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绿色化气动执行元件一气动肌腱及其应用研究 摘要 摘要 气压传动以洁净的压缩空气作为传动介质，相对于容易对环境产生污染的液压传 动而言，在绿色化方面具有显著优势。而气动肌腱是一种重量一功率比低、直径一输 出力比小、柔顺性好、工作方式类似于人体肌肉的新型气动执行元件，在很多场合下 可代替传统的刚性气缸使用。 本论文研究采用气动肌腱作为力输入元件，结合某些已有的及部分创新设计的力 传递与放大机构，从气动肌腱的实际应用方向对其进行研究和分析。论文的主要内容 如下： ( 1 ) 简单介绍了气动肌腱的理论建模、基本特性、结构参数分析等基本理论； ( 2 ) 在对常见增力机构进行重新逻辑分类的基础上，进行了基于气动肌腱的创新 机构设计，主要分为：以气动肌腱为驱动的力输出装置以及以气动肌腱代替传统气缸 的气液复合传动装置两大部分；同时，将我们设计的创新机构与传统的以气缸或者 液压缸为驱动的传动系统进行比较分析，突出了气动肌腱的独特优势； ( 3 ) 对典型机构进行了系统运动学、动力学分析计算； ( 4 ) 基于a d a m s 仿真软件，对典型机构进行系统建模、仿真分析、样机模型设 计研究。 最后，本文对气动肌腱的进一步研究内容进行了分析和展望。 关键词：绿色化，执行元件，气动肌腱，应用 作者：陆雯 指导老师：钟康民 a b s t r a c t 绿色化气动执行元件气动肌腱及其应用研究 a b s t r a c t p n e u m a t i cd r i v eu s e sp u r ea n dc o m p r e s s e da i ra st h ed r i v i n gm e d i u m c o m p a r e dw i t h t h eh y d r a u l i cd r i v e ，w h i c hi se a s yt op o l l u t et h ee n v i r o n m e n t ，t h ep n e u m a t i cd r i v eh a st h e m o r en o t a b l ea d v a n t a g eo f g r e e n p n e u m a t i cm u s c l ei san e w k i n do fe x e c u t i n ge l e m e n t ，w h i c hh a st h eq u a l i t i e so fl o w r a t i oo fw e i g h t - p o w e r , d i a m e t e r - o u t p u tf o r c ea n dp e r f e c tf l e x i b i l i t y p n e u m a t i cm u s c l eh a s t h es a m ew o r k i n gf o r ma sp h y f i c a lm u s c l e ，i nm a n yo c c a s i o n , i tc a ns u b s t i t u t et h e t r a d i t i o n a ld 每dc y l i n d e r c o m b i n e dw i t hs o m ef o r c e - t r a n s f e ra n df o r c e - a m p l i f i e rs t z u c t m s ， w h i c ha r ed r e a d ye x i s t e n to ri n n o v a t i v e l yd e s i g n e d ，t h i sp a p e rm a k e st h ep n e u m a t i c m u s c l ea st h eb a s i cf o r c ei n p u te i e m e n t ，a n dt h e n ，i n v e s t i g a t e sa n da n a l y s e si t sa c ：t u l - a l a p p l i c a t i o nd i r e c t i o n t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r i e sa b o u tp n e u m a t i cm u s c l es u c ha sa c a d e m i cm o d e l i n g ， b a s i ci d e n t i t y , s t r u c t u r ep a r a m e t e ra n ds oo n ； ( 2 ) b a s e d0 1 1t h el o g i cs o r to ft h en o r m a lf o r c e - a m p i l i e r , m a n yk i n d so fi n n o v a t i v e s t r u c t u r