电流体泵驱动的柔性弯曲执行器的设计及分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.056

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (4): 467-475 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.056

机械仿生设计

电流体泵驱动的柔性弯曲执行器的设计及分析

张涛¹(

),王开松¹(

),唐威²(

),秦可成²,刘阳¹,石雨豪³,邹俊²

^1.安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001
^2.浙江大学流体动力基础件与机电系统全国重点实验室，浙江杭州 310058
^3.燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066000

Design and analysis of flexible bending actuator driven by electrohydrodynamic pumps

Tao ZHANG¹(

),Kaisong WANG¹(

),Wei TANG²(

),Kecheng QIN²,Yang LIU¹,Yuhao SHI³,Jun ZOU²

^1.School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China
^2.State Key Laboratory of Fundamental Components of Fluid Power and Mechatronic Systems, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
^3.School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066000, China

全文: PDF(3314 KB) HTML

摘要：

针对目前柔性执行器需要外置的刚体泵和阀的问题，基于人手指弯曲抓握的运动特点，设计了一款由内嵌电流体泵驱动的柔性弯曲执行器。设计了电流体泵，通过实验分析了电流体泵的极板间距和电极孔直径对电流体泵输出流量和压强的影响，确定了电流体泵针电极、孔电极等部件的尺寸，研制了电流体泵样机。将多个电流体泵串联及并联，分别得出了输入电压与输出流量、输出压强的关系，确定了以2个电流体泵串联的方式来驱动软体执行器；建立了柔性执行器的力学模型，对柔性执行器进行了弯曲仿真和实验，得到了驱动压强与柔性执行器弯曲角度之间的关系，证明了柔性执行器具有良好的弯曲性能。弯曲角度的实验值、仿真值、理论值较一致，理论模型和仿真模型可以较为准确地描述柔性弯曲执行器的弯曲变形。电流体泵与柔性执行器高度集成，使电流体泵可以直接驱动柔性执行器弯曲变形，实现了柔性弯曲执行器的可携带性。

关键词： 电流体泵; 柔性弯曲执行器; 电极对; 有限元分析

Abstract:

In response to solve the current issue of requiring external rigid body pump and valve for flexible actuator, a flexible bending actuator driven by an embedded electrohydrodynamic pump was designed based on the motion characteristics of human finger bending and grasping. A electrohydrodynamic pump was designed, and the influence of electrode plate spacing and electrode hole diameter on the output flow and pressure of the electrohydrodynamic pump were analyzed through experiments. The dimensions of the needle electrode, hole electrode and other components of electrohydrodynamic pump were determined, and a prototype of the electrohydrodynamic pump was developed. Multiple electrohydrodynamic pumps were connected in series and parallel, and the relationships between input voltage and output pressure, output flow were obtained. Two electrohydrodynamic pumps in series were determined to drive the flexible actuator; a mechanical model of the flexible actuator was established, and bending simulation and experiments were conducted on the flexible actuator. The relationship between the driving pressure and the bending angle of the flexible actuator was obtained, proving the good bending performance of the flexible actuator. The experimental, simulation, and theoretical values of the bending angle were relatively consistent, and the theoretical and simulation models could accurately describe the bending deformation of the flexible bending actuator. The high integration of the electrohydrodynamic pump and the flexible actuator allows the electrohydrodynamic pump to directly drive the bending deformation of the flexible actuator, achieving the portability of the flexible bending actuator.

Key words: electrohydrodynamic pump flexible bending actuator electrode pair finite element analysis

收稿日期: 2023-05-23 出版日期: 2023-09-04

CLC:

TH 3

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52261135542);博士后创新人才支持计划项目(BX20220267)

通讯作者: 王开松,唐威 E-mail: 2242770074@qq.com;6668978wks@163.com;weitang@zju.edu.cn

作者简介: 张涛（1994—），男，河南信阳人，硕士生，从事柔性机器人设计及应用研究，E-mail: 2242770074@qq.com

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引用本文:

张涛,王开松,唐威,秦可成,刘阳,石雨豪,邹俊. 电流体泵驱动的柔性弯曲执行器的设计及分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 467-475.

Tao ZHANG,Kaisong WANG,Wei TANG,Kecheng QIN,Yang LIU,Yuhao SHI,Jun ZOU. Design and analysis of flexible bending actuator driven by electrohydrodynamic pumps[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(4): 467-475.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.056 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I4/467

图1 柔性弯曲执行器结构

表1 柔性弯曲执行器各部件的质量 (g)

图2 柔性执行器结构

图3 电流体泵结构及样机

图4 电流体泵工作原理示意

图5 针孔电极参数对电流体泵性能的影响

图6 多个电流体泵串联对电流体泵输出压强的影响

图7 多个电流体泵并联对电流体泵输出流量的影响

表2 电流体泵各部件尺寸

图8 柔性执行器的结构尺寸

图9 变形后柔性执行器单节腔室示意

图10 柔性执行器弯曲仿真结果

图11 柔性执行器制备过程

图12 柔性弯曲执行器装配过程

图13 柔性执行器的弯曲状态

图14 电流体泵输出压强与柔性执行器弯曲角度的关系曲线

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