动肌肉执行器从0 MPa加压到0.6 MPa，然后从0.6 MPa减压到0 MPa。

图10 PAM静态特性实验装置示意图

3.2 两种驱动方式实验结果对比

气/液相变气动肌肉执行器的静态特性实验结果，如图11～图13所示。采用空气与气/液相变(GLPC)两种不同方式驱动时，气动肌肉执行器收缩率s的变化趋势基本一致。由于氟碳化合物的黏度大于空气[12]且液体压缩困难[13-14]，因此与空气驱动方式相比，采用气/液相变驱动时，气动肌肉执行器的收缩率呈等值减小趋势，并且负载越大差值越小；执行器的收缩率随着压力的增大而增大，随着压力的减小而减小；执行器内部的温度随着压力的增大而升高，随着压力的减小而降低。

图11 重物为0.5 kg的实验结果

图12 重物为1 kg的实验结果

图13 重物为2 kg的实验结果

利用气/液相变膨胀做功驱动时，气动肌肉执行器的收缩率略微减小，提出的驱动方式在特定场合下可以取代传统的气压驱动方式。并且，可以利用空气驱动气动肌肉执行器的建模原理，建立并修正气/液相变气动肌肉执行器的力学模型。

4 气/液相变气动肌肉执行器拮抗驱动实验

气/液相变气动肌肉执行器的压力上升迅速、下降缓慢，降低了执行器的动作效率。为解决此问题，设计制作了拮抗驱动装置，利用气/液相变气动肌肉执行器的快速增压过程，改善杆件端部作用力在下降过程中的动力学特性。

4.1 拮抗驱动实验

拮抗驱动装置，如图14所示，PMA 1与PMA 2通过齿轮、链条连接，杆件端部与力传感器接触。当PAM 1收缩而PAM 2不收缩时，齿轮旋转产生扭矩，从而在杆件端部产生作用力。利用如图4所示的PI控制器对PAM 1与PAM 2内部的压力进行控制。

图14 拮抗驱动装置示意图

采用常规驱动方式时，PAM 1与PAM 2内部的初始压力设定为0.3 MPa；在10 s时，PAM 1内部的压力增加到0.35 MPa，在50 s时，PAM 1内部的压力降低到0.3 MPa；在以上过程中，PAM 2内部的压力始终保持在0.3 MPa。

采用拮抗驱动方式时，PAM 1与PAM 2内部的初始压力设定为0.3 MPa；在10 s时，PAM 1内部的压力增加到0.35 MPa；在50 s时，PAM 2内部的压力也增加到0.35 MPa。

杆件连续动作时，PAM 1与PAM 2内部的初始压力设定为0.3 MPa；在5 s时，PAM 1内部的压力增加到0.35 MPa；在10 s时，PAM 2内部的压力也增加到0.35 MPa；在10～12 s中，PAM 1与PAM 2内部的压力共同保持在0.35 MPa；为避免PAM 1与PAM 2内部压力下降不一致，使杆件端部作用力产生扰动，在12 s时，两者按斜率为-0.05 MPa/s的斜坡信号降低；在13～15 s中，PAM 1与PAM 2内部的压力共同保持在0.3 MPa。在15～25 s，25～35 s，35～45 s期间，PAM 1与PAM 2的内部压力重复5～15 s期间的工作循环；在45～50 s中，PAM 1与PAM 2内部的压力再次保持在0.3 MPa。

4.2 拮抗驱动实验结果

1) 常规驱动方式

采用常规驱动方式时的实验结果如图15所示，杆件端部作用力趋于稳定时需要0.88 s；由于气/液相变气动肌肉执行器散热缓慢，杆件端部作用力的下降过程需要1.45 s；在10～50 s中，杆件端部的作用力保持在0.687 N左右。

图15 常规驱动方式实验结果

2) 拮抗驱动方式

采用拮抗驱动方式时的实验结果如图16所示，杆件端部作用力下降过程的对比实验结果，如图17所示，杆件端部作用力趋于稳定时需要0.85 s；杆件端部作用力的下降过程需要0.58 s，与常规驱动方式相比，拮抗驱动方式能够加快作用力的下降速率；在10～50 s中，杆件端部作用力保持在0.678 N左右。

图16 拮抗驱动方式实验结果

图17 力下降时的对比实验结果

3) 杆件连续动作

杆件在连续动作时的实验结果，如图18所示。杆件端部作用力在下降过程中不存在扰动，拮抗驱动装置改善了气/液相变气动肌肉执行的动力学特性，能够让气/液相变气动肌肉执行器迅速产生、停止相同大小的作用力，可以应用于仿生关节等外骨骼机器人领域。

图18 拮抗驱动装置连续动作时的实验结果

5 结论

为简化气动肌肉执行器的驱动设备，使系统小巧紧凑。提出了利用气/液相变膨胀做功来驱动气动肌肉执行器，对空气驱动和气/液相变驱动的气动肌肉执行器的收缩特性进行了对比，制作了拮抗驱动装置来改善气/液相变气动肌肉执行器作用力的动力学特性。研究表明：气/液相变气动肌肉执行器内部可以产生压力，该压力能够较好地跟踪参考输入信号；与气压驱动方式相比，采用气/液相变驱动时气动肌肉执行器的收缩率呈等值减小趋势；拮抗驱动装置能够加快气/液相变气动肌肉执行器作用力的下降速率。