e s ，w h i c ha l ed r i v e nb yp n e u m a t i cm u s c l e , a r ed e s i g n e d 髓e yi n c l u d ef o r c eo u t p u t d e v i c e sa n dp n e u m a t i c - h y d r a u l i cc o m p o s i t et r a n s m i s s i o nd e v i c e ，w h i c ha r ed r i v e nb y p n e u m a t i cm u s c l e o t h e r w i s e ，w ec o m p a r et h ei n n o v a t i v es t r u c t u r e sw i t ht h ec o n v e n t i o n a l s y s t e m s ，b yw h i c ho v e r h a n gt h eu n i q u ep r e d o m i n a n c e so f t h ep n e u m a t i cm u s c l e ； ( 3 ) a n a l y z et h ec h a r a c t e r s t i c so f t h es y s t e m sd y n a m i c sa n dk i n e m a t i c s ； ( 4 ) b a s e do ba d a m s ，w ec o m p l e t et h em o d e lb u i l d i n g 、d y n a m i ca n a l y s i s 、t h ed e s i g n o f p r o t o t y p i n gm o d da n do p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h et y p i c a lm e c h a n i c a ls y s t e m ； a tl a s t , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h ep n e u m a t i cm u s c l e k e y w o r d s ：a 舭p e r f o r m e r , p n e u m a t i cm u s c l e , m o d e lb u i l d i n g , a p p l i c a t i o n i l w r i t t e nb yl u w e n s u p e r v i s e db yz h o n gk 姐乒血 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：避日期：竺! 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阕，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日 日 期：) 略fr 绿色化气动执行元件一气动肌腱及其应用研究序言 第一章序言 近几十年来，全球工业高速发展，各种产品的种类和数量与日俱增。在工业发展 带给人们财富和文明的同时。它也在大量消耗着不可再生的自然资源和能源，工业废 物排放和报废产品对环境的污染也越来越严重。因此，经济的迅速增长给全球造成了 资源短缺和环境污染的严重危机，威胁到人类未来的发展。全球必须开创一种新的绿 色发展模式，走可持续发展的道路。众所周知，制造业是国民经济的支柱产业，他一 方面创造价值，生产物质财富和新的知识；另一方面，为国民经济各部门，包括国防 和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备【i 。 基于可持续发展战略思想的绿色制造技术，在机械领域与之相对应的，是近几 年来发展起来的绿色制造理念。绿色设计包括：动力的绿色设计；液压系统的绿色设 计；工作装置的绿色设计；材料的绿色设计等【2 】。 毫无疑问，采用绿色设计与制造技术是制造业实施可持续发展战略，解决环境问 题，实现新的腾飞的必由之路。 1 1 流体传动的发展现状 表卜1 现代流体传动的主要优缺点 ；鬟羹鞴糕蘩；摹黉曩点，蠢i 憨藕i? 鬃辎麓攀麟嚣演。鏊甏：霪骥i 糕 重量一功率比低( 动力密度大) 蘸 易泄漏，噪声大 獯 流量和压力具有良好的可控性 澜 响应速度快 位置控制性能较差 湖 便于在中等距离范围内传输和分配动力 骥 黼 便于实现直线运动 鬻 重量一功率比较高，能源使用效 糍 液压元件的发热可以由压力油带走 率低，难以维护，寿命低 1 1 1 流体传动的优缺点 流体传动与控制技术发展到今天，已经成为一门与其他学科相互关联、交叉的综 序言 绿色化气动执行元件气动肌腱及其应用研究 合性学科。由于流体传动便于实现工作过程的机械化和自动化，因此近4 0 年来，正 以最高的速度增长。表1 1 归纳了流体传动的主要优缺点。 