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氣動人工肌肉特性的約束影響的實驗研究 臧哈，馬艷 機電工程學院 東北林業(yè)大學 哈爾濱，中國 kjzang@163.com 孫寧，李秀晨，張?zhí)m 機械工程學院 佳木斯大學 佳木斯，中國 摘要氣動人工肌肉（PAM）是一種新的氣動執(zhí)行器。大量的工作已經(jīng)完成了的原則，理論，實驗建模及應用氣動人工肌肉。研究人員發(fā)現(xiàn)，PAMS具有非線性特性。對發(fā)布的基地非線性特性的相關文獻，彈性，摩擦橡膠和編織和約束環(huán)之間。前者兩個方面已發(fā)表的論文主要研究。然而，研究局限于端氣動人工肌肉仍然是罕見的影響。本研究建立的PAM的靜態(tài)特性實驗系統(tǒng)，和PAM多約束特性進行了測試。通過對實驗結(jié)果的分析，得出了影響約束的工作氣動人工肌肉的工作特征。 關鍵詞氣動人工肌肉（PAM），約束，靜態(tài)特性，實驗研究 引言 氣動人工肌肉是一種新型的氣有清潔，重量輕的致動器，低成本，維修方便，結(jié)構緊湊，高功率/體積比。出于這個原因，它們被廣泛關注通過理論研究和工應用。氣動肌肉的發(fā)明在20世紀50年代以提供驅(qū)動程序假肢和康復機械。然而對于實際問題，如氣動功率存儲，當時的可用性和質(zhì)量差的閥門技術，氣動人肌肉沒有得到開發(fā)和應用。在1988年，日本式的工程師提出了制造普利司通更大的版本重新設計的氣動人工肌肉稱為人工肌肉為了使機動化雖然軟而強大的器人手臂。他們被稱為軟武器和進行商業(yè)化的服務它也被研究了機器人。人工肌肉，這是簡單的設計，是由橡膠內(nèi)胎覆蓋與外殼編織根據(jù)螺旋編織。肌肉由兩端封閉一個是空氣的輸入和其他正力附著點。編織纖維由螺旋關于肌肉長軸的角度稱為交織角。當壓力被提供，內(nèi)管改造，連同徑向運動驅(qū)動集織造，交織角的增大軸向編織套管短路它拉的負載端和filamentsproduced張力同時集織造，那么緊張和內(nèi)部壓力平衡。由于PAM的工作類似動物肌肉的特性，它被稱為氣動執(zhí)行機構氣動人工肌肉[ 1 ] [ 2 ]。氣動人工肌肉是一種新型的氣動執(zhí)行器。很多工作了完成了原理，理論，實驗與氣動人工肌肉應用建模。研究人員發(fā)現(xiàn)，PAMS展非線性特征。在文獻[ 3 ] [ 4 ]的基礎，非線性相關的彈性特性，與橡膠的摩擦編織和結(jié)束約束。前兩個方面在已發(fā)表的論文主要研究。然而，研究在對氣動端約的影響人工肌肉仍然是罕見的。本研究建立的PAM靜態(tài)特性實驗系統(tǒng)，和PAM多約束特性進行了測試。通過對實驗結(jié)果的分析，影響氣動人工肌肉的工作條件得到的特征。 實驗氣動系統(tǒng) A.實驗裝置 這個氣動實驗系統(tǒng)􃧕設為了研究壓力的關系，收縮力與不同的約束系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)包含下表中顯示的元素。 表1-1 組件名稱 成分類型 組件技術數(shù)據(jù) 空氣源 福馬莫尼塔 功率：11kW 最大壓力：0.8MPa 儲氣罐：2L 電磁閥 FESTO-R107 電源電壓：DC24V 壓力傳感器 SMC PSE540AR06 電源電壓：直流12 ~24V 調(diào)壓范圍：0-1mpa 精度：± 0.5% 負荷傳感器 CZL-3 電源電壓：直流12 ~ 24V 負荷范圍：0-50kg 精度：±0.3 脈幅調(diào)制 國產(chǎn)的 初始長度：176mm 初始直徑8mm 調(diào)壓范圍：為0-0.3MPa 步進電動機 86BYGH450B- 113 步距角精度：2% 步進角：1.8度 最大扭矩:6.7Nm 導螺 SFU1605 公稱直徑16mm 鉛：5mm 額定載荷：7.65kn 位移傳感器 KTC 500 lin: ± 0.058 R: 5.3K􀂡 電腦 LEGEND 1+1 處理器：Pentium III 450 256M內(nèi)存 數(shù)據(jù)收集器 WS-USB 分辨率：8 精度：0.003% FS: 1LSB 驅(qū)動器 CW250AC 電源電壓：DC12 ~ 24V 經(jīng)營方式：1/5,1/10,1/25,1/40,1/50,1/100,1/200 脈沖發(fā)生器 MPTG 電源電壓：100 ~250V 輸出頻率：6—9999hz 重量 國家成分標準 2Kg 減壓閥 IR2020-02G-R 記者：最大支持下 新聞：0.01-0.8mpa 圖1 氣動實驗系統(tǒng) 進料設備四部分組成步電機，脈沖發(fā)生器，驅(qū)動程序和指南。