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氣動(dòng)人工肌肉特性的約束影響的實(shí)驗(yàn)研究
臧哈，馬艷 機(jī)電工程學(xué)院 東北林業(yè)大學(xué) 哈爾濱，中國(guó) kjzang@163.com
孫寧，李秀晨，張?zhí)m 機(jī)械工程學(xué)院 佳木斯大學(xué) 佳木斯，中國(guó)
摘要?dú)鈩?dòng)人工肌肉（PAM）是一種新的氣動(dòng)執(zhí)行器。大量的工作已經(jīng)完成了的原則，理論，實(shí)驗(yàn)建模及應(yīng)用氣動(dòng)人工肌肉。研究人員發(fā)現(xiàn)，PAMS具有非線性特性。對(duì)發(fā)布的基地非線性特性的相關(guān)文獻(xiàn)，彈性，摩擦橡膠和編織和約束環(huán)之間。前者兩個(gè)方面已發(fā)表的論文主要研究。然而，研究局限于端氣動(dòng)人工肌肉仍然是罕見(jiàn)的影響。本研究建立的PAM的靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，和PAM多約束特性進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得出了影響約束的工作氣動(dòng)人工肌肉的工作特征。
關(guān)鍵詞氣動(dòng)人工肌肉（PAM），約束，靜態(tài)特性，實(shí)驗(yàn)研究
引言
氣動(dòng)人工肌肉是一種新型的氣有清潔，重量輕的致動(dòng)器，低成本，維修方便，結(jié)構(gòu)緊湊，高功率/體積比。出于這個(gè)原因，它們被廣泛關(guān)注通過(guò)理論研究和工應(yīng)用。氣動(dòng)肌肉的發(fā)明在20世紀(jì)50年代以提供驅(qū)動(dòng)程序假肢和康復(fù)機(jī)械。然而對(duì)于實(shí)際問(wèn)題，如氣動(dòng)功率存儲(chǔ)，當(dāng)時(shí)的可用性和質(zhì)量差的閥門(mén)技術(shù)，氣動(dòng)人肌肉沒(méi)有得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)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(shè)計(jì)的氣動(dòng)人工肌肉稱為人工肌肉為了使機(jī)動(dòng)化雖然軟而強(qiáng)大的器人手臂。他們被稱為軟武器和進(jìn)行商業(yè)化的服務(wù)它也被研究了機(jī)器人。人工肌肉，這是簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，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(gè)是空氣的輸入和其他正力附著點(diǎn)。編織纖維由螺旋關(guān)于肌肉長(zhǎng)軸的角度稱為交織角。當(dāng)壓力被提供，內(nèi)管改造，連同徑向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)集織造，交織角的增大軸向編織套管短路它拉的負(fù)載端和filamentsproduced張力同時(shí)集織造，那么緊張和內(nèi)部壓力平衡。由于PAM的工作類(lèi)似動(dòng)物肌肉的特性，它被稱為氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)人工肌肉[ 1 ] [ 2 ]。氣動(dòng)人工肌肉是一種新型的氣動(dòng)執(zhí)行器。很多工作了完成了原理，理論，實(shí)驗(yàn)與氣動(dòng)人工肌肉應(yīng)用建模。研究人員發(fā)現(xiàn)，PAMS展非線性特征。在文獻(xiàn)[ 3 ] [ 4 ]的基礎(chǔ)，非線性相關(guān)的彈性特性，與橡膠的摩擦編織和結(jié)束約束。前兩個(gè)方面在已發(fā)表的論文主要研究。然而，研究在對(duì)氣動(dòng)端約的影響人工肌肉仍然是罕見(jiàn)的。本研究建立的PAM靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，和PAM多約束特性進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，影響氣動(dòng)人工肌肉的工作條件得到的特征。
實(shí)驗(yàn)氣動(dòng)系統(tǒng)
A.實(shí)驗(yàn)裝置
這個(gè)氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)??設(shè)為了研究壓力的關(guān)系，收縮力與不同的約束系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含下表中顯示的元素。
表1-1
組件名稱
成分類(lèi)型
組件技術(shù)數(shù)據(jù)
空氣源
福馬莫尼塔
功率：11kW
最大壓力：0.8MPa
儲(chǔ)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(fù)荷傳感器
CZL-3
電源電壓：直流12 ~
24V
負(fù)荷范圍：0-50kg
精度：±0.3
脈幅調(diào)制
國(guó)產(chǎn)的
初始長(zhǎng)度：176mm
初始直徑8mm
調(diào)壓范圍：為0-0.3MPa
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
86BYGH450B-
113
步距角精度：2%
步進(jìn)角：1.8度
最大扭矩:6.7Nm
導(dǎo)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(dòng)器
CW250AC
電源電壓：DC12 ~ 24V