流体动力技术必须在充分发挥自身优势和借鉴其它传动优点的情况下，对其进行 改进和创新，才能在未来的竞争中保存下来并获得不断的发展。 流体传动中所用的介质清洁与否，是衡量其绿色化程度的根本标志，对其绿色化 的途径与方法进行研究和探讨的必要性和重要性，自然就不言而喻了。研发“智能材 料”和“智能流体”是现代流体传动技术的必然趋势，流体传动技术将向高压化、长 寿命、微型化和低泄漏发展，研制更为先进的材料和流体介质。 1 1 2 气压传动与液压传动的比较 表l - 2 气压传动与液压传动的一般比较 表1 - 3 气压传动与液压传动的性能比较 液压传动具有运动平稳、输出力大等优点，目前制造业中应用的流体传动夹具， 2 绿色化气动执行元件气动肌腱及其应用研究序言 在数量上液压夹具要显著多于气压夹具。但是从流体传动绿色化这一方面来说，气压 传动具有一些得天独厚的优点：空气可以从大气中获得；同时，用过的空气可以直接 排到大气中去，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失外，不致产生 不利于工作的严重影响，也不会污染环境。 当然，气压传动也有自己的不足之处，例如： ( 1 ) 由于空气具有可压缩特性，因而运动速度的稳定性较差： ( 2 ) 因为工作压力较低，又因结构尺寸不宜过大，因而气压传动装置的总推力一 般不可能很大； ( 3 ) 目前气压传动的传动效率较低。 1 2 气动肌腱与气缸的比较 表1 - 4 气动肌腱与气缸的特性比较 通过以上分析我们知道，随着绿色化发展的需要，气压传动与液压传动相比有着 它独特的优势，但是也不可避免地存在着不少缺点，从而影响了它的广泛应用性。 令人兴奋的是，一种非常特殊，又极其简单的气动执行元件带来了气动技术的一 序言绿色化气动执行元件气动肌腱及其应用研究 场革命。它无摩擦运动、无污染，当管内通入压缩空气后，气动肌腱却能产生相当于 同缸径气缸数倍的拉伸力，这就是我们所说的气动肌腱。我们通过表i 4 将气动肌腱 与气缸的基本特性进行了比较。 同时，为了精确描述气动肌腱与标准气缸的力特性比较，参考文献 3 】建立了一 个基于弹性力学的新型的串联模型，并结合试验评估系统的实验结果对它进行进一步 的补偿。模型和实验数据的比较结果为更好地应用气动肌腱代替气缸提供了理论依 据，也为气动肌腱在工业中的应用提供了设计依据。 1 3 气动肌腱的研究现状 气动肌腱作为一种气动元件，从其出现到应用经历了漫长的历史过程。从现有文 献来看，前人对气动肌腱工作实现方法研究较多。 2 0 世纪3 0 年代，俄国发明家s g a r a s i e v 首先提出气动肌腱( p n e u m a t i cm u s c l e a c t u a t o r ) 的概念，简称为p m a 。 到了5 0 年代，美国医生j o s e p h l m c k i b b e n 发明了一种以其名字命名的气动肌腱， 即m c k i b b e a 肌肉，并设计了能够辅助残疾手指运动的气动装置。 1 9 6 1 年美国科学家s c h u l t e 撰文分析了m c k i b b e n 气动肌腱的特性。m c k i b b e n 肌 肉是目前使用最广泛的一种气动肌腱，现有公开发表的文献中关于它的介绍也最多， 它采用的典型材料是橡胶和尼龙纤维【4 】。 1 9 8 8 年日本b r i d g e s t o n e 公司的工程师在m c k i b b e n 肌肉的基础上，又推出了 r u b b c r t u a t o r ，主要用于机器人技术中，作为机器人的执行元件，并将其商品化，这 标志着气动肌腱开始应用于工业领域。 9 0 年代中期美国的c h o u 和h a l m a f o r 根据能量守恒原理对气动肌腱进行建模f 5 】， 首次提出了气动肌腱的理论建模公式，并进行了大量实验，讨论分析了气动肌腱的静 态特性和具体的气动执行系统的动态特性。 对于理想建模方法，由于在推导过程中进行了一些假设，使得由公式所得到的理 想特性与实际特性存在偏差，于是有些学者将实验测得气动肌腱特性进行数学拟合， 用拟合得到的模型来代替理想模型进行研究。如美国空军实验室的r e p p e r g e r 等【6 j 将 4 绿色化气动执行元件一气动肌腱及其应用研究序言 气动肌腱视为变刚度弹簧，认为气动肌腱的充气收缩过程为硬刚度弹簧，放气伸长过 程为软刚度弹簧，所产生的力包括稳态和瞬态弹簧力。 而对于我国，在p m a 方向的研究起步较晚，其工作开始于8 0 年代末9 0 年代初。 所以到现在为止，我国对p m a 的研究仍然属于初次阶段。 从2 0 世纪9 0 年代后期开始对m c k i b b e n 气动肌腱研究主要有几个方向，其一， 以k 1 u t e 掣7 1 为代表的从仿生学的角度研究气动肌腱，致力于用气动肌腱模拟或代替 生物肌肉，是对气动肌腱特性研究的继续与深入；其二，是对气动肌腱建模的完善工 作，提出了多种合理的建模方式；其三，主要致力于气动肌腱执行系统的设计及应用 研究。由于气动肌腱的非线性和自身的柔性，对其进行控制相当困难。因此，其工作 的重点与难点在于气动肌腱的位置与输出力控制技术。 