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液压人工肌肉容积驱动方法及其在并联机构中的应用.pdf

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摘要

由气压或液压驱动的McKibben型人工肌肉具有柔顺性好、高功率重量比

和响应快等优点,特别适合与人体交互,在生物医学设备、仿生机器人、航空

航天等多个领域都有着广阔的应用前景。其中,液压人工肌肉更容易实现压力

供应的小型化和便捷化,因此受到许多学者青睐。人工肌肉的输出力模型相对

成熟,但容积驱动的液压人工肌肉模型尚未得到充分探索。本研究提出了一种

考虑负载力影响的液压人工肌肉容积驱动方法。主要研究工作如下:

提出了考虑负载变化的液压人工肌肉容积驱动模型。针对现有的容积驱动

模型没有考虑负载对人工肌肉的影响,采用了理论模型和实验相结合的方法进

行研究。通过能量守恒法和力平衡法建立了人工肌肉的理想静态数学模型。在

此基础上,建立了考虑橡胶和摩擦影响的人工肌肉模型。对人工肌肉的圆柱圆

锥模型和固定端圆柱模型进行了分析,建立了体积与伸缩率之间的关系。基于

人工肌肉体积-负载实验,分析了现有容积驱动模型存在的不足,并修正了固定

端圆柱模型中的长度项和力学模型中的弹性模量。

提出了容积驱动液压人工肌肉预测伸缩率的方法。搭建了一个由注射泵和

人工肌肉组成的单根容积式人工肌肉静态测试装置,利用人工肌肉容积驱动模

型,确定了人工肌肉的修正系数,得到人工肌肉输出力、压力和体积之间的定

量关系。在此基础上,提出了一种容积式人工肌肉伸缩率的预测方法,该方法

可以根据当前的工作条件预测人工肌肉的伸缩率所需要的体积值,通过算例验

证了该方法的有效性。

建立了基于弹性管道等效假设的容积驱动液压人工肌肉动力学模型。为了

研究在容积驱动过程中肌肉内部压力的动态变化规律,以弹性管道系统的表观

体积弹性模量为理论基础,把人工肌肉视为弹性管道,计算弹性管道及其内部

气体、液体的综合体积弹性模量,提出了一种适合于由注射泵和人工肌肉组成

的密闭弹性管道动力学模型。通过实验验证了该模型的可信度,也进一步证实

了所建立的体积与弹性模量关系的合理性。

最后,为验证所提出的液压人工肌肉容积驱动模型的正确性,完成了基于

液压人工肌肉容积驱动并联机构实验样机的设计和搭建。设计了并联机构容积

驱动方案,通过仿真和对比实验,验证了采用液压人工肌肉作为驱动支腿设计

的并联机构是可行的,所建立的容积驱动模型是准确的。

关键词:液压人工肌肉;容积驱动;并联机构;体积弹性模量;动力学

Abstract

McKibben-typeartificialmusclesdrivenbypneumaticorhydraulicpressure

havegoodflexibility,highpower-to-weightratios,andfastresponsetimes.Having

broadapplicationsinbiomedicalequipment,bionicrobots,aerospace,andotherfields,

theyareparticularlysuitableforinteractingwiththehumanbody.Hydraulicartificial

musclesarefavoredbymanyscholarsduetotheireaseofminiaturizationand

convenientpressuresupply.Themodelfortheoutputforceofartificialmusclesis

quitedeveloped,butthehydraulicartificialmusclemodeldrivenbyvolumehasnot

beenthoroughlyexplored.Thisstudyproposesavolumetricactuationmethodfor

hydraulicartificialmusclesthatconsiderstheinfluenceofloadforce.Themain

researchworkisasfollows:

Avolumetricactuat

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