模块化双作用水压人工肌肉关节设计

车进凯，张增猛，陈圣涛，弓永军

(大连海事大学 船舶与海洋工程学院，辽宁 大连 116026)

引言

水下机械臂是水下机器人探索开发海洋资源的核心部分。因此，迫切需要开发出结构紧凑，拥有大范围运动空间且适用于水下机械臂的关节[1-2]。现有水下机械臂驱动方式包括液压驱动与电机驱动[3-4]。近年来，流体人工肌肉作为一种新型驱动器，广泛应用于医疗机械领域，其中气动人工肌肉工作压力一般不超过1 MPa、输出力较小，因此，利用气动人工肌肉驱动机械臂的输出转矩较小[5]；另一种流体人工肌肉为水压人工肌肉，其输出重量比大，且不会污染环境。水压人工肌肉工作时动作平滑，无相对摩擦的运动部件[6]。相比液压缸、液压马达，水压人工肌肉驱动的水下机械臂重量和体积可以大大减小，结构更加灵活。与气动人工肌肉相比，水压人工肌肉具有输出重量比大、响应速度快等优点。利用水压人工肌肉驱动关节，可以在对关节进行紧凑性设计的同时，保证足够的输出转矩。MORITA[7]团队研发出由液压人工肌肉驱动的旋转关节，同时验证了该关节的能量密度为液压缸驱动关节的2倍。然而，MORITA团队研发的关节为单自由度关节，MIRO等[8]研发利用水压人工肌肉驱动的机械手，每根手指都有1个五连杆关节机构，可以抓取直径为300 mm，重量为45 kg的圆柱体。ZHANG等[9-11]研制了高强度水压人工肌肉关节，由于水压人工肌肉输出力可达到20 kN，所以采用直径为8 mm的钢丝绳作为传动丝。实验结果表明，由于钢丝绳刚度过大，导致实际关节旋转角度小于理论值。……