1 3 1 仿生学角度 美国华盛顿大学的k l u t e 教授在采用气动肌腱的仿生机械方面做了很多工作。他 设计了一种由气动肌腱驱动的假肢装置，能模拟人的步伐，带动假肢上的关节运动， 从而帮助截瘫患者在行走时减少能量损耗，还设计出了仿人手臂；v a n d e r b i l t 的智能 机器人实验室已经研制的检测机器人r o b o t i c ，其监测器的移动是由气动肌腱来实现 的，该机器人可对桥梁、建筑、船只以及飞机等设备进行检测。 日本的y o k o h a m a 国立大学研制开发了一种采用f m a 人工肌肉的柔性机械手。按 其手指的数量可分为四指柔性机械手和五指柔性机械手两类。四指柔性机械手能实现 正、逆时针旋转动作；五指柔性机械手比较灵巧，可以握持轻巧易碎的物品。 b r i d g e s t o n e 公司于8 0 年代开始研究并生产m c k i b b e n 型p r a ，并研制具有充分自由 度和柔性的机械臂( s o f ta r m ) ，将它们成功地应用于喷涂机器人和护理机器人。 英国s a l f o r d 大学的d a r w i nc a l d w e l l r 8 】，f 9 】等应用气动肌腱研制下一代的机器人系 统。他们采用1 8 根气动肌腱设计了四手指机械柔性手：机械柔性手拇指具有3 个自 由度，其他3 个手指具有2 个独立自由度和1 个关联自由度，可以实现并拢和手指弯 曲动作。此外，基于重量、输出的考虑，c a l d w e l l 1 0 】还在机器人手臂的设计中采用气 动肌腱作为肘关节和腕关节的驱动装置，并指出气动肌腱本身的柔性对于该系统来说 序言绿色化气动执行元件气动肌腱及其应用研究 并不是缺点，而是能更好地模拟生物手臂的特性。 法国i n s a ( i n s t i t u tn a t i o n a ld e ss c i e n c ea p p l i q u e s ) 大学的b e r t r a n dt o n d u 等研究 了m c k i b b e n 型p r a 的静、动态特性，并用m c k i b b e n 型p r a 构成一个二自由度的机 器人手臂系统。 1 3 2 建模角度 美国w a s h i n g t o n 大学的c h i n gp i n gc h o u ，b l a k eh a r m a f o r d 等人详细地研究了 m c k i b b e n 型p r a 的静态特性，他们基于能量守恒定律推导了气动肌腱的静态模型， 并选用不同系列的气动肌腱进行静态特性的测试，发现了气动肌腱的非线性及迟滞特 性，给出了简化的静态模型。他们还对m c k i b b e n 型p r a 的疲劳特性进行了建模、仿 真与实验研究，指出自然橡胶基的p m a 比人工硅橡胶基的p m a 的寿命长2 5 倍。 日本对于p r a 的研究非常韵活跃。日本大阪大学的真锅哲也【l l 】，【挖1 等将m c k i b b e n 型p r a 系统模型化，然后在此基础上进行学习控制。其模型为四阶线性系统，伺服 阀的输出压力与输入电流为一阶系统，p r a 的收缩与其内压的关系为一阶系统，关 节角度的输出与p m a 的收缩的关系为二阶系统，模型的测定采用频率响应法。同时， 他们进行了位置物理变化和速度轨迹的试验，经过约2 0 步的学习后，位置误差可小 于士0 3 m m ；t o s h i b a 公司最早开发了三自由度p r a ，铃森康一【1 3 】等详细地研究了三 自由度p r a 的静动态模型和控制方法，并提出了三自由度p r a 广泛的应用前景。 在我国，t s a g a r a k i s 等h 】和刘荣等【 3 提出了一些新的气动肌腱分析建模方法，研 究了气动肌腱驱动特性，考虑橡胶弹性力和摩擦力的影响，对原有模型进行了完善。 隋立明 i6 】等人也对气动肌腱进行了改进模型研究。气动肌腱作为一种气动执行元件， 还很少有人用流体力学和热力学理论对它建立动态的数学模型。杨铜、李宝仁、刘军 在此方面做了一些工作，得出了其动态数学模型【1 7 1 。陶国良、王宣银、杨华勇研 究了气动肌腱伺服平台的建摸问题。 我国也对气动肌腱进行数学拟合，用拟合得到的模型来代替理想模型进行研究。 绿色化气动执行元件一气动肌腱及其应用研究 序言 1 3 3 控制技术角度 从现有文献来看，前人对气动肌腱动作实现方法研究较多，近年来，国外的研究 人员在气动肌腱控制方面做了大量工作，这是由于气动肌腱的特性参数的非线性，精 确的数学模型难以建立造成的。现有的控制方法多种多样： 1 3 3 1 反馈，前馈控制 美国的r e p p e r g e r 【1 9 肄设计了增益调节非线性反馈控制器对单根气动肌腱和弹簧 组成的系统进行控制。 英国的c a l d w e u 等 2 0 在这方面做了大量工作，设计了带前馈参量的离散p i d 控 制器对一组对抗性气动肌腱驱动关节进行控制，通过反复试验调整控制器来获得超调 量小的合适的闭环带宽。但是由于气源压力的波动、管道长度、温度变化以及气动肌 腱本身的特性的影响，使得控制效果对前馈参量的变化非常敏感。 