經(jīng)營(yíng)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(guó)家成分標(biāo)準(zhǔn)
2Kg
減壓閥
IR2020-02G-R
記者：最大支持下
新聞：0.01-0.8mpa
圖1 氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
進(jìn)料設(shè)備四部分組成步電機(jī)，脈沖發(fā)生器，驅(qū)動(dòng)程序和指南。脈沖發(fā)生器的輸出脈沖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)向前或落后的。該脈沖發(fā)生器可在1 /499測(cè)量。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的200個(gè)步驟。螺桿的鉛5mm \ / R定位誤
（5e-6mm \ / R）。直直線導(dǎo)軌的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用，以良好的精度和穩(wěn)定性。
圖1顯示了一個(gè)普通的氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制的電磁閥可以輸出預(yù)定的氣體壓力。當(dāng)壓縮氣體進(jìn)入帕姆，合同，并產(chǎn)生一個(gè)拉力。氣源通常是一個(gè)壓縮機(jī)。顯然，試驗(yàn)應(yīng)包括一個(gè)電磁閥和PAM。首先我們討論了電磁閥門(mén)。這是個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出預(yù)定的氣體壓力在一定的領(lǐng)域，成比例的電壓作為一個(gè)電閥的輸入，其數(shù)量可由計(jì)算機(jī)控制。
氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由一個(gè)壓力傳感器，力傳感器和位移傳感器。壓力傳感器測(cè)量輸出氣體壓力，負(fù)荷傳感器測(cè)量的輸出負(fù)載，養(yǎng)活這些回控制電路。從氣體的出壓力的大小壓縮機(jī)應(yīng)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(guò)天然橡膠膠乳硫化過(guò)程使用如圖2所示。為了減少的影響橡膠彈性，實(shí)驗(yàn)中使用的橡膠很薄。外殼是編織套管（見(jiàn)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(jìn)氣口，另一端是封閉端。在這個(gè)實(shí)中，四種類(lèi)型的約束的數(shù)目環(huán)（0，1，2，4）已經(jīng)過(guò)測(cè)試。
圖3 約束環(huán)氣動(dòng)人工肌肉
三、isometric-load實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)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(fù)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(dòng)結(jié)束，所以一個(gè)精確的測(cè)量了。從位置數(shù)據(jù)位移傳感器發(fā)送到PC通過(guò)A / D轉(zhuǎn)換器。為肌肉提供動(dòng)力，空氣壓縮機(jī)1可壓縮空氣供應(yīng)0.8MPa。計(jì)算控制電磁閥2輸出預(yù)定的氣體壓力。在這個(gè)測(cè)試，重量4kg和7公斤。壓縮氣進(jìn)入肌肉，PAM合同重量的同時(shí)能夠保持恒拉力。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器登錄到PC。實(shí)驗(yàn)重復(fù)了好幾次在不同的約束。然后我們可以統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)收縮之間的比和不同負(fù)荷的肌肉壓力.
圖4 等長(zhǎng)負(fù)荷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖
肌肉的長(zhǎng)度是由位移傳感器測(cè)量L0是初始長(zhǎng)度，L是實(shí)時(shí)的長(zhǎng)度，然收縮
比ε計(jì)
(1)
圖5顯示了收縮比的關(guān)系壓力。從這個(gè)圖中，我們可以得出這樣的結(jié)論：實(shí)驗(yàn)曲線的滯回曲線，這是因?yàn)橐粋€(gè)當(dāng)PAM工作在摩擦力的方向變化試驗(yàn)期。在低壓力，實(shí)驗(yàn)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(dāng)收縮率達(dá)到一定值時(shí)，該約束環(huán)開(kāi)始工作在PAM。當(dāng)約束環(huán)不工作，實(shí)驗(yàn)曲線的疊加；當(dāng)約束環(huán)在工作，收縮顯然，小當(dāng)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(yàn)
等距壓力的實(shí)驗(yàn)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(guò)負(fù)荷傳感器4幀。肌肉的另一端附在滑板沿直線導(dǎo)軌滑動(dòng)，和滑動(dòng)板采用絲杠7步進(jìn)電機(jī)控制的6，這些傳輸組件能夠同時(shí)獲得較高的控制精度和工作效率。在這下。然后通過(guò)電機(jī)改變長(zhǎng)度上述相應(yīng)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(shí)驗(yàn)重復(fù)了不同條件下的時(shí)代。我們可以進(jìn)行不同的約束等距壓力試驗(yàn)在不同的壓力.
