编织型气动人工肌肉几何特性研究

编织型气动人工肌肉几何特性研究 2010年1月 第38卷第1期 机床与液压 MACHINETOOL&HYDRAULICS Jan.2010 Vo1.38No.1 DOI:10.3969/j.issn.1001—3881.2010.01.008 编织型气动人工肌肉几何特性研究 臧克江,郭艳玲,马岩,高明 (1.东北林业大学,黑龙江哈尔滨150040;2.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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 .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+.32文献标识码:A,文章编号:1001—3881(2010)1—024—4 StudyofGeometryCharacteristicofBraidedStylePneumaticArtificalMuscle ZANGKejiang,GUOYanling',MAYan,GAOMing (1.NortheastForestryUniversity,HerbinHeilongjiang150040,China; 2.JiamusiUniversity,JiamusiHeilongjiang154007,China) Abstract:Theworkingmechanismofbraidedstylepneumaticartificalmusclewasstudiedwi thMckibbenpneumaticartificalmus— cleactuatorasacase.Thegeometricalmodelofbraidedstylepneumaticartificalmuscleactua torWasbuiltbyconsideringtheendra- dialconstraintandanalyzedbynumericalmethod.Bycomparingwiththeidealcylindermode l,resultshowsthatthismodelCanexact- lydescribetheworkcharacteristicsofpneumaticartificalmuscleactuatorintheory. Keywords:Pneumaticartificalmuscleactuator;Theorymodel;Endradialconstraint 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 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 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 现有文献,气动人工肌肉的建模方法有两种:一种是 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达气动人工肌 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. 1McKibben型气动人工肌肉的结构及工作机理 1.1McKibben型气动人工肌肉的结构 ?圜 l--橡胶管 卜编织网 3---法兰 4__密封豳 s一管接螺母 6一隔膜软管 卜盘型弹簧 &--内部圆锥 图1气动人工肌肉结构图 McKibben气动人工肌肉最早由McKibben在2O 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 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 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(E2005-02);黑龙江省教育厅项目 (11531372) 作者简介:臧克江(1965一),男,博士研究生,研究方向为流体传动与控制技术.E— mail:kjzang@163.com. 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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 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. 1.2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,丝与端部结合处只有 轴向自由度;在横断面上,丝上各点的受力状态是相 同的,这给节点的受力分析带来极大的方便.