气动人工肌肉与标准气缸的力特性比较[1]

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1、第38卷第8期上海交通大学学报Vol.38No.82004年8月JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYAug.2004文章编号:100622467(2004)0821346204气动人工肌肉与标准气缸的力特性比较1211施光林,周爱国,钟廷修,吕刚(1.上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030;2.同济大学机械工程学院,上海200092)摘要:为了精确地描述气动人工肌肉的力特性,建立了一个基于弹性力学的新型串联模型,并结合实验评估系统的实验结果对它进行进一步的补偿.气动人工肌肉和气缸在模型和实验数据方面的比较结果表明,气缸模型虽然简单,但爬行现象严重;

2、气动人工肌肉的模型复杂,却无爬行现象,为气动人工肌肉在工业中的应用提供了设计依据.关键词:气动人工肌肉;气缸;力特性中图分类号:TP126文献标识码:AForceCharacteristicofPneumaticArtificialMuscleandItsComparisonwithStandardCylinder··1211SHIGuang2lin,ZHOUAi2guo,ZHONGTing2xiu,LUGang(1.SchoolofMechanicalEng.,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200030,China;2.SchoolofMechanicalEn

3、g.,TongjiUniv.,Shanghai200092)Abstract:Inordertomodelpneumaticartificialmuscle(PAM)'scharacteristicsmoreprecisely,anewse2riesmodelbasedonelastictheorywasbuiltup,thenafurthercompensationwasaddedtotheseriesmodelonthebasisoftheexperimentalresults.Someconclusionswereobtainedthroughcomparisonofthemodela

4、ndexperimentalresultbetweenthepneumaticartificialmuscleandthecylinder,whichprovidesdesignguidesfortheapplicationofthepneumaticartificialmuscleinindustry.Keywords:pneumaticartificialmuscle;cylinder;forcecharacteristic近来,一种新型、适用于工业应用的气动人工肌为由气动人工肌肉驱动的工业应用提供理论和实验肉驱动器被广泛地研究和使用.在辅助康复机器依据,本文对气动人工肌肉的力特性进行理

5、论建模[1]和实验研究人等实际应用的工业产品中都采用了气动人工肌,并通过与等当量标准气缸的力特性比肉作为它们的动力部件.许多科研人员也用气动人较来揭示气动人工肌肉的内在本质.工肌肉作为驱动器设计了一些实验装置,如由3个1气动人工肌肉[2]气动人工肌肉驱动的多自由度平台.气动人工肌肉由纤维编织网和弹性橡胶管组气动人工肌肉的工作原理和普通气缸的工作原成,拉力、长度和气体压力之间的关系是气动人工肌理完全不同,但作为一种气动执行元件,它具有气动肉的力特性的主要特征.为了建立三者之间的关系,驱动器的本质特征,如具有一定的弹簧刚度属性和[3]Chou等在忽略具体的几何结构和橡胶管的弹性滞后特征等.为了深

6、入了解气动人工肌肉的力特性,收稿日期:2003208206作者简介:施光林(19622),男,安徽铜陵市人,副教授,1998年毕业于西安交通大学,获工学博士学位,主要研究方向为液压元件,非线性控制、并联机器人和气动人工肌肉.电话(Tel.):021262932631-17;E2mail:glshi@263.net.第8期施光林,等:气动人工肌肉与标准气缸的力特性比较1347影响的基础上,对纤维编织网这个保守系统采用能量守恒定律建立了一个理论模型:pa22FC=2(3L-b)(1)4PN式中:FC为气动人工肌肉的输出拉力;pa为橡胶管中压缩空气的压力;b为缠绕在橡胶管上纤维的展开长度;N为纤维

7、在橡胶管上的缠绕圈数;L为气动图1气动人工肌肉中橡胶管的轴向纵截面人工肌肉的轴向长度.Fig.1CutawayviewofPAMiinthelongitudedirection显然,Chou模型仅考虑了气动人工肌肉中纤维编织网的力特性,而忽略了橡胶管的弹性和摩擦特在橡胶管的圆周方向上选取横截面,由力平衡[4,5]条件性等因素.为此,Klute和隋立明等将橡胶管的可知:弹性属性考虑到气动人工肌肉的模型FK中来,