气动肌肉并联系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 毕业设计 2013 年 06 月 06 日 设计题目 气动肌肉并联系统设计 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 院系名称 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 目 录 . 1 中文 摘要 . 1 英文摘要 . 1 1 绪 论 . 1 题研究背景及意义 . 1 动肌肉并联系统的研究意义 . 1 究现状 . 2 统组成的重要元件 . 3 动肌肉 . 3 . 3 . 4 . 5 . 5 速开关阀 . 8 . 8 . 9 . 9 2 系统结构设计 . 10 . 10 体设计思路 . 10 动肌肉的选型 . 10 统中气动肌肉的连接 . 11 统外形的设计 . 11 铰在系统中的应用 . 12 心立柱 . 13 . 13 . 13 统上下层的连接 . 14 统上层旋转角度的验算 . 14 护罩的选择 . 15 感器的选择与安装 . 16 移传感器 . 16 力传感器 . 18 角传感器 . 18 动结构的设计与选型 . 20 源处理单元（三联件） . 20 的选择 . 20 块的设计 . 21 结 . 23 3 系统控制策略 . 24 . 24 . 25 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 概述 . 25 关与跳线 . 25 （ 发生电路） . 30 述 . 30 . 31 电路模块介绍 . 38 电路图 . 42 路输入值 . 42 路输出值 . 43 序图 . 44 . 46 . 47 总 结 . 48 致 谢 . 49 参考文献 . 50 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘要 本论文的内容是气动肌 肉并联系统设计，该系统主要由上下两层平台组成。 气动肌肉是一种具有类似人类肌肉输出特性的柔性执行器，它是根据人类肌肉的运动原理设计而成。气动肌肉既具有清洁、质量轻、价格低、易维护等气动元件的优点，与气缸相比，还具有较大的功率 /体积比和功率 /质量比，并且有良好的柔顺性。 本文所讲述的并联系统可用在舰船上，作用是在颠簸的外部环境中提供一个稳定的平台，以适应科研或者生活的要求。以气动肌肉并联关节为基础的所开发的平台，具有价格低、结构简单、功率 /质量比高等优点。 本文介绍了基于气动肌肉并联关节的系统设计，主要包括平 台的机械结构设计、组成系统的元件的选型与设计、气动元件的选型与设计、高速开关阀的控制策略等几方面的内容。绘制出了组成系统的各个零件图和装配图并简单介绍了系统的控制策略。 由于时间有限，对气动肌肉的控制方法、整个系统的特性等问题还需要进一步的研究。 关键词： 气动肌肉，并联系统 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is of a is up of a a is a as is to of It of by of as as we be on It is So its If we a it of of of At we a of to of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 绪 论 题研究背景及意义 动肌肉并联系统 的研究意义 自 18世纪 60年代的工业革命开始，人类社 会走上了一条飞速发展的道路 ，人类对自然资源的开发利用也跨入新时代。然而，在经历了将近 300年的发展之后，人们不得不面对这样一个严峻的问题，那就是日渐减少的内陆资源比如石油、天然气、煤炭、矿石等已无法满足人类继续发展的需求。于是，广袤而又资源丰富的海洋便成为了人类 探索 开发的下一站。如今， 海洋已经成为了人类探索的重要领域，在海上进行的探测活动等也越来越多。 