編織型氣動(dòng)人工肌肉工作機(jī)理及設(shè)計(jì)理論研究.pdf

1、編織型氣動(dòng)人工肌肉是氣動(dòng)人工肌肉的基本型和核心型，其基本特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能特性優(yōu)良。但是，編織型氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)人工肌肉在工作過程中始終保持理想圓柱狀態(tài)，而實(shí)際上，編織型氣動(dòng)人工肌肉兩端受到端蓋

2、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(dòng)人工肌肉幾何形狀的表達(dá)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(dòng)人工肌肉為對(duì)象進(jìn)行了工作機(jī)理研究、理論建模研究以及設(shè)計(jì)研究。
　　從編織型氣動(dòng)人工肌肉的功能實(shí)現(xiàn)和構(gòu)成其關(guān)鍵部件的材料特性兩個(gè)方面對(duì)編織型氣動(dòng)人工肌肉的工作機(jī)理進(jìn)行研究。一方面，編織型氣動(dòng)人工肌肉實(shí)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

3、腔變化，從而產(chǎn)生位移效應(yīng);位移變化的范圍受氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)人工肌肉的柔性材料的特性。編織網(wǎng)對(duì)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(huì)產(chǎn)生“機(jī)構(gòu)式”的變形，同時(shí)，編織型氣動(dòng)人工肌肉的每個(gè)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(dòng)人工肌肉工作機(jī)理得到了理論上的表達(dá)。<

4、br>　　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(duì)編織型氣動(dòng)人工肌肉端部進(jìn)行了理論建模研究。編織纖維絲在編織型氣動(dòng)人工肌肉端部應(yīng)為測(cè)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(dòng)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(diǎn)（拐點(diǎn)），此部分由理論分析得到;另一部分為拐點(diǎn)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

5、狀更接近精確解。同時(shí)，本文推導(dǎo)的編織角公式可以證明約束對(duì)編織型氣動(dòng)人工肌肉幾何變形的影響作用。
　　從設(shè)計(jì)的角度給出了編織型氣動(dòng)人工肌肉的各結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)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(dòng)人工肌肉工作范圍的重要參數(shù)——編織角，建立其計(jì)算公式，確定了編織角極值。給出了橡膠彈性和厚度對(duì)編織型氣動(dòng)人工肌肉工作特性的影響公式，研究了纖維絲間的摩擦對(duì)編織型氣動(dòng)人工肌肉工作特性的影響，給出了摩擦力的計(jì)算公式。
　

6、　利用ABAQUS軟件從編織型氣動(dòng)人工肌肉結(jié)構(gòu)出發(fā)對(duì)編織型氣動(dòng)人工肌肉進(jìn)行了幾何建模，通過分析計(jì)算得到了編織型氣動(dòng)人工肌肉的輸出力、充氣壓力和長(zhǎng)度之間的關(guān)系。同時(shí)，提取了編織型氣動(dòng)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(duì)編織型氣動(dòng)人工肌肉工作特性的影響。
　　設(shè)計(jì)制造編織型氣動(dòng)人工肌肉實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過編織型氣動(dòng)人工肌肉的靜態(tài)工作特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圓柱理想模型及有限元分析的對(duì)比，有