McKibben气动人工肌肉的静态特性及预紧力研究

论文摘要

气动人工肌肉是一种单作用驱动器,作为一种新型的气动执行元件,在国内外已经引起了广泛的研究,有人曾把气动人工肌肉的出现称作“气动技术的一场革命”本文主要以Festo公司生产的Mckibben气动人工肌肉为研究对象,利用弹性力学的物理规律,建立了改进的气动人工肌肉静态数学模型。本文还对气动人工肌肉的预紧力状态下的静态特性进行了探讨,得出了在有恒负载预紧力的状态下,气动人工肌肉的输出力大于无预紧力状态下的输出力。首先,分析了Chou的理想模型和当今在气动人工肌肉的研究领域中普遍采用的理想模型,以及我国在气动人工肌肉静态特性的研究中,建立的比较好的两个静态数学模型(刘军和杨刚的静态数学模型)及其不足之处。并在当今普遍采用的理想模型的基础上,利用弹性力学的物理规律,建立了比较完整的、更符合实际的气动人工肌肉静态特性数学模型。在静态数学模型中,将摩擦力的变化与摩擦力理论统一起来,即将气动人工肌肉摩擦力变化认为是从静摩擦变为滑动摩擦的过程,当静摩擦力达到滑动摩擦力的数值时,静态模型的摩擦力采用滑动摩擦力公式,并讨论了摩擦力变化的临界摩擦曲线。其次,在仿真和实验研究中,充分利用Matlab软件和LabVIEW软件的优点,将影响气动人工肌肉的主要因素——弹性力和摩擦力的大小及其变化趋势用直观的仿真曲线表现出来。并通过仿真与实验的对比分析,验证了笔者所建立静态数学模型的适用性。最后,还对气动人工肌肉的预紧力进行了探讨,通过实验和仿真得出了气动人工肌肉在有恒负载预紧力的状态下,其输出力要大于无预紧力的情况。这可以使得气动人工肌肉在运用中考虑预紧力的情况,且验证了笔者所建立的静态数学模型在预紧力状态下也是适用的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 气动技术概述
• 1.2 气动人工肌肉概述
• 1.2.1 气动人工肌肉的产生
• 1.2.2 气动人工肌肉的分类
• 1.2.3 气动人工肌肉发展概况
• 1.2.4 气动人工肌肉的研究现状
• 1.2.5 气动人工肌肉的特点
• 1.3 本课题的研究意义
• 1.4 本课题的研究内容
• 1.5 本课题研究的创新点
• 第二章 气动人工肌肉的静态数学模型
• 2.1 气动人工肌肉的几何结构
• 2.2 理想模型概述
• 2.2.1 Chou的理想模型
• 2.2.2 普遍采用的理想数学模型
• 2.3 气动人工肌肉的静态数学模型概述
• 2.3.1 刘军的气动人工肌肉静态数学模型
• 2.3.2 杨刚的气动人工肌肉静态数学模型
• 2.4 气动人工肌肉的静态特性数学建模
• 2.4.1 只考虑气动人工肌肉橡胶弹性的静态数学模型
• 2.4.2 考虑橡胶筒与纤维网内摩擦的静态模型
• 2.4.3 完整的气动人工肌肉静态数学模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 气动人工肌肉的仿真与实验研究
• 3.1 气动人工肌肉静态特性的仿真研究
• 3.1.1 Matlab仿真软件介绍
• 3.1.1.1 Matlab的产生及发展
• 3.1.1.2 Matlab的特点
• 3.1.2 各个仿真参数的确定
• 3.1.2.1 气动人工肌肉编织网初始夹角的确定
• 3.1.2.2 其它参数的确定
• 3.1.3 气动人工肌肉橡胶弹性力的仿真
• 3.1.4 气动人工肌肉摩擦力的仿真
• 3.1.5 绘制摩擦力分段函数曲线
• 3.1.6 临界摩擦曲线的仿真
• 3.2 气动人工肌肉的等压和等长仿真研究
• 3.2.1 气动人工肌肉的等压仿真研究
• 3.2.2 气动人工肌肉的等长仿真研究
• 3.3 气动人工肌肉的等压和等长实验研究
• 3.3.1 LabVIEW简介
• 3.3.1.1 虚拟仪器及其特点
• 3.3.1.2 LabVIEW的产生及其发展
• 3.3.1.3 LabVIEW的特点
• 3.3.2 气动人工肌肉的等压实验研究
• 3.3.3 气动人工肌肉等长实验研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 气动人工肌肉预紧力下的静态特性研究
• 4.1 预紧力与气弹簧
• 4.1.1 预紧力
• 4.1.2 气弹簧
• 4.2 气动人工肌肉在预紧力状态下的静态特性仿真研究
• 4.2.1 气动人工肌肉预紧力状态下的弹性力仿真分析
• 4.2.2 气动人工肌肉预紧力状态下的摩擦力仿真分析
• 4.2.3 气动人工肌肉在拉伸状态下的收缩力仿真分析
• 4.3 气动人工肌肉在预紧力状态下的静态特性实验研究
• 4.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间发表的学术论文目录）
• 附录B （实验照片）