不过 ， 相对于陆地上生活以及科研活动 的便利 ，海上作业通常 都是比较难以进行的，究其原因，主要是海洋上波浪起伏不定，行驶的船也势必会随着波浪上下颠簸。人类对此往往难以适应 ；而且， 现代的科技仪器往往精度很高，需要在相当稳定的环境下进行工作，如果也随着船不停的颠簸，那么对仪器的精度会产生相当大的影响。因此，无论是从生活的角度还是从科研的角度来看，能在船上保持平稳的仪器都有很大的用处。 基于气动肌肉并联关节而设计的 并联系统 可以在船颠簸时保证 系统上层 稳定不动，用于科研时，将测量仪器放在 系统上层 平台上，就可以保证测量精度。船载雷达、摄像机、重力仪、夜视仪等也都需 要 稳定的系统来保证位置 。 如果能够控制成本 ，就可以做成床、桌子、椅子等，让船上的人可以像在陆地上一样的睡觉、吃饭，完全不影响人们的正常生活。 一般说来，对应用于颠簸环境中的稳定 系统 的基本要求就是 要响应较快、精度较高、抗干扰能力强。 根据 实验环境 的摇摆幅度和摇摆周期来补偿纵摇和横摇运动，确保在摇摆范围内做到随遇调平 1。 传统 并联系统的驱动方式主要 有机电式和电液式两种，相比这两者，基于气动肌肉并联系统 的功率重量比大，结构简单，成本远低于前两者，而且还具有减震防冲击的功能，因此，对基于气动肌肉并联 系统 的研究有着十 分重要的意义，将可能成为未来稳定系统 的研究方向。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 究现状 在国内外的一些研究所中，对以气动肌肉并联关节为基础的稳定系统 ，已经有了一些研究成果，可以拿来借鉴。 日本东京工业大学采用压力闭环和 位置闭环的级联控制算法来控制由四根对称分布气动肌肉驱动的并联系统 （图 1其对角的两根气动肌肉只用一个比例阀控制 2。德国杜伊斯堡 图 1通过几何分析求出平台运动的极限范围。德国波鸿应用科技大学研究由六根气动肌肉构成的倒立型 用于运动模拟器（图 1用带延迟补偿的 3。 北京理工大学研究由四根对称分布气动肌肉构成的并联系统 （图 1比例压力阀控制单根气动肌肉的跟踪误差小于 。 浙江大学的陶国良等正在进行气动肌肉驱动的 3自由度平台和多自由度仿人腿的控制研究 5（图 1。 图 1动模拟器简图 图 1动肌肉球面并联机器人 图 1自由度机械手 图 1并联平台 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 图 1动肌肉驱动 3自由度平台 统组成的重要元件 动肌肉 随着气动技术的不断发展 ，新型气动元件及其应用不断涌现，气动肌肉 就是其中的典型代表之一，除具有气压传动技术所具有的成本低、清洁、安装简便的优点外，还具有高功率 /质量比、自然柔顺性、与生物肌肉力学特性类似的优点，受到越来越多研 究者的关注，也正发展成为气动及机器人研究领域的一个新热点。 气动肌肉是一种具有类似人类肌肉输出特性的柔性执行器，它是根据人类肌肉的运动原理设计而成， 其结构虽然很多，但 主要 还是 由橡胶管和编织网组成 6。当对橡胶筒套充气时，橡胶筒套因弹性变形压迫外部编织网，由于编织网刚度很大，限制其只能径向变形，直径变大长度缩短。此时，如果将气动人工肌肉与负载相联，就会产生收缩力 ，收缩力的大小与元件的几何尺寸、制造材料和充气压力有关 ；反之，当放气时气动人工肌肉弹性回缩，直径变细，长度增加，收缩力减小。但是，气动肌肉在无压状态 下输出力为零，无承载能力。气动肌肉的运动方式和力长度特性酷似生物肌肉，既具有清洁、质量轻、价格低、易维护等气动元件的优点，与气缸相比，还具有较大的功率 /体积比和功率 /质量比，并且由于其力 位移关系特性与人类肌肉特性相似而具有很好的柔顺性。因此，气动肌肉在机器人、工业自动化和仿生机械中具有广泛的应用前景 7。