日本冈山大学的剐次俊郎【2 1 1 等研究了m c k i b b e n 型p r a 的控制特性。其控制方法 基于p r a 动力学特性已知的情况下采用经典的反馈控制，并采用前馈补偿，使得系 统的输出跟踪性能得到提高；东京大学的吉本坚一【2 2 肄研究了m c k i b b e n 型p r a 机械 手的柔顺控制。把p r a 系统当作线性系统处理，采用反馈控制、前馈控制、自校正 控制等方法，提高系统的响应特性和控制精度。 1 3 3 2 自适应控制 为了克服参数变化的影响，文献 2 3 】采用非线性极点配置自适应控制方法，在每 次采样中断时，根据采样数据利用参数估计算法进行控制器的参数计算，并根据控制 器参数计算的结果，修改控制器的参数，再通过控制器输出控制信号对被控对象施加 控制，以达到消除被控对象参数变化对系统性能的影响。 日本s a l f o r d 大学的d a r w i nc a l d w e l 等对m c k i b b e n 型p r a 系统的特性进行了分 析，指出m c l d b b e n 型p r a 系统存在非线性、时变、时滞等特性，并采用极点配置自 适应控制律，可以较方便地实现控制精度小于1 。的目标。 7 序言 绿色化气动执行元件气动肌腱及其应用研究 1 3 3 3 神经网络控制 h e s s e l r o t h 等2 4 1 使用神经网络系统控制气动肌腱，通过训练之后，可达到较好的 跟踪性能；s h a d o w 公司的r i c h a r dg r e e n h i l l 等应用m c k i b b e n 型p r a 作了多项具有 经济价值的工程应用，并采用了神经网络控制、模糊控制、自适应控制等智能控制方 法实现了对p r a 的控制。 1 3 3 4 其他控制方法 c a i t 2 5 1 等人使用滑模控制理论设计了控制器；此外，韩国s a m s u n g 公司的n o c h e o l p a r k l 2 6 1 等用h 。控制方法对m c k i b b e n 型p r a 构成的二自由度柔性机械臂的力位置 混和控制进行了研究。 对于我国来说，研究者们也正做着不懈的努力。例如，北京航空航天大学的宗光 华最早开始气动肌腱的控制理论研究，应用气动肌腱驱动关节采用变结构系统理论实 现了机械手指夹持力控制。刘荣等还讨论了三自由度p r a 的静力学特性，应用 m c k i b b e n 型p r a 作了五杆并联机构的柔顺控制研究。陶国良、王宣银、杨华勇f 2 - t 进行了三自由度气动比例伺服机械手连续轨迹控制的研究。田社平等2 8 】，【2 明进行了气 动肌腱的静态分析，采用的控制方法主要是极点配置适应预测控制。此外，中国科学 院机器人学开放研究实验室对用m c k i b b e n 型p r a * o 成的柔性机器人的建模与控制的 若干问题进行了研究。上海交通大学对m c k i b b e n 型p m a 的轨迹学习控制开展了研 究。 但是，由于材料及制造工艺的限制，目前我国还无法制造出实用的p r a 。因此， 国内有关气动肌腱的研究与国外还有相当的差距。 1 4 本课题研究的意义和主要内容 1 4 1 课题研究的意义 自1 9 7 8 年改革开放以来，中国经历了快速工业化和经济增长。据专家预测，未 来2 0 年，中国经济还将保持一个较高的增长速度。同时，随着全球化绿色发展的趋 势，学者和政策决策者们的一致意见是，中国必须开创一种新的绿色发展模式，走可 绿色化气动执行元件气动肌腱及其应用研究序言 持续发展的道路。中国能不能迈上一条绿色发展的新道路，不仅对中国本身的发展至 关重要，而且对世界未来发展的影响也都是十分深远的。 绿色设计与传统设计不同，要求在设计产品时必须按环境保护的指标选用合理的 原材料、结构和工艺；在制造和使用过程中降低能耗，不产生毒副作用及有利于拆卸 和回收，回收的材料可以用于再生产；对无回收价值的产品进行无害化处理以致不污 染大气、水质等，并保证产生最少的废弃物。而绿色制造是高效、清洁制造方法的开 发及应用，以达到绿色设计目标的要求。这些目标包括提高各种资源的转换效率，减 少所产生的污染物类型以及数量、材料的有效重用等。 由以上的分析可以知道，研究和推行绿色设计以及绿色制造技术，不仅可以减少 污染，保护全球环境，实现生态工业和制造业的可持续发展，而且可以促进绿色产业 的发展，增加我国机电产品的国际竞争力，增强国民环保意识。因此，绿色制造的研 究既有较大的理论研究价值，又有广阔的应用前景，其研究和推广势在必行，应该引 起足够的重视。 由于气动肌腱具有拉伸力大，总长和行程短，结构细小，重量轻，无泄漏等优越 性，是一种新型的绿色化气动执行元件，在近年来已经受到了广泛关注。虽然于2 0 世纪6 0 年代日本就有将气动肌腱应用于二足步行机器人的尝试，但对气动肌腱真正 引起重视并进行系统的研究工作是在2 0 世纪9 0 年代以后。到目前为止，在国内外， 人们对气动肌腱的研究，主要集中于其内部力作用机制的建模计算方面。而对于这种 新型气动执行元件的应用技术领域的创新，则较少涉及；且涉及的大多局限于机器人 领域。 