脈沖發(fā)生器的輸出脈沖步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機向前或落后的。該脈沖發(fā)生器可在1 /499測量。步進電機轉(zhuǎn)動一圈的200個步驟。螺桿的鉛5mm \ / R定位誤 （5e-6mm \ / R）。直直線導軌的實驗系統(tǒng)采用，以良好的精度和穩(wěn)定性。 圖1顯示了一個普通的氣動實驗系統(tǒng)。計算機控制的電磁閥可以輸出預定的氣體壓力。當壓縮氣體進入帕姆，合同，并產(chǎn)生一個拉力。氣源通常是一個壓縮機。顯然，試驗應包括一個電磁閥和PAM。首先我們討論了電磁閥門。這是個計算機控制系統(tǒng)輸出預定的氣體壓力在一定的領域，成比例的電壓作為一個電閥的輸入，其數(shù)量可由計算機控制。 氣動實驗系統(tǒng)由一個壓力傳感器，力傳感器和位移傳感器。壓力傳感器測量輸出氣體壓力，負荷傳感器測量的輸出負載，養(yǎng)活這些回控制電路。從氣體的出壓力的大小壓縮機應大于最大氣體壓力從電磁閥的輸出。 B.肌肉 人工肌肉由內(nèi)橡膠管通過天然橡膠膠乳硫化過程使用如圖2所示。為了減少的影響橡膠彈性，實驗中使用的橡膠很薄。外殼是編織套管（見圖2）。 圖2 橡膠管、編織套管 人造肌肉的組件，如圖3所示，一邊是進氣口，另一端是封閉端。在這個實中，四種類型的約束的數(shù)目環(huán)（0，1，2，4）已經(jīng)過測試。 圖3 約束環(huán)氣動人工肌肉 三、isometric-load實驗 實驗裝置如圖4所示。PAM 5的一端安裝緊固到金屬框架。的另一端肌肉是由不同的負載暫停它的鋼絲繩綁。位移傳感器8固定在金屬框架；滑桿連接到的肌肉活動結(jié)束，所以一個精確的測量了。從位置數(shù)據(jù)位移傳感器發(fā)送到PC通過A / D轉(zhuǎn)換器。為肌肉提供動力，空氣壓縮機1可壓縮空氣供應0.8MPa。計算控制電磁閥2輸出預定的氣體壓力。在這個測試，重量4kg和7公斤。壓縮氣進入肌肉，PAM合同重量的同時能夠保持恒拉力。實時數(shù)據(jù)通過傳感器登錄到PC。實驗重復了好幾次在不同的約束。然后我們可以統(tǒng)計分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)收縮之間的比和不同負荷的肌肉壓力. 圖4 等長負荷實驗系統(tǒng)原理框圖 肌肉的長度是由位移傳感器測量L0是初始長度，L是實時的長度，然收縮 比ε計 (1) 圖5顯示了收縮比的關系壓力。從這個圖中，我們可以得出這樣的結(jié)論：實驗曲線的滯回曲線，這是因為一個當PAM工作在摩擦力的方向變化試驗期。在低壓力，實驗曲線顯示在高壓力比更滯后。這種現(xiàn)象被稱為內(nèi)摩擦系數(shù)PAM和充壓 圖5 壓力隨收縮比 為了突出因素的影響，約束環(huán)的直徑略大于PAM初始直徑。當收縮率達到一定值時，該約束環(huán)開始工作在PAM。當約束環(huán)不工作，實驗曲線的疊加；當約束環(huán)在工作，收縮顯然，小當增加約束環(huán)的同樣的壓力。約束減少PAM收能力. 四、等軸壓試驗 等距壓力的實驗研究收縮比和力量之間在一定的常數(shù)壓力。PAM 5一端緊密安裝金屬通過負荷傳感器4幀。肌肉的另一端附在滑板沿直線導軌滑動，和滑動板采用絲杠7步進電機控制的6，這些傳輸組件能夠同時獲得較高的控制精度和工作效率。在這下。然后通過電機改變長度上述相應壓力下的肌肉。拉力和位移傳感器的數(shù)據(jù)4,6發(fā)送到PC。實驗重復了不同條件下的時代。我們可以進行不同的約束等距壓力試驗在不同的壓力. 圖6 原理框圖，等長收縮壓試驗系統(tǒng) 圖7顯示收縮率之間的關系力。PAM的輸出力是收縮率相關，的收縮比越大，輸出力大的。作為如上所述，PAM等距壓力曲線是一個滯回曲線由于摩擦的影響。隨著約束的數(shù)目增加，存在明顯的滯后現(xiàn)象，實驗曲線下降的一個整體而言，線性度變差，但趨勢不的變化，這清地表明，限制顯著PAM的靜態(tài)特性的影響. 圖7 收縮比與力 五、isometric-length實驗 實驗裝置如圖8所示。PAM 5一端固定在機架。肌肉的另一端連接有滑板滑板沿直線導軌具有相同的結(jié)構等長收縮壓試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由一個滑板，絲杠7、步進電機6自鎖裝置，用來精確地改變肌肉的長度。