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 气动肌肉与传统气缸相比，有着不少优点 8： 0倍于相同直径气缸所产生的力，在初始收缩时收缩力最大，随着收缩率的增大而减小； 由于没有运动部件，可以实现高速运动 （最大可达 500m/0m/s，依赖于压力、负载和固定装置）； 于摩擦力小，因而可以实现低俗运动； 世界上唯一能被卷折起来随身携带的气动驱动器； 密封、无泄漏，适合恶劣的工作环境，包括水下工作； 过简单压力调节就可以实现中间位置定位，也可用于提取和平衡装置； 相同直径气缸重量的 1/8，适合作为运动装置的驱动器 。 但是也存在一定的缺点 9： 图 1动肌肉外形图 图 1气动肌肉的伸缩与拉长 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 动肌 肉空载时可达 20%，有 载时只可达到 10%；而有的传统气缸可达到 40%）； 有时变性，使准确制其位移十分困难； 动肌肉自身温度会发生变化，随着温度的变化，其性能也会改变。这给高精度控制带来困难 。 展历史 气动肌肉是从人工肌肉发展而来，目前气动肌肉的种类繁多。最早的雏形出现在 1936年美国 结构原理和 其工作原理却是利用径向膨胀而不是轴向收缩将煤块捣碎，目的是在采煤工 业中替代黄色炸药。而且，其工作介质是液压油而不是气体。 1949年美国 10。这种气动肌肉不论从结构原理还是从工作原理都与 是其压缩空气不是来自压缩机，而是来自装置内部点燃火药产生的压缩空气。 1958年美国 11，对整个系统进行了数学分析，并给出了第一个描述力大小的方程。同一时期，美国医生 J. L. 人大多数 认为 1962年，美国 进行了大量的数学分析，其借鉴了 管这种系统似乎在康复领域非常有前途，但由于供气困难和连续控制困难导致在其应用领域一度被电马达替代。 1986年，日本 为 将之应用于两种工业机器人 0年代末期，德国 称之为 最大的特点是将编织网嵌入橡胶管的橡胶中，这样能够大大增强气动肌肉的疲劳寿命。 目前对气动肌肉研究较多的有英国索尔福德大学、美国华盛顿大学、法国国家应用科学院，日本东京工业大学等。国内的有哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、华中科技大学、上海交通大学、浙江大学等 12。 000年新概念气动产品。它以螺纹来进行配买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 合，更加精确。 该产品将柔性管和由坚韧纤维组成的菱形网状结构相结合。当气体流入柔性管时，肌 肉 就会 向周围扩张，产生巨大的拉力。在自动化应用场合，气动肌 肉 非常灵活，可产生相当于传统气动驱动器驱动力 10倍的冲力以及极大的加速度，反应灵敏，无爬行现象 。 总的来说，气动肌肉可以用在两种情况下 13: 动肌肉和弹簧的特性相似，它的长度随外力的大小改变而改变，近似符合胡克定律： F=种情况下的气动肌肉与弹簧相比的优点是刚度和预紧力都可以被很容易的改变。在恒压力和恒体积下，它都可以作为一个弹簧被使用，而且它能完美的发挥弹簧效果。因此，气动肌肉在很多场合得到广泛的应 用，如可应用在夹持器，刹车装置，机械臂的重力补偿装置中所需用的弹簧等； 可以带一定负载作为单作用执行器工作。假设气动肌肉上承受恒定负载，那么在静止状态下，它就会有一定的伸长量。当开始对肌肉加压时， 当受压时，气动肌肉会以最佳动态特性和最低空气消耗达到最大力输出。 气动肌肉的压缩能力受载荷和压力等级影响，而当载荷一定时，通过改变压力，可使气动肌肉达到预先要求的一定位置。即可用气动肌肉组成一位置控制系统，实现简单的定位控制。气动肌肉的这种特性可应用在提升物体，运动平台位置控制 ,流水 线上分拣重物的机构等。 气动肌肉的最简化模型如下 14： 2 22 ( 3 c o s 1 )4图 1气动肌肉的两种应用方式 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 式中 为气动肌肉的有效长度，为纤维编织线与气动肌肉轴向之间的夹角 。 15在下图中分别给出，可以通过特征曲线来实现对气动肌肉的控制。