圖6 原理框圖，等長(zhǎng)收縮壓試驗(yàn)系統(tǒng)
圖7顯示收縮率之間的關(guān)系力。PAM的輸出力是收縮率相關(guān)，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(gè)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(shí)驗(yàn)曲線下降的一個(gè)整體而言，線性度變差，但趨勢(shì)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(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。PAM 5一端固定在機(jī)架。肌肉的另一端連接有滑板滑板沿直線導(dǎo)軌具有相同的結(jié)構(gòu)等長(zhǎng)收縮壓試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由一個(gè)滑板，絲杠7、步進(jìn)電機(jī)6自鎖裝置，用來(lái)精確地改變肌肉的長(zhǎng)度。計(jì)算機(jī)控制的電磁閥2會(huì)使氣經(jīng)常變化的壓力。當(dāng)壓縮氣體進(jìn)入肌肉，拉力生產(chǎn)和工作負(fù)載傳感器4。負(fù)載獲得的數(shù)據(jù)從傳感器發(fā)送回來(lái)到PC通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器。絲杠是造成通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)來(lái)改變長(zhǎng)度的方法肌。實(shí)驗(yàn)重復(fù)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(guān)系。的結(jié)果是在范圍內(nèi)的致動(dòng)器力荷載循環(huán)操作壓力。圖9顯示力減小致動(dòng)器約束。微小的力量幾乎總是測(cè)量在降低試驗(yàn)壓力相.
圖8 等距長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖
圖9 壓力與動(dòng)力
圖還表明，氣動(dòng)輸出力人工肌肉是通脹壓力成正比。不過(guò)，在測(cè)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(gè)實(shí)驗(yàn)，小。橡膠彈性力小。圖清楚地表明，上述系統(tǒng)對(duì)這一點(diǎn)的影響實(shí)驗(yàn)。和血壓之間的線性關(guān)系輸出力不改變時(shí)，數(shù)量的限制增加。然而，有在他們的斜率的變化。沒(méi)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(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證結(jié)果是否是合理的，一個(gè)介紹的理論方法，不考慮詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)修改的工作報(bào)告在。利用虛功原理發(fā)現(xiàn)肌肉力方程，必須有一個(gè)平衡虛擬工作迪文做肌肉中的壓力和通過(guò)對(duì)肌肉dwout位移做虛擬的工作[ 11 ]（見(jiàn)圖）。
圖10 這兩個(gè)組件交互的虛擬工作原理示意圖
迪文可以用相對(duì)壓力計(jì)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(gè)虛擬工作部件和使用（2）和（3），導(dǎo)出了肌肉力方程。
通過(guò)假設(shè)的收縮的肌肉表面行為如同一個(gè)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(jiàn)圖10。的力方程被發(fā)現(xiàn)：
一個(gè)PAM被建模為一個(gè)圓柱體和壁厚假定為零。該氣缸的尺寸是長(zhǎng)度和直徑D = 2R。假設(shè)inextensibility的網(wǎng)狀材料，系統(tǒng)的幾何常數(shù)是螺紋長(zhǎng)度B和匝數(shù)為一個(gè)線程N(yùn)。用于此配方的最終尺寸的交織角θ，即螺紋和長(zhǎng)之間的夾氣缸軸線的。交織角變化為致動(dòng)器的長(zhǎng)度變化。這些之間的關(guān)系參數(shù)是在圖11所示[ 13 ]。
與圖11肌肉之間相關(guān)的幫助半徑R，肌肉的長(zhǎng)度L和交織角θ制定
由于這樣的事實(shí)，即纖維的長(zhǎng)度是恒定的一個(gè)發(fā)現(xiàn)
l0是初始長(zhǎng)度，r0的初始半徑，θ0是最初的交織角。這用于計(jì)算R和L之間的相關(guān)性：
圖11 PAM的幾何模型
通過(guò)使用（6），（7）和（8），該力計(jì)算
力F的相關(guān)性，壓力P和收縮ε=（L0?L）/L0由于直徑D0直測(cè)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(jìn)一步的關(guān)系力，壓力，長(zhǎng)度。這些關(guān)系將得到證實(shí)美好的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整。
圖12 壓力與動(dòng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)利用自制的氣動(dòng)人工肌肉應(yīng)用薄的橡膠管在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，橡膠的彈性力減少。通過(guò)對(duì)理論模型的比較與實(shí)驗(yàn)曲線的實(shí)驗(yàn)的可靠性證明了。約束降低PAM的輸出力和收縮的。相對(duì)于工作原理，約束下合同的能力和限制PAM的通貨膨脹。不過(guò)，結(jié)果的理論公式推導(dǎo)出到目前為止還沒(méi)有，有很多工作要做在未來(lái)。確認(rèn)作者非常感謝支持
黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（11531372）和佳木斯大學(xué)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（lz2011-015）。
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