图2表 示了气动人工肌肉轴剖面和横剖面上的丝各点的自由 度,图3表示了气动人工肌肉内部的压力分布情况. 由于气动人工肌肉是由多条正反缠绕在圆柱上的螺旋 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)在圆柱面上是均匀分布的. 图2丝上各点的自由度图3内部的压力分布 2两端约束几何模型建立 气动人工肌肉精确模型建立的关键在于其形状变 化的描述.由于气动人工肌肉的工作机理的原因,除 两端构件为刚性构件外,其他构件都具有柔性或弹 性,因此,从理论分析的角度,在建立理论模型前可 作如下假设:(1)丝只具有柔性,但没有拉伸变化; (2)忽略橡胶管的弹性,但具有柔性,其作用是密 封并将气体的压力均匀传递给丝;(3)忽略丝与丝 间,丝与橡胶管之间的摩擦. 气动人工肌肉几何建模问题,实际是网膜形位求 解问题.从气动人工肌肉结构和工作机理来看,若有 上述的3个假设条件,在变形过程中,可将气动人工 肌肉分为3段,中间为圆柱段,两端过渡段为回转曲 面.圆柱面与回转曲面为光滑过渡曲面,这里假设两 端过渡段曲面为回转椭球面,这样可以保证端部曲面 与中间圆柱面的光滑连接. 气动人工肌肉是在气体压力下膨胀产生轴向位移 的,因此可以断定,在充气状态下,气动人工肌肉件 处于极大值状态,此条件可作为模型求解的重要约束 条件. /</\ \\.?!,/^ 《》羹争.' l\:善l?\ 弹2l盯lln2—一珥一-兀一2d' …… 挫怨四仕 .卜 勺餍列水 图4气动人工肌肉的几何关系图 图4是气动人工肌肉理想圆柱模型和考虑端部约 束模型的几何关系示意图.左侧为理想圆柱模型的几 何关系,右侧为考虑端部约束模型的几何关系.为了 便于说明,使左右两个几何模型的中间圆柱直径相 同.b.为单根丝的长度;b为中间圆柱上丝的长度; b为两端曲面上丝的长度由于两端约束形成的曲 面不可展,右侧的b:用曲线AB和AB表示;z为考 虑端部约束的肌肉长度;z为理想圆柱模型的长度; 由理论分析得Z=Z;Z为中间圆柱的长度;Z为端部 约束曲面的轴向长度;d为中间圆柱直径;为圆柱 部分的编织角;n为丝缠绕的总圈数;n为中间圆柱 上的缠绕圈数;n:为端部约束曲面上的缠绕圈数. 3体积计算 气动人工肌肉初始状态时的几何关系为]: Z0=boc0s0(1) d:bosinao do(2)(z) 式中:lo为气动人工肌肉的初始长度; %为初始状态下的编织角; 为初始状态直径(端部连接件直径); /1,.为纤维丝初始的缠绕圈数. 因为气动人工肌肉在变形过程中不能发生扭转, 所以对相同初始长度和直径的气动人工肌肉来说,无 论是理想圆柱模型还是考虑端部约束的模型,纤维丝 缠绕的总圈数保持不变.由图4可得: no=n=n1+2n2(3) Zl=b】COSOL(4) nl1『d=b1sina(5) ,盯=b,sin(6) 曰? ? 26?机床与液压第38卷 Z=Zl+2Z2(7) d:si(8)nl盯 由于气动人工肌肉的对称结构,在初始状态不变 的条件下,圆柱的直径由编织角决定,而圆柱上丝的 线长与缠绕圈数的比值为一恒定值,即: —==A(比值恒定)(9) rto'ffn1 中间圆柱段的直径也可以表示为: d:—dos— i —not(10)=——一( $1noto 从以上推导来看,当初始条件确定后,圆柱部分 的直径只由对应的编织角决定,也就是说,圆柱部分 的直径与编织角是一一对应的,这一几何关系为后续 的模型建立和解算提供了有利的条件. 气动人工肌肉几何模型问题可以认为是在一定 形状的几何体上稳定缠绕问题,只不过由于气动人 工肌肉在工作时其体积在不断变化而已.前面的三 段组成机构假设已经将气动人工肌肉的形状确定 了,下面要解决的就是气动人工肌肉体积大小和长 短变化的问题.由微分几何知识可以证明,曲面 上最稳线为测地线,圆柱面上的测地线为螺旋 线…,所以,中间圆柱段上丝的缠绕方式为螺旋 线缠绕. 一口为非测地线的编织角a:为测地线的编织角l一纤维丝的实际走向2一溯地线 缠绕纤维丝的走向3,3一气动人工肌肉轴线图5气动人工肌肉端部过渡部分纤维 丝线形的走向 图5为气动人工肌肉收缩后的端部照片,从图片 可以看出,端部曲面上丝的走向与圆柱面上丝的走向 恰恰相反,由文献[8—9]可知,端部曲面上丝缠 绕方式为稳定的非测地线缠绕,其稳定条件为: ricoso/f=c(11) 式中:ri为回转半径; a为r对应的编织角; c为常数(由边界条件或特殊点确定). 设端部过渡部分沿轴向剖面的椭圆曲线方程为: +=1(12) ,," 令a/b=k(o<k<a.),联立式(12)可得: Y=0一k(13) ., 2 端部过渡部分的回转椭球体是由椭圆曲线+ =1绕着半轴b所在的坐标 ? 