計算機控制的電磁閥2會使氣經(jīng)常變化的壓力。當壓縮氣體進入肌肉，拉力生產(chǎn)和工作負載傳感器4。負載獲得的數(shù)據(jù)從傳感器發(fā)送回來到PC通過A/D轉(zhuǎn)換器。絲杠是造成通過步進電機的旋轉(zhuǎn)來改變長度的方法肌。實驗重復了好幾次使用不同的限制（0，1，2,4）。 圖9顯示的壓力和力的關系。的結(jié)果是在范圍內(nèi)的致動器力荷載循環(huán)操作壓力。圖9顯示力減小致動器約束。微小的力量幾乎總是測量在降低試驗壓力相. 圖8 等距長度的實驗系統(tǒng)原理框圖 圖9 壓力與動力 圖還表明，氣動輸出力人工肌肉是通脹壓力成正比。不過，在測試期間，橡膠管、編織套管之間的摩擦很小的滯回性能出現(xiàn)下降。的橡膠的厚度，這是在這個實驗，小。橡膠彈性力小。圖清楚地表明，上述系統(tǒng)對這一點的影響實驗。和血壓之間的線性關系輸出力不改變時，數(shù)量的限制增加。然而，有在他們的斜率的變化。沒有之間的橡膠彈性力和摩擦力的影響橡膠管、編織套管，約束的影響明顯的。 六、比較模型實驗 為了驗證結(jié)果是否是合理的，一個介紹的理論方法，不考慮詳細的幾何結(jié)構修改的工作報告在。利用虛功原理發(fā)現(xiàn)肌肉力方程，必須有一個平衡虛擬工作迪文做肌肉中的壓力和通過對肌肉dwout位移做虛擬的工作[ 11 ]（見圖）。 圖10 這兩個組件交互的虛擬工作原理示意圖 迪文可以用相對壓力計算的幫助P的壓力，攻擊我的表面，正常的向量DSI，產(chǎn)生的力的方向與DLI的工作DV的肌肉體積的變化： 軸向力和軸向位移DL肌肉生產(chǎn)外虛擬工作. 把兩個虛擬工作部件和使用（2）和（3），導出了肌肉力方程。 通過假設的收縮的肌肉表面行為如同一個氣缸，迪文可分為軸向和徑向分量。軸向分量具有相反的的徑向分量的工作方向，參見圖10。的力方程被發(fā)現(xiàn)： 一個PAM被建模為一個圓柱體和壁厚假定為零。該氣缸的尺寸是長度和直徑D = 2R。假設inextensibility的網(wǎng)狀材料，系統(tǒng)的幾何常數(shù)是螺紋長度B和匝數(shù)為一個線程N。用于此配方的最終尺寸的交織角θ，即螺紋和長之間的夾氣缸軸線的。交織角變化為致動器的長度變化。這些之間的關系參數(shù)是在圖11所示[ 13 ]。 與圖11肌肉之間相關的幫助半徑R，肌肉的長度L和交織角θ制定 由于這樣的事實，即纖維的長度是恒定的一個發(fā)現(xiàn) l0是初始長度，r0的初始半徑，θ0是最初的交織角。這用于計算R和L之間的相關性： 圖11 PAM的幾何模型 通過使用（6），（7）和（8），該力計算 力F的相關性，壓力P和收縮ε=（L0?L）/L0由于直徑D0直測D0 = 2r0。 本節(jié)中介紹的配方如下工作周、漢建模PAM [ 2 ]。其次，這些方程將得到進一步的關系力，壓力，長度。這些關系將得到證實美好的經(jīng)驗數(shù)據(jù)調(diào)整。 圖12 壓力與動力 圖13 收縮比與力 圖14 壓力隨收縮比 本文建立了PAM的靜態(tài)特性研究約束影響的實驗系統(tǒng)。通過利用自制的氣動人工肌肉應用薄的橡膠管在這個實驗中，橡膠的彈性力減少。通過對理論模型的比較與實驗曲線的實驗的可靠性證明了。約束降低PAM的輸出力和收縮的。相對于工作原理，約束下合同的能力和限制PAM的通貨膨脹。不過，結(jié)果的理論公式推導出到目前為止還沒有，有很多工作要做在未來。確認作者非常感謝支持 黑龍江省教育廳科學技術項目（11531372）和佳木斯大學科學技術項目（lz2011-015）。 【1】臧可敬，古之道”，國梁，氣動研究與展望人工肌肉”，機床與液壓，2004（4）pp.4-7。 [ 2 ]周C P，hannafonl B，“靜態(tài)特征和動態(tài)Mckibben氣動人工肌肉”，在IEEE會議機器人與自動化[C]。圣迭戈，美國：1994 264-269。 【3】田sheping，林聯(lián)明，“人工肌肉靜態(tài)特性與測量”，實際測量技術，1998（6）pp.12—14。 【4】黃宇，彭光正，范偉，”的實驗研究氣動人工肌肉驅(qū)動特性，中國”液壓與氣壓傳動，2002（12）pp.9-11。 [ 5 ] sathaporn 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