中文翻译-气动人工肌肉特性的约束影响的实验研究

气动人工肌肉特性的约束影响的实验研究 臧哈，马艳 机电工程学院 东北林业大学 哈尔滨，中国 宁，李秀晨，张兰 机械工程学院 佳木斯大学 佳木斯，中国 摘要气动人工肌肉（ 一种新的气动执行器。大量的工作已经完成了的原则，理论，实验建模及应用气动人工肌肉。研究人员发现， 有非线性特性。对发布的基地非线性特性的相关文献，弹性，摩擦橡胶和编织和约束环之间。前者两个方面已发表的论文主要研究。然而， 研究 局限于端气动人工肌肉仍然是罕见的 影响 。本研究建立的 静 态特性实验系统，和 约束特性进行了测试。通过对实验结果的分析，得出了影响约束的工作气动人工肌肉的工作特征。 关键词气动人工肌肉（ 约束，静态特性， 实验研究 引言 气动人工肌肉是一种新型的气有清洁，重量轻的致动器，低成本，维修方便，结构紧凑，高功率 /体积比。出于这个原因，它们被广泛关注 通过理论研究和工应用。气动肌肉的发明在 20 世纪 50 年代以提供驱动程序 假肢和康复机械。然而 对于实际问题，如气动功率存储，当时的可用性和质量差的阀门技术， 气动人肌肉没有得到开发和应用。在 1988 年，日本式的工程师 提出了 制造普利司通更大的版本重新设计的气动人工肌肉称为人工肌肉 为了使机动化虽然软而强大的器人手臂。他们被称为软武器和进行商业化的服务它也被研究了机器人。人工肌肉，这是简单的设计，是由橡胶内胎覆盖与外壳编织根据螺旋编织。肌肉 由两端封闭 一个是空气的输入和其他正力附着点。编织纤维由螺旋关于肌肉长轴的角度称为交织角。当压力被提供，内管改造，连同径向运动驱动集织造， 交织角的增大 轴向编织套管短路它拉的负载端和 力同时集织造，那么紧张和内部压力平衡。由于 工作类似动物肌肉的特性，它被称为 气动执行机构气动人工肌肉 1 2 。气动人工肌肉是一种新型的气动执行器。很多工作了完成了原理，理论，实验与气动人工肌肉应用建模。研究人员发现， 线性特征。在文献 3 4 的基础，非线性相关的弹性特性，与橡胶的摩擦编织和结束约束。前两个方面在已发表的论文主要研究。然而，研究 在对气动端约 的影响人工肌肉仍然是罕见的。本研究建立的 态特性实验系统，和约束特性进行了测试。通过对实验结果的分析，影响气动人工肌肉的工作条件得到的特征。 实验气动系统 这个气动实 验系统 设为了研究压力的关系，收缩力与不同的约束系统。实验 系统包含下表中显示的元素。 表 1件名称 成分类型 组件 技术 数据 空气源 福马莫尼塔 功率： 11大压力： 气罐： 2L 电磁阀 源电压： 力传感器 源电压：直流 12 24V 调压范围： 0度： 负荷 传感器 源电压：直流 12 24V 负荷范围： 0度： 0 幅调制 国产的 初始长度： 176始直径 8压范围：为 进电动机 8613 步距角精度： 2% 步进角： 最大扭矩 :螺 称直径 16： 5定载荷： 移传感器 00 : 电脑 +1 处理器： 50 256M 内存 数据收集器 辨率： 8 精度： 1动器 源电压： 24V 经营方式：1/5,1/10,1/25,1/40,1/50,1/100,1/200 脉冲发生器 源电压： 100 250V 输出频率： 69999量 国家成分标准 2压阀 者：最大支持下 新闻： 图 1 气动实验系统 进料设备四部分组成步电机，脉冲发生器，驱动程序和指南。脉冲发生器的输出脉冲步进电机驱动器驱动步进电机向前或落后的。 该脉冲发生器 可在 1 /499 测量。步进电机转动一圈的 200 个步骤。螺杆的铅 5 / R 定位误 （ 5 / R）。直直线导轨的实验系统采用，以良好的精度和稳定性。 图 1 显示了一个普通的气动实验系统。计算机控制的电磁阀可以输出预定的气体压力。