基于此，我们在学习前人关于气动肌腱特性研究的基础上，更着重于气动肌腱在 应用方面的研究。 1 4 2 课题的主要研究内容 本课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 对气动肌腱的结构、基本特性、工作原理和结构参数分析等进行深入研究； ( 2 ) 介绍气动肌腱的理想模型，以确定其内部压力、收缩长度、输出力之间的关 9 序言 绿色化气动执行元件一气动肌腱及其应用研究 系公式； ( 3 ) 建立起较为系统、完整的基本增力机构逻辑分类体系，通过对串联组合增力 机构的逻辑解析，为不同的串联组合增力机构的创新，提供逻辑指导或者具体的思路； ( 4 ) 进行基于气动肌腱的创新机构设计，主要分为：以气动肌腱为驱动的力输出 装置；以气动肌腱代替气缸的气液复合传动装置，并结合工作原理图对以上机构进 行数学建模和力学分析计算； ( 5 ) 对典型机构进行比较、分析和评价，并与目前的以气缸( 液压缸) 为驱动的机 械装置进行优化性比较，突出了气动肌腱的优越性； ( 6 ) 基于现代仿真软件a d a m s ，对典型的创新机构进行初步的系统建模、仿真 分析、样机模型设计等工作。 绿色化气动执行元件一气动肌腱及其应用研究气动肌腱模型 第二章气动肌腱模型 2 1 气动肌腱的结构及工作原理 气动肌腱不是一根普通的橡胶管，而是一个能量转换装置。如同人类的肌肉那样 能产生很强的收缩力，它以崭新的设计构思突破了气动驱动器做功必须由气体介质 ( 流体) 推动活塞这一传统概念。与传统的气缸相比，气缸具有活塞( 或叶片) 、活塞杆、 密封圈、缸筒、端盖等零部件；但气动肌腱却简单得多，它只是由一段包裹着特殊纤 维栅格网的橡胶织物管和两段接头连接而组成，特殊材质纤维栅格网预先嵌入在能承 受高负载、高吸收能力的橡胶材料中。气动肌腱没有任何像气缸活塞运动那样所产生 的摩擦运动，然而，当管内通入压缩空气后，气动肌腱却能产生相当于同缸径气缸数 倍的拉伸力，其结构示意图如图2 - i 所示 3 0 】。 1 联结头2 联接套3 纤维网4 橡胶管5 联接头6 气管连接嘴 图2 - i 气动肌腱的机构示意图 气动肌腱的工作原理也十分简单。当气动肌腱内通入压缩空气后，橡胶管在气压 力作用下开始变形，并膨胀出来，使栅格中的纤维网格夹角变大，在长度方向收缩， 气动肌腱便产生拉伸力。当气压力被释放后，弹性的橡胶材料迫使特殊纤维格栅回复 到原来位置。其工作原理如图2 - 2 所示【3 0 1 。 图2 - 2 气动肌腱的工作原理图 ( a ) 自由状态；( b ) 收缩状态 气动肌腱模型绿色化气动执行元件气动肌腱及其应用研究 m c k i b b e n 肌肉是目前使用最广泛的一种气动肌腱1 3 ”，现有公开发表的文献中关 于它的介绍也最多。它是筒状编织结构，内部的气密弹性管两端部和编织套的两端部 一起与两端的连接附件相连，两端的附件的功能不仅用于传力，而且也起密封作用。 m c k i b b c n 肌肉采用的典型材料是橡胶和尼龙纤维。最大容积时编织角达到最大， 只。= 5 4 7 。要想继续增大编织角，只能对肌肉两端在轴向进行压缩，但肌肉的抗弯 能力很差，是不稳定的，所以，气动肌腱只能承受拉力载荷，不能承受压力载荷。当 肌肉被拉伸时，编织角将达到一个最小值先。 编织套 连 密弹性管 q i 自由状态 q l 收缩状态 圈2 - 3m c k i b b v a 肌肉的结构及工作状态图 m c k i b b e a 肌肉的功率重量比很高。1 9 9 3 年c a l d w e l l 等人的研究结果为：范围 从压力在2 0 0 k p a 时的1 5 k w k g n 压力为4 0 0 k p a 时群 3 k w k g ：1 9 9 5 年h a n n a f o r d 等 人的研究为5 k w k g ：1 9 9 0 年h a n n a f o r d a n 和w i n t e r s 研究甚至达到了1 0 k w k g 。 当其内部送入压缩空气，随着内部压力上升，橡胶管沿径向膨胀，再通过纤维的 传力作用变径向膨胀力为沿轴向的收缩力。当肌肉处于有压状态时( k 厶s 1 ) ， m c k i b b e - a 型气动肌腱与生物肌肉模型的力一长度特性比较相似。但当k k 。 1 时， 特性则完全不同。也就是说，在无压状态下输出力为零，无承载能力。 如果从其力速度特性上来看，m c k i b b e n 型气动肌腱只有很小的自然阻尼，其输 出力显然为长度的函数，但随速度变化很小。与生物肌肉模型相比，显然也具有不同 的力速度特性。 2 2 气动肌腱的基本特性 ( 1 ) 气动肌腱相当于一个单作用驱动执行元件，其拉伸力是同样直径的普通单作 1 2 绿色化气动执行元件气动肌腱及其应用研究气动肌腱模型 用气缸的数倍，而重量仅为普通单作用气缸的几分之一： ( 2 ) 与能产生相等力的气缸相比，它的耗气量仅为普通气缸4 0 ： ( 3 ) 抗污、抗尘、抗沙能力强； ( 4 ) 携带方便，是世界上唯一能被卷折起来随身携带的气动驱动器； ( 5 ) 能根据用户要求，用剪刀随时度量其长度制作成所需的气动驱动器； ( 6 ) 工作时动态特性优越，当工作行程临近终点时无蠕动现象。