轴为中心轴旋转而得到的. 曲线如图6所示. 根据前面的假设,过渡 部分的最大半径和中问圆柱 段的半径相等,取.=d/2= ,1"0=d./2,代入椭圆方程 中得到一端过渡区域的长度 为: 图6端部过渡部 分剖面曲线 z:=?d一(14) 气动人工肌肉上的纤维丝总长度为: b0'=b+26:(15) 中间圆柱段体积为: Vl=,rrdZl/4(16) 在端部,由Y=r(),气动人工肌肉其一端部过 渡区域的体积为: r12 . = J1Tr()dx(17) 气动人工肌肉的总体积为: V=Vl+21"2(18) 整理上述式子得: :盯 (譬一2k2x2)dx+ {一(矿硼)(19) 4仿真分析 4.1端部形状分析 由气动人工肌肉工作机理可知,在收缩膨胀过程 中,气动人工肌肉的体积应处于最大极值状态. 由于式(19)结构复杂,求其连续解困难,采 用数值方法进行研究.取Z.=165mm,.=20.,d.= lOmm时,与k的关系如图7所示.从图7的(a), (b)两图可以看出,无论d取何值时,的极值点为 k=1处,即端部过渡曲面为球面.另外,当d由小 向大变化时总体积不断增大,当d达到某一值此处 为23.96mm后,如果d继续增大时总体积又逐渐 减小.从气动人工肌肉工作原理来说这是不可能的, 但体积随直径这一变化过程可以说明,气动人工肌肉 有一个最大直径存在.用同样的方法可以绘制当直径 d.分别取20mm,40mm时的气动人工肌肉体积V-k 曲线,得到的规律也是相同的. 图7中的(C),(d)分别为V-R.k关系曲面图及 等高线图,从等高线图上可以看出,其体积存在 极大值点,切该极值点收敛于k=1处,与上面得到 的结论是一致的. 第1期臧克江等编织型气动人工肌肉几何特性研究?27? 目 2 × 蛙 最4.4 ;E== 最值点4' ,掌 兰3.6,…一I=上j.aO 一 23.96 ? ——— 半径比值^ (a)d~<23.96ram时V-k仿真曲线 (c)V-d-k~真曲线 最大值点 氧,一,,一 笪枣一.d~23.96 J…-d=25.74 I…,d--26.50…一' 3.2———_L————L———J———_J 01234 半径比值k (b)d~>23.96ram时V-k仿真曲线 半径比值k (d)蹦仿真曲线 图7l.=165mm,do:lOmm考虑端部约束模型仿真曲线 图8为有端部约束的气动人工肌肉膨胀后端部纤 维丝的缠绕仿真图,可以看出端部纤维丝走向与图5 是相同的. 图8有端部约束几何模型纤维丝的缠绕 4.2体积与编织角之间的关系 茸 目 × 垃 昌 茸 4 l 蛊 皇 警1 一 0 203O4O5O6O2O30405O 编织角a/(.)编织角a/(.) (a)工o~165mm,D0=10mm(b)Lo=165mm,Do=20ram 时V-a,仿真曲线时V-a仿真曲线 (c)Lo=300mm,Do=10mm 时口仿真曲线 1 茸 昌 一 × 蛙 2030405060 编织角a/(.) (d)L0=500ram,Do=10ram 时口仿真曲线 图9理想圆柱模型和考虑端部约束模型仿真曲线 由图9可以看出,随着编织角的增大,体积先 增大后减小,但对于实际情况来说,当仿真曲线上体 积取得最大值时编织角也取得了最大值.然而对于相 同初始长度不同初始直径的气动人工肌肉来说,随着 编织角的增大理想圆柱模型和端部约束模型仿真曲线 之间相差的距离逐渐变大,说明理想圆柱模型的体积 和端部约束模型的体积相差的值逐渐变大,理想圆柱 模型的最大体积的值比考虑端部约束模型的最大体积 的值大,而且,理想圆柱模型的最大编织角的值比有 端部约束模型的最大编织角的值大:理想圆柱模型模 型的最大编织角为54.7o【,而端部约束模型的最大 编织角略小于54.7.. 4.3端部约束对输出力的影响 根据能量守恒原理,若系统无损耗以及没有能量 存储时,输入所做的功应与输出所做的功相等.假定 气动人工肌肉满足此理想条件,则: dWi=d(20) 设在某一平衡状态下,气动肌肉的内部压力为P 外力为,,给气动人工肌肉一个虚位移,引起气动肌 肉体积的变化,由虚功原理得: 一 FdL=PdV F=一P (21) (22) 分析图10可以知,三组曲线随着收缩比的增大 所能承受的负载逐渐减小,变化的趋势相同.总的来 说,端部约束数学模型仿真曲线与理想圆柱模型仿真 曲线相比,前者更加接近实验曲线. Z R 丑 舞 收绢比F 图108模型仿真曲线与实验曲线 5结论 通过对编织型气动人工肌肉工作机理的研究,建 立了有端部约束的气动人工肌肉体积模型并进行了数 值分析,所建模型与理想圆柱模型的数值计算对比可 得:(1)考虑端部径向约束时,端部过渡曲面为球 面;(2)初始条件相同情况下,考虑端部径向约束 时的体积要比理想圆柱的小,并且,理想圆柱模型时 气动人工肌肉变形后的最大体积发生在编织角为 54.7.