气动肌腱驱动的杠杆铰杆式二次增力机构

1、气动肌腱驱动的杠杆2铰杆式二次增力机构付春梅T w o 2step F orce Am plifier Using Lever 2toggle MechanismDriven by Pneumatic MuscleFU Chun 2mei(苏州大学机电工程学院, 江苏苏州215021摘要:介绍了一种以气动肌腱为驱动力的杠杆2铰杆式二次增力机构的工作原理, 给出了其力学计算公式。气动肌腱提供一个驱动力, 该装置可获得一个30多倍于该驱动力的输出力。关键词:气动肌腱; 铰杆; 杠杆; 增力机构中图分类号:TH11218文献标识码:B1概述件, 1, 它有很大的初始拉伸力。与液压缸相比重量轻, 惯性

2、小, 抗污、抗尘能力强, 摩擦小, 无相对运动部件, 无易损件, 无泄漏现象, 同时因具有柔性而不会损坏相关部件。并且在收缩运动过程中输出力随之减小, 这就使得它可以在获得较大加速度的同时, 又能平稳地达到目标位置。目前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23。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4。基于这一状况, 我们, 并设计出了气动肌腱与2铰杆式二次增力机构结合的装置。该装置把以前的刚性驱动改为柔性驱动, 并利用长度及角度效应达到力放大的效果; 可应用于需要将气动执行元件的输出力进行放大的场合中, 如机床

3、夹具等。2工作原理以气动肌腱为驱动力的杠杆2铰杆式二次增力机构的工作原理, 如图1所示。该装置主要由气动肌腱1、杠杆2及2、铰杆3及3, 以及力输出件4组成。当收稿日期:2004207228作者简介:付春梅(1980, 女, 山东东阿人, 硕士研究生, 主要从事机械设计及机构动力学的研究。入系统。但油温过高, 又会促使气泡的形成, 当气泡进入系统, 经过变径管路或阀口时, 就会产生振动和噪声。所以应把液压泵进口的油温控制在适当的水平。其次油箱内要保持正常油面, 液压油的体积应为2/3油箱的体积, 吸油管管口安装吸油过滤器或将管口切成45°角, 以防止脏物的吸入, 距油箱底部的距离要大

4、于2倍管径, 以便流油畅通。加油管管口必须浸入油面之下, 以免油液飞溅而混入空气引起噪声和振动。油箱的体积要足够大, 以便气泡在油液再次进入系统之前能完成逸出。对于变流量的液压系统, 如果能设置隔板引导油液在油箱中环流, 并把回油管与吸油管分隔的尽量远, 当泵的流量最大时, 油液能在油箱中逗留23min 就足够了。若能安装冷却水系统, 则油箱的体积可适当减小。4结束语液压系统的振动和噪声不是某一个部位或某一个阀件的单个问题, 而是对液压系统各部件都采取一系列的减振降噪措施后才可能达到, 因此在设计液压系统时一定要全面考虑多部件的有机配合并正确使用, 才能真正达到减振降噪的目的。参考文献:1陈国

5、军1机器设备基础的振动控制分析J.安装,1997. 2盛敬超1液压流体力学M1北京:机械工业出版社,199913宋学义1袖珍液压气动手册M1北京:机械工业出版社,199514王懋瑶1液压系统故障判断与排除方法M1天津:科学技术出版社,1995163液压与气动2005年第1期压缩空气充入气动肌腱内部后, 它就产生相应的双向收缩力。在双向收缩力的作用下, 杠杆2及2的下端同时向内侧运动, 上端则同时向外侧运动。气动肌腱的收缩力, 通过杠杆机构的一次放大后, 传递到铰杆3及3上; 尔后通过铰杆3及3的角度效应又一次把力放大, 传递到力输出件4。最后由力输出件4输出力F o , 并作用于相应工作对象上

6、。当压缩空气撤除后, 气动肌肉恢复到松弛状态。力输出件4在重力或弹簧力(图中未示出 的作用下, 返回到初始位置。从杠杆输出端(力F 1作用处 到力输出件之间的对称型铰杆增力机构, 与铰杆式正交增力离心离合器5的机构是同一类机构。也就是说, 是一个对称型的一次正交增力机构 。图1工作原理图3力学计算通过建立力学模型, 可得图1所示机构的理论力放大系数i t 的计算公式为i t =F i =l 2tan (1其理论输出力F ot 的计算公式为F ot =F i l l 2tan (2考虑摩擦后, 实际力放大系数i p 可由下式计算i p =l 2tan (+(3实际输出力F op 的计算公式为F

7、op =F i l 2tan (+(4式中杠杆的传递效率, 通常取01976铰杆的理论压力角(如图示铰杆两铰接处的当量摩擦角, =arcsinl(l 为铰杆两铰链的中心距, r 为铰链轴的半径, f 为铰链副的摩擦因数 6。4应用举例由公式(3 可以看出, 杠杆2铰杆式二次增力机构具有较为显著的力放大功能。例如, 我们取l 1=120mm , l 2=60mm , =60°, l =120mm , r =10mm , f =011(计算得01955° , 可计算得力放大系数i p =31181。即气动肌腱提供了一个驱动力后, 我们能够在力输出件上得到一个相当于其30多倍的输

8、出力。假定上述参数不变, 选取某型号的气动肌腱为驱动元件, 当气压为015MPa 且在允许工作范围内时, 其产生的最大收缩力为F imax =N , 最小收缩力为F =2201。若取F i , F op 0, 若一装置需要的作用N , 如采用传统的刚性气缸由活塞杆直接输出作用力, 则气缸直径约为250mm 。而图1所示装置中气动肌腱的自由状态直径仅为20mm 。由此可见, 在需要输出力较大且结构尺寸受限制的情况下, 可用柔性气动肌腱与杠杆2铰杆式二次增力机构串连组合, 来代替刚性气缸。5结语传动技术绿色化的发展趋势是不容置疑的。气动肌腱作为一种新型的摩擦力很小的气动执行机构, 无疑较好地适应了这一潮流。例如在某些场合中, 我们可以用柔性气动肌腱与机械增力机构串连组合, 来代替容易产生污染的液压传动技术。我们希望, 基于气动肌腱驱动的杠杆2铰杆式二次增力机构, 能给相关领域的工程技术人员提供一种借鉴或启发, 从而设计出性能更为优异的绿色化装置来。参考文献:1王雄耀1介绍一种气动新产品仿生气动肌肉腱J1液压气动与密封,2002(1 12李宝红, 刘军, 杨钢1气动人工肌肉系统建模与仿真J1机械工程学报,2003(7 13隋立明, 包钢, 王祖温1气动人工肌肉驱动关节特性研究J1液压与气动,2002(3