但是显然这个控制曲线不是线性的，这就意味着要实现对气动肌肉的控制是非常复杂的过 程。 图 1的特征曲线 图 1特征曲线 图 1特征曲线 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 速开关阀 性介绍 随着工业自动化的发展，气动技术与计算机技术和电子技术的结合越来越紧密，数字式气动元器件的研发成为气动技术的一个重要发展方向。高速开关电磁阀就是一种数字式电气转换控制元件，采用脉冲流量控制方式，利用脉冲电信号进行开关动作。其与伺服阀、比例阀相比具有结构简单，价格低廉、抗污染能力强、可与计算机及 接接口等特点，但控制精度和响应速度不如伺服阀和比例阀。与伺服阀和比例 阀采用连续控制方式不同，高速开关阀采用脉冲流量控制方式，比较常用的是采用脉宽调制 (式。 实验 系统 中使用的高速开关阀为 一个单电控的两位三通阀。工作电压是 24V(工作压力可以为 8接口的连接方式为螺纹连接，可靠且精度较高。工作介质为过滤压缩空气。特点主要有 16： (1)耐腐蚀能力较强：耐腐蚀等级为 2级，即：要求元件具有一定的耐腐蚀能力，外部可视元件带有基本涂层，直接与工业环境或诸如冷却液或润滑剂等介质接触。 (2)响应时间短，在带有快速切换电 子元件的情况下，开 /关响应时间分别为 3/ 图 1特征曲线 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 (3)最大切换频率有 280以满足实验的需要。 脉宽调制 (利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 它的主要原理是通过改变占空比（即一定周期 电平占据的时间 的比值），来实现对电路的控制。在流体控制系统中，最普通的控制信号是连续变化的电压和电流。而对于工控机来说，只有控制信号在通或断的条件下，才能用调制 脉冲宽度的方法对流体控制气动进行控制。因此，可以采用工控机来生成 将至输入高速开关阀的控制电路，以控制电路的通 /断电，并进而控制高速开关阀（二位三通）接入回路的位置，最终实现对气动肌肉的充气和放气过程。 章结构 全文共有四章，结构如下： 第一章是概述，主要介绍了课题背景，相关资料，并对 系统 所需要的重要元件做一个大概的介绍。 第二章对气动肌肉 并联系统 作了系统结构的设计，包括机械结构的设计， 系统 所需元件的选型，设计及相关尺寸的确定，对气动控制部分 进行简单设计 。 第三章 对 系统的控制策略做 了 介绍。 第四章主要总结了本篇文章所介绍的内容 ，并总结了个人做 系统 设计以来的一些心得 图 1简单脉冲信号 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 2 系统 结构设计 统 机械结构 体设计思路 整个 系统由两组平台组成，上部分平台为运动模拟平台，下部分平台为稳定平台。实验时，由运动模拟平台产生模拟 类似波浪的随机运动，平台 的 运动通过位移传感器，倾角传感器和位移传感器传至控制中心，只要有合适的控制策略和软件，就可以通过控制高速开关阀使下部肌肉产生相应的运动，与上部肌肉的运动叠加后最终使上平台保持稳定。 动肌肉的选型 气动肌肉是整个 系统 的执行元件， 而且也是需要直接购买的元件，因此，首先应当选择气动肌肉的型号，尺寸。 首先选择 司的气动肌肉，主要有三种型号 15 ： 表 2三种不同直径的气动肌肉比较 型号 承受最大压缩力 压力范围 最大伸缩比 400N 0 80% 1200N 0 60% 4000N 0 65% 设定 平台所承受的力大约为 1000N，在所需的力相同的情况下，直径越大则长度越小，可以使用 司 产品资料可知 ，得出在行程 120力设定 6需力 1000N 的情况下，直径 20额定长度为 1653径 4080然，应当选直径 40肌肉，此时的肌肉出厂时长度为600伸缩的范围为 150肌肉的最大长度为 618小长度为 450以选定 540肌肉安装在 系统 静止时的长度。