处,而考虑端部径向约束时,气动人工肌肉变 形后的最大体积发生在编织角略小于54.7.处,二者 (下转第30页) 燕 ? 30?机床与液压第38卷 斜率变化较大的轮廓和圆弧,例如半圆,尖角, 倒角等,它们的斜率变化大,即该曲线轮廓形状变化 剧烈.大波动曲线的斜率值变化较大,此处的数据采 集应较为密集才能得到完整的轮廓信息,因此,大波 动样条曲线和圆弧的层厚控制算法应取断层厚度对斜 率变化敏感的模型,即采用非线性模型. 厚度自适应控制算法的模型和参数选择如表1所 示. 表1厚度控制模型参数选择 曲线类型模型选择参数区间[D,D]参数区间[Kmm,K…] 3试验结果分析 层厚控制算法是在VisualC++6.0下开发实现, 并使用VTK类库.通过仿真零件的侦测投影图像进 行实验,运用的软件是Unigraphics和西北工业大学 中美CBVCT图像工程中心研发的工业无损检测(IC. TFrameWork)软件系统1.0版. 对一个零件的侦测投影图像进行了处理,处理结 果如图5所示.以此零件为例,若采用等厚度切削, 层削厚度为0.05mm,则总共需切削次数216.06/ 0.05=4321层,需要时间为12h(若每层处理需要 10s);若层厚取0.01mm,则切削次数为21606次, 需要时间为60h.而采用侦测投影图像层厚控制方 法,采用最小厚度为0.01mm,最大厚度为0.4mm. 总共需切削次数为2191次,需要时间为6h.采用了 根据斜率控制层厚的方法,比等厚度切削大大提高了 切削效率,而且测量精度也能达到很高的要求,使得 三维重构较为简单. (a)外轮廓(b)斜率分布(c)层厚分布 图5零件处理结果 4结束语 作者的研究表明:通过侦测投影图像提取内,外 特征轮廓的斜率信息,使零件的断层厚度控制有较为 全面的依据;通过运用不同的断层厚度控制模型来决 定切削层厚度,使测量精度和测量效率得到了较好的 统一.研究成果将极大地提高了层去图像法的运行效 率,为其广泛的工程应用奠定了坚实的基础. 参考文献: 【1】张畅,张祥林,黄树槐.快速造型技术中的反求工程 [J].中国机械工程,1997,8(5):60—62. 【2】周剑.层削三维数字化仪的精度控制原理和实用化研究 [D].西安:西安交通大学,2000. 【3】李根乾.光电检测方法应用于电子工业质量控制的关键 技术研究[D].西安:西安交通大学,1998. 【4】刘振凯,陈剑虹,乔志林,等.一种基于断层测量的反求 工程[J].中国机械工程,2000,11(4):393—397. 【5】毛海鹏.锥束CT关键技术及应用研究[D].西安:西北 工,I大学,2005. (上接第27页) 的差距随气动人工肌肉长径增大而减小;(3)初始 条件相同时,考虑端部径向约束时体积比理想圆柱模 型的体积变化量小,因此,实际输出力特性曲线比理 想圆柱模型的理论曲线低,这是由于端部径向约束使 气动人工肌肉做功能力减小造成的. 参考文献: 【1】臧克江,顾立志,陶国良.气动人工肌肉研究与展望 [J].机床与液压,2004(4):4—7. 【2】YeeN,CoghillG.Modellingofanovelrotarypneumatic muscle[C]//Proc.2002AustraliasianConferenceonRo- boticsandAutomation,Auckland,27—29November2002. 【3】ChouCP,HannafonlB.Staticanddynamiccharacteristics ofMcKibbenpneumatic;artificialmuscles[C]//InIEEE ConferenceonRoboticsandAutomation.SanDiego,USA: 1994:264—269. 【4】ChouCling—ping,HannafordBlack.StaticandDynamiccha- racteristicofMckibbenPneumaticArtificialMusles[C]// Proc.1994IEEERoboticandAutomationConference, 1994:281—286. 【5】隋立明,包钢,王祖温.气动人工肌肉改进模型研究 [J].液压气动与密封,2002(2):1—4. 【6】杨钢,李宝仁,刘军.气动人工肌肉特性分析的新方法 [J].液压与气动,2002(10):22—25. 【7】黄宣国.空间解析几何与微分几何[M].上海:复旦大学 出版社,2003. 【8】冷兴武.纤维缠绕原理[M],济南:山东科技出版社, 2O00. 【9】富宏亚,黄开榜,朱方群,等.非测地线稳定缠绕的边界 条件及稳定方程[J].哈尔滨工业大学,1996(2): 125—127