在低速运动时， 也无爬行、粘沾或者猛冲不稳定现象； ( 7 ) 尽管气动肌腱结构简单，但可根据压力大小用于定位要求( 不是十分精确的 定位) ： ( 8 ) 无运动部件，因此无泄漏现象，清洁优势十分突出，尤其适用于要求在驱动 空气与环境分离的工况条件。 目前，许多科学家已经对气动肌腱的刚度特性吲，驱动特性，f 3 4 j ，驱动关节特 性【3 5 】以及气动肌腱执行系统的动态特性 3 7 】等进行了较为深入的研究。 2 3 气动肌腱的理想静态模型 目前，有两种主要的研究方法研究气动肌腱，一种是基于能量方法，另一种是基 于表面力几何方法，参考文献 3 8 】以能量方法推导出了气动肌腱的理论模型，这里做 简单介绍。 基本假设如下： ( 1 ) 设内部橡胶管壁无限薄，这样橡胶管半径即为编织网半径； ( 2 ) 假设气动肌腱无限长，或者说肌肉在变形过程中是连续的圆柱体变形； ( 3 ) 假设气动肌腱在变形过程中，忽略外部编织网与橡胶管之间，以及纤维自身 之间的摩擦； ( 4 ) 假设气动肌腱的编织网在肌肉收缩过程中无伸长； ( 5 ) 假设气动肌腱在形变过程中，忽略橡胶管自身的弹性。 根据虚功原理，c h o u 3 9 1 等人得到的气动肌腱的理论模型公式为： f b 2 ( 3 c o s 2 0 - 1 ) 尸 4 7 r n 。 1 3 ( 2 - 1 ) 气动肌腱模型绿色化气功执行元件气动肌腱及其应用研究 式中：f 一气动肌腱收缩时产生的拉力； b 一单根编制线长度： 口一纤维编织线与气动肌腱轴向之间的夹角； n 一编制线相对于气动肌腱轴向的缠绕圈数； p 一充入橡胶管内的气体压力。 通常对于使用者来说，由于b 值和n 值不便于测量，所以很少用这两个值作为气 动肌腱的基本参数，相反的，便于测量的是其有效长度三，直径d 和编织角口，气动 肌腱的几何示意图如图2 4 所示【1 6 1 。 膀 苫 圈_ 1 硒+ 图2 4 几何示意图 一 由上图可以得到，式中的b 值和以值可以用气动肌腱在自由状态下的初始长度 厶，初始直径d o ，初始半径，初始编织角s o 表示： 皇n = 矗 ) 一= 一 ，7 7 7 、 s m c 。s 9 ：l c _ o s e o( 2 3 ) 将( 2 2 ) ，( 2 - 3 ) 式代入式( 2 - 1 ) 可以得到转换后的模型如式( 2 4 ) 一式( 2 - 6 ) ，式中a 和b 都是常数，占为收缩比。 f = 研a ( 1 - s ) 2 - a o s 占s ( 2 - 4 ) 4 = 麓母巫4 s m 2 8 0 ( 2 _ s ) 占：l o _ - 一r ( 2 。6 ) 占= 门。m 1 4 绿色化气动执行元件气动肌腱及其应用研究 气动肌腱模型 由上述方程可以知道，当占= 0 时，f 取最大值；当f = 0 时，s = 占。 因此 。= p ( 一一b ) = p 三兰薹警当占= o 时 ( 2 7 ) 气“= 1 一厕= 1 一瓦1 而当f - 0 时 ( 2 8 ) 图2 - 5 的曲线是在气动肌腱参数为：初始长度2 0 0 m m ，内部压力为4 b a r 的条件 下，不同的初始编织角的收缩比一力仿真曲线。从该曲线可以看到，初始编织角越小， 其收缩能力越大，产生的力越大。 仿真曲线 z v r 弓| 姆 图2 - 5 初始编织角对气动肌腱特性的影响 关于考虑气动肌腱端部形状( 末端锥度或者弧度) 、橡胶管弹性、橡胶管和编制网 线之间摩擦以及气动肌腱壁厚影响的改进模型，已经有不少文献对其进行了详细讲 解，因为不是本文的重点，这里就不再详细介绍。 2 4 气动肌腱的模型刚度p 2 】 2 4 1 气动肌腱的静态刚度 当充气压力不变的情况下，气动肌腱的静态刚度可以表示为 气动肌腱模型绿色化气动执行元件一气动肌腱及其应用研究 墨= a f a l ( 2 9 ) 一般来说，对于橡胶管弹性影响较小，特性的线性度较好的气动肌腱，其实际静 态刚度可以表示如下一次多项式形式： 墨= a l p + a 0( 2 - 1 0 ) 式中，唧，铂为根据气动肌腱实测特性进行拟合得到的常数。 2 4 2 气动肌腱的动态刚度 气动肌腱在很短的时间受到外力作用而产生位移时，气动肌腱的内部容腔体积发 生变化而引起其内部气体压力的变化，当内部气体来不及和外管路发生相对流动时 ( 相当于气动肌腱容腔被封闭的情况) ，气动肌腱内部气体压力的升高就会引起附加的 回复力。这时，气动肌腱的刚度和静态刚度是不同的，在这种情况下，气动肌腱的刚 度成为动态刚度。 气动肌腱的受力方程可以表示为 f = ( a l p + a o ) ( l k i 。)( 2 - 1 1 ) 式中：工“。气动肌腱充气收缩后的最小长度，相当于气动肌腱弹簧模型的自由初始 长度。 气动肌腱的动态刚度为 k d = a i p + a o + 口。( 三一k h ) 羔 ( 2 1 2 ) j p 其中称k g 为气压刚度，并且： k a = n t v a o ( l k h ) 五1 石d a ( 2 - 1 3 ) 化简可以得到气压刚度为 民= n f 吒( t 寺 群 亿z 砷 式中：p ，气动肌腱充气压力( 绝对压力) 2 一气体过程的多变指数；c 为常数； a 气动肌腱的容腔截面积。 