当压缩气体进入帕姆，合同，并产生一个 拉力。气源通常是一个压缩机。显然，试验应包括一个电磁阀和 先我们讨论了电磁阀门。这是个计算机控制系统输出预定的气体压力在一定的领域，成比例的电压作为一个电阀的输入，其数量可由计算机控制。 气动实验系统由一个压力传感器，力传感器和位移传感器。压力传感器测量输出气体压力，负荷传感器测量的 输出负载， 养活这些回控制电路。从气体的出压力的大小压缩机应大于最大气体压力从电磁阀的输出。 人工肌肉由内橡胶管通过天然橡胶胶乳硫化过程使用如图 2 所示。为了减少的影响橡胶弹性，实验中使用的橡胶很薄。外壳是编织套管 （见图 2）。 图 2 橡胶管、编织套管 人造肌肉的组件，如图 3 所示，一边是进气口，另一端是封闭端。在这个实中，四种类型的约束的数目环（ 0， 1， 2， 4）已经过测试 。 图 3 约束环 气动人工肌肉 三、 验 实验装置如图 4 所示。 的一端安装紧固到金属框架。的另一端肌肉是由不同的负载暂停它的钢丝绳绑。位移传感器 8 固定在金属框架；滑杆连接到的肌肉活动结束，所以一个精确的测量了。从位置数据位移传感器发送到 过 A / D 转换器。为肌肉提供动力，空气压缩机 1 可压缩空气供应 算控制电磁阀 2 输出预定的气体压力。在这个测试，重量 4 7 公斤。压缩气进入肌肉， 同重量的同时能够保持恒拉力。实时数据通过传感器登录到 验重复了好几次在不同的约束。然后我们可以统计分析结果发现收缩之间的比和不同负荷的肌肉压力 . 图 4 等长负荷实验 系统原理框图 肌肉的长度是由位移传感器测量 初始长度， L 是实时的 长度，然收缩 比 计 (1) 图 5 显示了收缩比的关系压力。从这个图中，我们可以得出这样的结论：实验 曲线的滞回曲线，这是因为一个当 作在摩擦力的方向变化试验期。在低 压力 ，实验曲线显示在高压力比更滞后。这种现象被称为内摩擦系数 充压 图 5 压力随 收缩比 为了突出因素的影响，约束环的直径略大于 始直径。当收缩率达到一定值 时，该约束环开始工作在 约束环不工作，实验曲线的叠加；当约束环在工作， 收缩 显然，小当增加约束环的同样的压力。约束减少 能力 . 四、等轴 压 试验 等距压力的实验研究收缩比和力量之间在一定的常数压力。 一端紧密安装金属通过负荷传感器 4 帧。肌肉的另一端附在滑板沿直线导轨滑动，和滑动板采用丝杠 7 步进电机控制的 6，这些传输组件能够同时获得较高的控制精度和工作效率。在这下。然后通过电机改变长度上述相应压力下的肌肉。拉力和位移传感器的数据 4,6 发送到 验重复了不同条件下的时代。我们可以进行不同的 约束等距压力试验在不同的压力 . 图 6 原理框图，等长收缩压试验系统 图 7 显示收缩率之间的关系力。 输出力是收缩率相关，的收缩比越大，输出力大的。作为如上所述， 距压力曲线是一个滞回曲线由于摩擦的 影响 。随着约束的数目增加，存在明显的滞后 现象，实验曲线下降的一个整体而言，线性度变差，但趋势不的变化，这清地表明，限制显着 静态特性的影响 . 图 7 收缩 比与力 五、 验 实验装置如图 8 所示。 一端固定在机架。肌肉的另一端连接有滑板滑板 沿直线导轨具有相同的结构等长收缩压试验系统。该系统是由一个滑板，丝杠 7、步进电机 6 自锁装置，用来精确地改变肌肉的长度。计算机控制的电磁阀2 会使气经常变化的压力。当压缩气体进入肌肉，拉力生产和工作负载传感器 4。负载获得的数据从传感器发送回来到 过 A/D 转换器。丝杠是造成通过步进电机的旋转来改变长度的方法肌。实验重复了好几次使用不同的限制（ 0， 1，2,4）。 图 9 显示的压力和力的关系。的结果是在范围内的致动器力荷载循环操作压力。图 9 显示力减小致动器约束。