在以后计算时近似认为肌肉的长度变化范围为 20% ，即从 480 600 系统上 平台的肌肉并不需要承受很大的负载，因此，从体积的角度考 虑，可直接选取直径为 10小型气动肌肉。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 统中 气动肌肉的连接 无论哪个平台都要与气动肌肉相连接，要使 系统 能随肌肉的伸长、缩短和转动而上下摆动，选择三自由度的球铰来进行连接。 系统 需要能够上下各 15转动，因此，要求球铰可以旋转 30。查看 司的 图 2共有四种型号 17： 虑到肌肉的长度，下半平台选用两边的螺纹分别是 上半平台的球铰应略小于 于 25 此，选用 边螺纹分别是 8 图 2铰 统 外形的设计 上下两组平台形状基本一致，只是尺寸略有不同，按对称结构，动平台采用圆形，三个铰支点沿同一圆周均匀分布，圆半径在 200 250间。为便于和电控柜（固定比例阀，气源处理单元等）的连接， 系统下 平台 的 下平台采用正方形，而 下平台的 上平台采用圆形，可以适当节省材料。 系统上 平台 的 下买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 平台与 系统下平台的 上平台连接在一起，也为圆形，上平台同样为圆形。具体结构见图 2 铰 在系统中的应用 在运动模拟平台由于尺寸较小，可以在平台上打螺纹孔，直接将球铰拧入螺纹孔中即可。而稳定平台的尺寸很大，应该采用一个平台与球铰的连接装置，如图 2示，左边有四个孔可以与平台用螺栓相连接，而右边凸出的部分中间有一螺纹孔，用来与球铰（图 2左半部分相连，这样可以有效的将平台与球铰连接起来。 球铰与肌肉之间也要通过类似的元件相连接，肌肉可以分为上下两部分，两部分的连接件是不同的，因为下部分在连接球铰和肌肉的同时 也要连接给肌肉供气的气管，需要额外打孔来通气。以下平台为例， 肌肉上半部分的连接件如图 2示，左边有外螺纹，可以直接与肌肉相配合，而右边有螺纹孔，与球铰相配合。下半部分连接件如图 2示，与上半部分不同的是在中间开有一个螺纹孔，可以与气管相连接，气体可以通过球铰肌肉连接件进入气动肌肉，从而控制肌肉的伸缩。运动模拟平台的连接件与稳定平台相仿。 图 2台示意图 图 2台球铰 连接件 图 2部球铰肌肉连接件 图 2部球铰肌肉连接件 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 心立柱 中心立柱在平时起着支系统的作用，并且当系统 运动 时是以立柱上面的球铰球心为中心点进行旋转的，因此，立柱的长度是最为重要的一个尺寸，只有当长 度选取合适时，才可以使系统 能够达到理想的旋转角度。 立柱长度应为从下平台到上平台中所有零件的长度之和减去相连接部分的长度。 台中心立柱： 平台球铰连接件的长度为 40铰长度 63部球铰肌肉连接件长度是 97始时气动肌肉的长度为 600上两端连接部分的总长度为711用中取气动肌肉收缩 10%时的长度，即 540此时气动肌肉两端连接部分的总长为 651部球铰肌 肉连接件长度为 67铰立柱连接件与立柱的连接长度是 26 平台球铰连接件与球铰连接的长度是 铰与下部球铰肌肉连接件的连接长度是 24部球铰肌肉连接件与气动肌肉的连接长度是 35部球铰肌肉连接件与肌肉的连接长度是 铰立柱连接件的长度是66 由此可以得出立柱的总长度为： 4 0 6 3 9 7 6 5 1 6 7 2 6 1 5 . 5 2 4 3 5 3 3 . 5 6 6 7 7 0l 球铰的长度为 部球铰肌肉连接件的长度为 60始时气动肌肉的长度为 130上两端连接部分的总长度为 203用中取气动肌肉收缩 10%时的长度，即 117此时气动肌肉两端连接部分的总长为 190部球铰肌肉连接件的长度为 45 下平台与球铰的连接长度为 11铰与球铰肌肉连接件的连接长度为12部球铰肌肉连接件与肌肉的连接长度为 15部球铰肌肉连接件与气动肌肉的连接长度为 15 所以， 运动模拟平台的立柱长度为： 4 1 . 5 6 0 1 9 0 4 5 1 1 1 2 1 5 1