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2010年1月第38卷第1期 机床与液压
MACHINETOOL&HYDRAULICS Jan12010 Vol138No11
DOI:10.3969/j1issn11001-3881120101011008 编织型气动人工肌肉几何特性研究 臧克江
1,2
,郭艳玲,马岩,高明
112
(11东北林业大学,黑龙江哈尔滨150040;21佳木斯大学,黑龙江佳木斯154007) 摘要:以McKibben型气动人工肌肉为研究对象,对编织型气动人工肌肉工作机理进行了研究,建立了考虑端部有径向约束的气动人工肌肉几何模型,并对所建模型进行数值分析。通过与理想圆柱模型的对比,所建模型从理论上能更精确描述气动人工肌肉的工作特性,这对建立更加精确的气动人工肌肉模型有着重要的意义。 关键词:气动人工肌肉;理论建模;端部径向约束中图分类号:TP211+132 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2010)1-024-4
StudyofGeometryCharacteristicofBraidedStylePneumaticArtificalMuscle ZANGKejiang,GUOYanling,MAYan,GAOMing
(11NortheastForestryUniversity,HerbinHeilongjiang150040,China; 21JiamusiUniversity,JiamusiHeil)
Abstract:Theworkingmechanismofbraidedstylepneumaticartificalmus2cleactuatorasacase.Thegeometricalmodelofbraidedbuiltbyconsideringtheendra2dialconstraintandanalyzedbynuresultshowsthatthismodelcanexact2lydescribetheworkorintheory. Theorymodel;Endradialconstraint 1,2 2
0 前言
气动人工肌肉作为一种新型气动驱动元件引起了国内外学者的关注,并做了大量的研究工作。由于其工作特性类似于动物肌肉,工作介质为压缩空气,其名由此而得。气动人工肌肉不仅可以实现轴向驱[1][2]
动,也可以实现旋转驱动,广泛用于机器人、自动生产线、轻工机械以及人体康复机械等领域。从现有文献看,早期的研究多为气动人工肌肉功能的实现,近些年来多以应用开发研究为主,而关于气动人工肌肉工作机理和建模方面的研究还不是很多。总结现有文献,气动人工肌肉的建模方法有两种:一种是
[3-4]
能量方法,另一种是力平衡方法。McKibben型气动人工肌肉是一种典型的编织型气动人工肌肉,对于这种形式的气动人工肌肉,无论是能量方法还是力平衡方法,其条件皆为理想状态,即气动人工肌肉始终保持理想圆柱状态。但实际的气动人工肌肉两端存在约束,理想圆柱模型并不能精确地表达气动人工肌
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肉的工作特性。尽管一些研究对气动人工肌肉的模型进行了修正,但都是在一些假设条件下推导出来的,并且这些假设条件不是来自于气动人工肌肉工作机理。作者以McKibben型气动人工肌肉为研究对象,从工作机理出发,利用其结构的几何特性,建立考虑
端部有径向约束的气动人工肌肉几何模型,这对更加精确地描述气动人工肌肉的工作性能有着非常重要的意义。
1 McKibben型气动人工肌肉的结构及工作机理111 McKibben
型气动人工肌肉的结构 图1 气动人工肌肉结构图
McKibben气动人工肌肉最早由McKibben在20 世纪50年代后期提出,通常人们称之为McKibben型
气动人工肌肉。McKibben型气动人工肌肉是现在应用较为广泛的一种气动人工肌肉,它采用编织结构,主要由具有气密性的弹性橡管和具有承载能力的编织网构成,编织网的丝由高抗拉强度材料制成,两端设有端盖。端盖为组合件,采用扣押式结构与弹性橡管 收稿日期:2008-09-04
基金项目:黑龙江省自然科学基金项目(E2005202);黑龙江省教育厅项目(11531372) 作者简介:臧克江(1965—),男,博士研究生,研究方向为流体传动与控制技术。E-mail:kjzang@1631com。
第1期臧克江等:编织型气动人工肌肉几何特性研究 ? 25?
和编织网连接,可以保证连接处可靠密封,McKibben
型气动人工肌肉结构如图1所示。端盖也是气动人工肌肉与负载和机架的连接部件,根据常规连接的方式,生产厂家设计了标准的连接构件,用户也可以根据需要自行设计。气动人工肌肉的进气和排气口也设置在端部。 112 工作机理与变形分析
构成编织网的丝与网筒的轴线成一定的角度,并正反向对称缠绕。弹性橡管具有密封作用,它将充入气动人工肌肉气体的压力,均匀地传递给编织网,从而使编织网产生形变,在轴向上发生位移,并承受一定的拉力。
由于构成气动人工肌肉的网丝正反向缠绕编织,在周向和径向是对称结构,若忽略丝与橡胶之间的摩擦力,丝各处断面上的拉力的大小是相同的;若忽略丝的在长度方向的变形,丝上各点的自由度为轴向和径向;由于端部受结构的约束,轴向自由度;在横断面上,同的,。度,图3。线包络而成,螺旋线除缠绕方向相反外,其余几何尺寸都完全相同,因此在初始状态下,正反螺旋线的交点(或称节点)