微小的力量几乎总是测量在降低试验压力相 . 图 8 等距长度的实验系统原理框图 图 9 压力与 动力 图还表明，气动输出力人工肌肉是通胀压力成正比。不过，在测试期间，橡胶管、编织套管之间的摩擦很小的滞回性能出现下降。的橡胶的厚度，这是在这个实验，小。橡胶弹性力小。图清楚地表明，上述系统对这一点的影响实验。和血压之间的线性关系输出力不改变时，数量的限制增加。然而，有在他们的斜率的变化。没有之间的橡胶弹性力和摩擦力的影响橡胶管、编织套管，约束的影响明显的。 六、比较模型实验 为了验证结果是否 是合理的 ，一个介绍的理论方法，不考虑详细的几何结构修改 的工作报告在。利用虚功原理发现肌肉力方程，必须有一个平衡虚拟工作迪文做肌肉中的压力和通过对肌肉 移做虚拟的工作 11 （见图）。 图 10 这两个组件交互的虚拟工作原理示意图 迪文可以用相对压力计算的帮助 P 的压力，攻击我的表面，正常 的向量 生的力的方向与 工作 肌肉体积的变化： 轴向力和轴向位移 肉生产外 虚拟 工作 . 把两个虚拟工作部件和使用（ 2）和（ 3），导出了肌肉力 方程 。 通过假设的收缩的肌肉表面行为如同一个气缸，迪文可分为轴向和径向分量 。 轴向 分量具有相反的的径向分量的工作方向，参见图 10。的力方程被发现： 一个 建模为一个圆柱体和壁厚假定为零。该气缸的尺寸是长度和直径 D = 2R。假设 网状材料，系统的几何常数是螺纹长度 B 和匝数为一个线程 N。用于 此配方的最终尺寸的交织角 ，即螺纹和长之间的夹气缸轴线的。交织角变化为致动器的长度变化。这些之间的关系参数是在图 11 所示 13 。 与图 11 肌肉之间相关的帮助半径 R，肌肉的长度 L 和 交织 角 制定 由于这样的事实，即纤维的长度是恒定的一个发现 始 长度， 初始半径， 0 是最初的交织角。这用于计算 R 和 L 之间的相关性： 图 11 几何模型 通过使用（ 6），（ 7）和（ 8），该力计算 力 F 的相关性，压力 P 和收缩 =（ ） /于直径 测 2 本节中介绍的配方如下工作周、汉建模 2 。其次，这些方程将 得到进一步的 关系力，压力，长度。这些关系将得到证实美好的经验数据调整。 图 12 压力与动力 图 13 收缩 比与 力 图 14 压力随收缩比 本文建立了 静态特性研究约束影响的实验系统。通过利用自制的气动人工肌肉应用薄的橡胶管在这个实验中，橡胶的弹性力减少。通过对理论模型的比较与实验曲线的实验的可靠性证明了。约束降低 输出力和收缩的。相对于工作原理，约束下合同的能力和限制 通货膨胀 。不过，结果的理论公式推导出到目前为止还没有，有很多工作要做在未来。确认作者非常感谢支持 黑龙江省教育厅科学技术项目（ 11531372）和佳木斯大学科学技术项目（ 【 1】臧可敬，古之道 ，国梁，气动 研究与展望人工肌肉 ，机床与液压， 2004（ 4） 2 周 C P， ， 静态特征和动态 动人工肌肉 ，在 C。圣迭戈，美国： 1994 264 【 3】田 联明， 人工肌肉静态特性与测量 ，实际测量技术， 1998（ 6） 4。 【 4】黄宇，彭光正，范伟， 的实验研究气动人工肌肉驱动特性，中国 液压与气压传动， 2002（ 12） 5 人工肌肉建设使用在泰国的 天然橡胶胶乳，第三泰国和材料科学和技术会议，奇迹高雄圆山大酒店，曼谷，泰国，八月 10004。 6 杨刚，李鲍仁，刘军， 气动人工的新途径肌肉特性分析，液压、气动 2002（ 10） 7 孙立明，宝钢，王祖温， 提高建模气动人工肌肉 ，液压 密封， 2002（ 2） 【 8】杜明，朱端阳，杨刚，李鲍仁， 实验对气动肌肉致动器的静态特性的研究 ， 中国液压与气动 2005（ 5）第 21 . 9 李醒飞， 正气