绿色化气动执行元件气动肌腱及其应用研究气动肌腱模型 则气动肌腱的动态刚度可以表示为其静态刚度和气压刚度之和，即 k d = 墨+ 民 ( 2 1 5 ) 本章小结 气动肌腱具有初始力、加速度大，无爬行操作，能进行简单定位和结构密封等优 点，所以已经得到越来越多人的关注和重视。 本章对气动肌腱的工作原理、基本特性以及现在很多研究者已经给出的气动肌腱 模型建立方法进行了简单介绍，关于这一方面的文献已经有不少。 但是到目前为止，人们对气动肌腱的研究还是停留在内部力作用机制的建模计 算、特性分析和控制方法等方面；关于气动肌腱的应用领域，也主要集中在模拟代替 生物肌肉的仿生学机器人、实际工业和医学等领域的应用；而对于这种新型气动执行 元件的应用技术领域的创新设计，则涉及很少。 本章的目的就在于对气动肌腱的工作原理、基本机构和理想模型认识的基础上， 顺利完成以气动肌腱为驱动的力输出装置的创新机构设计和计算机运动学仿真分析 的工作。 常见增力机构及其组合绿色化气动执行元件一气动肌腱及其应用研究 第三章常见增力机构及其组合 增力机构在机械传动，尤其是在液( 气) 压传动中得到广泛的应用，它的设计是完 成整个机器设计的关键之一。通过增力机构的力放大作用，与液( 气) 压传动技术相结 合，可以将输入力进行放大输出，达到提高效率的目的。例如，在输出力以及液( 气) 压缸直径一定的条件下，能显著降低系统压力；而在输出力以及系统压力一定的条件 下，能显著减小液( 气) 压缸的直径。 不同的增力机构，由于结构形式的不同，其力传递效率、自锁程度以及其他技术 性能都存在着一定的差异。目前，机械中较为常用的增力机构主要有基于长度效应、 角度效应、面积效应的增力机构以及其他一些组合增力机构等等。 对于常见的增力机构，我们已经初步建立起了如图3 - 1 所示的逻辑结构图。 图3 - i 增力机构分类图 图3 - 1 所示逻辑分类图，与传统力学及机械论著相比最大的不同之处在于：重新 定义了一类角度效应装置，即斜杆效应装置。我们将目前以形象命名的、依靠杆件的 角度效应来传递力及运动的一类机构，归并后重新定义为斜杆机构，是基于该类机构 绿色化气动执行元件气动肌腱及其应用研究常见增力机构及其组合 的基本工作原理是完全相同的，即至少要依靠一根中心线与输出力方向成一定角度的 杆件，也就是斜杆，来传递力及运动。为避免与传统定义中四杆机构等“杆”的说法 混淆，我们在这里采用“边”的概念。 增力机构的力学性能中，我们比较关注的是系统的增力效益。增力比是指输出力 与输入力之间的比值，是设计夹紧机构的重要指标之一。增力比越大，机构的机械效 益越高。本章中，我们结合相应的增力机构，对其分别进行了增力比的分析和计算。 3 1 一次增力机构 3 1 1 基于长度效应的增力机构 3 , 1 1 1 杠杆机构 杠杆增力机构能够扩大夹紧力或者改变夹紧力的方向。这种机构的结构比较简 单，制造容易，但不能自锁。 该杠杆机构的理论增力系数： ， = ( 3 - 1 ) 1 2 式中：一主动力臂长度； f 一被动力臂长度。 杠杆原理作为一种省力原理，一直贯穿于我们的生活当中，从新石器时代的简单 器具一直贯穿到现在仍然在使用的复杂器具。例如，筷子、剪刀、重量称等等，可以 把杠杆原理的运用简单分为三类4 0 ：最主要一类是省力：另一类是保持平衡，测量物 体重量，典型例子就是天平，秤等；还有一类就是改变力的方向，例如跷跷板等。这 些机构的设计都用了相同的原理，使之达到造物利人的目的。 3 1 1 2 杠杆机构的变形形式 ( 1 ) 齿轮传动 一对齿轮是靠主动轮轮齿一次推动从动轮轮齿而实现运动的传递，两个齿轮的平 均传动比恒等于其齿数的反比，即： 1 9 常见增力机构及其组合绿色化气动执行元件一气动肌腱及其应用研究 t ：旦：z 2 ( 3 - 2 ) 咤z l 式中：0 9 t ，q 一分别为主动轮和从动轮的角速度： 毛，之一分别为主动轮和从动轮的齿数a ( 2 ) 滑轮机构 滑轮机构机构其实也是杠杆机构的变形形式，可以分为定滑轮和动滑轮两种。判 定给定机构是动滑轮还是定滑轮，主要是看利用滑轮工作时，滑轮的轴是否随着物体 移动。如果物体移动时，轴并不跟随物体一起移动，则该滑轮为定滑轮；如果轴与物 体一起移动，则该滑轮为动滑轮。 定滑轮不省力。使用定滑轮提升重物时，在定滑轮所在的平面上，无论拉力方向 如何，拉力的大小都一样。因为定滑轮是杠杆类的简单机械，其支点是在定滑轮的轴 上，而拉力的方向都是沿着轮的切线方向，所以拉力大小不变，其增力系数为1 ；但 是，定滑轮可以改变物体的速度以及加速度方向。 使用动滑轮提起重物时，在动滑轮所在的平面上，能够省一半的力。当然这是有 条件的，即必须使拉力的方向始终保持竖直向上，此时其增力系数为1 2 ，否则结论 是不成立的。因为当拉力不是竖直向上时，此时的动力臂一定小于滑轮直径，而阻力 和阻力臂都没有改变，由杠杆原理可知，拉力必然要大于阻力的一半；在省力的同时， 动滑轮不能改变力的方向。 3 1 2