【摘要】：編織型氣動人工肌肉是氣動人工肌肉的基本型和核心型,其基本特點是結(jié)構(gòu)簡單、功能特性優(yōu)良。但是,編織型氣動人工肌肉工作過程中受橡膠彈性變形、端蓋的徑向約束、橡膠與編織絲以及編織絲間摩擦等影響,導(dǎo)致精確建模十分困難,在此方面的理論研究還有待完善。編織型氣動人工肌肉理論建模方法有兩種：基于理想狀態(tài)的能量守恒方法和基于理想狀態(tài)的力平衡方法。這兩種方法均假設(shè)編織型氣動人工肌肉在工作過程中始終保持理想圓柱狀態(tài),而實際上,編織型氣動人工肌肉兩端受到端蓋的徑向約束作用,使其在工作過程中的幾何形狀為非理想圓柱,在兩端部為回轉(zhuǎn)曲面,因此,提高編織型氣動人工肌肉幾何形狀的表達精度是建立其更加精確數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵。本文以編織型氣動人工肌肉為對象進行了工作機理研究、理論建模研究以及設(shè)計研究。 從編織型氣動人工肌肉的功能實現(xiàn)和構(gòu)成其關(guān)鍵部件的材料特性兩個方面對編織型氣動人工肌肉的工作機理進行研究。一方面,編織型氣動人工肌肉實現(xiàn)其功能的基本原理是具有可變形的封閉容腔,在壓縮空氣的作用下封閉容腔變化,從而產(chǎn)生位移效應(yīng)；位移變化的范圍受氣動人工肌肉結(jié)構(gòu)的限制,輸出力的大小與壓縮空氣壓力大小和氣動人工肌肉結(jié)構(gòu)有關(guān)。另一方面,以層合理論、復(fù)合材料理論及薄殼理論等為基礎(chǔ),分析了編織型氣動人工肌肉的柔性材料的特性。編織網(wǎng)對柔性件的變形起著決定性的作用,柔性件的平面剛度為零,它在不均衡外力作用下會產(chǎn)生“機構(gòu)式”的變形,同時,編織型氣動人工肌肉的每個穩(wěn)定狀態(tài)下編織網(wǎng)應(yīng)該處于力的均衡狀態(tài),從而編織型氣動人工肌肉工作機理得到了理論上的表達。 利用纏繞理論、復(fù)合材料力學(xué)、薄殼理論以及微分幾何等作為理論基礎(chǔ),對編織型氣動人工肌肉端部進行了理論建模研究。編織纖維絲在編織型氣動人工肌肉端部應(yīng)為測地線纏繞。由于理論上端部曲線曲率發(fā)生了方向的變化,因此本論文建立的編織型氣動人工肌肉端部數(shù)學(xué)模型由兩部分構(gòu)成：一部分是由最大直徑到曲線曲率方向發(fā)生的變化點(拐點),此部分由理論分析得到；另一部分為拐點到端蓋,這一部分用球面替代。盡管本文所建模型不是完全的理論解析,但在理論上使端部形狀更接近精確解。同時,本文推導(dǎo)的編織角公式可以證明約束對編織型氣動人工肌肉幾何變形的影響作用。 從設(shè)計的角度給出了編織型氣動人工肌肉的各結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計計算公式,以及各幾何參數(shù)間的關(guān)系。著重研究了影響編織型氣動人工肌肉工作范圍的重要參數(shù)——編織角,建立其計算公式,確定了編織角極值。給出了橡膠彈性和厚度對編織型氣動人工肌肉工作特性的影響公式,研究了纖維絲間的摩擦對編織型氣動人工肌肉工作特性的影響,給出了摩擦力的計算公式。 利用ABAQUS軟件從編織型氣動人工肌肉結(jié)構(gòu)出發(fā)對編織型氣動人工肌肉進行了幾何建模,通過分析計算得到了編織型氣動人工肌肉的輸出力、充氣壓力和長度之間的關(guān)系。同時,提取了編織型氣動人工肌肉在工作狀態(tài)下的外形尺寸、編織角、體積等幾何參數(shù)。利用此模型模擬分析了約束對編織型氣動人工肌肉工作特性的影響。 設(shè)計制造編織型氣動人工肌肉實驗臺,并進行了實驗研究。通過編織型氣動人工肌肉的靜態(tài)工作特性實驗結(jié)果與圓柱理想模型及有限元分析的對比,有限元分析得到的結(jié)果與實驗結(jié)果更接近,這是由于在有限元分析過程中考慮了橡膠特性和端部約束對編織型氣動人工肌肉輸出特性的影響。同時,開展了約束對編織型氣動人工肌肉輸出特性的影響的研究,從有限元仿真和實驗兩個方面證明了約束使編織型氣動人工肌肉輸出特性降低的結(jié)論。
【學(xué)位授予單位】：東北林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：R318.1

【引證文獻】

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1 王顏;房立金;;機械式仿骨骼肌變剛度機構(gòu)原理及設(shè)計[J];機器人;2015年04期

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1 仲軍;氣動肌肉驅(qū)動的仿青蛙跳躍機器人及其關(guān)鍵技術(shù)的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

2 劉曉敏;基于氣動復(fù)合彈性體柔性關(guān)節(jié)機械手研究[D];吉林大學(xué);2013年

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1 鮑春雷;氣動肌肉碰撞感知及其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角控制[D];中國計量學(xué)院;2015年

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本文編號：2522891