充气伸长型气动柔性驱动器的动态特性研究.pdf

电气与 自动化 高帅， 等 充气伸长型 气动柔性驱动 器的动 态特性研 究 充气 伸长型气 动柔性驱动器的动态特性研 究 高帅， 滕燕， 李小宁 南京理工大学 机械工程学 院， 江苏 南京 2 1 0 0 9 4 摘要 研 究建 立 了充 气伸 长型 气 动 柔性 驱 动 器 的静 动 态数 学模 型 。 并 进 行 了试 验研 究。 结果表明 气动柔性驱动器充气阶段腔 内压力的平稳性受惯性 负载和外力 负载的影响． 惯 性 负载和 外力 负载越 大 ， 压 力 平稳 性越 差 。外 力 负载 是 影 响 气动 柔 性驱 动 器位 移 输 出 的 主要 因素 ， 外 力 负载 越 大 。 位 移 越 小。研 究 结 果 为 气 动 柔 性 驱 动 器 的控 制 提 供 了理 论 依 据 。 关键 词 气动柔性驱动 器 动态特性 动 态模 型 中图分 类号 T H1 3 8 文献标 志码 A 文章编号 1 6 7 1 ． 5 2 7 6 2 0 1 5 0 5 ． 0 2 0 9 0 3 S t u dy o f Dyn a mi c Cha r a c t e r i s t i c o f El o ng a t i o n Ty pe Pne u m a t i c Co mpl i a nc e Ac t u a t o r GAO S hu a i ， TENG Ya n， LI Xi a o n i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N a n j i n g U n iv e r s it y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t h e s t a t i c a n d d y n a mic ma t h e ma t ic a l mo d e l o f e l o n g a t i o n t y p e p n e u mic c o mp li a n c e a c t u a t o r i s d e v e lo p e d， a n d ex p e r i me n t a l s t ud y i s m a d e． Th e e x p er i men t a l r e s u l t s h o ws t h a t t h e pr e s s u r e s t a b i l it y of pn e uma t i c c omp l ian c e a c t u a t or is a ff e c t e d b y i n er t i a l o a d s an d e x t er n a l f o r c e s，an d t he lar g er t he ine rtia lo ad s a n d e x t er n a l f or c e s ar e，t h e wor s e t h e p r e s s u r e s t a b i l it y is． Th e e xter n al f or c e i s t h e ma i n f a c t o r a ffe c t i n g t h e d i s pla ce men t o f p ne u mat i c c ompli a n c e ac t u a t or ，an d t h e lar g er e x t erna l l o ad h a s t h e s ma l l i n f l u e n c e o n t h e d is p la c e me n t ． T h e s t u d y r e s u l t s la y t h e t h e o ret ic a l f o u n d a t io n f o r t h e c o n t r o l o f e lo n g a t io n typ e p n e u ma t ic c o mpl ia nc e a c t u a t or ． Ke y wo r d s p n e u ma t ic c o mp li a n c e a c t u a t o r ； d y n a mi c c h a r a c t e r is t ic ；d y n a mi c mo d e l 气动柔性驱动器又称气动人工肌肉． 具有与生物肌肉 相似的特性， 可产生很强的收缩力， 并且柔顺性好 、 安全性 高， 在医疗康复领域具有广阔的应用前景。近年来 ， 人们 利用传统的Mc k i b b e n型气动肌肉开发出了一些关节柔顺 康复训练装置， 并对 Mc k i b b e n型气动肌肉的动态特性进 行了研 究． 以期实 现对关 节康 复训 练装 置 的准确 控 制[ 1 - 4 ] 。但 由于 M c k i b b e n型气动人工肌 肉的行程较短， 一 定程度上限制了这一类康复器的推广与应用。技术中 心前期研发 了一种 充气 伸 长型气 动柔 性驱 动 器_ 5 ] 。 它 由 初始截面为扁平状的弹性橡胶管以及套在橡胶管外的纤 维编织网经螺旋缠绕而构成， 如图 1 所示 ． 当向弹性橡胶 a 1 变 形示意 I H l I 上 I 一 D b 几何尺寸示意 图 1 气动柔性驱动器的工作原理示意 管内充气时． 橡胶管膨胀并沿轴向产生变形， 对外输 出力 和位移 。这种气 动 柔性 驱动 器具 有 行程 长 、 推 力大 的特 点 。基 于该气动柔性 驱动 器 ， 进一步研发 了具有双 向柔性 的膝关节主一 被动康复训练装置 ] 。作为该膝关节康复 训练装置的末端执行器， 对充气伸长型气动柔性驱动器的 准确控制将极大 地影 响着 膝关节 的康复效 果和患 者的舒 适程度 ． 而准确 把握 其动 态特 性是 实现 对其 精 确控 制 的 前提 。 基金项 目 国家 自然科学基金 5 1 0 7 5 2 1 3 1 作者简介 高帅 1 9 8 8 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 硕士研究生 ， 研究方向 膝关节康复机器人。 Ma c h i n e B u i M i n g g Au t o m a t io n ，Oc t 2 0 1 5 ， 4 4 5 2 0 9～ 2 1 1 ， 2 1 5 - 电气 与自动化 高帅。 等 充气伸 长型气动 柔性驱动 器的动 态特性研 究 1 静态模型 在文献[ 7 ] 的研究基础上， 考虑气动柔性驱动器充气 伸长时弹性橡胶管的弹性力以及纤维编织网与弹性橡胶 管之间的摩擦力． 引入气动柔性驱动器伸长长度校正系数 K 并定 义 J m ax 1 l1D 其中 日 ⋯为气动柔性驱动器理论伸长的最大长度， m m； 为气动柔性驱动器实际伸长的最大长度， mm。 则充气伸长型气动柔性驱动器的静态输出力模型为 F h pl r 2 a x - 2 K pH 2 一 p ．ff 2A p[ _ 1 一一 【 了D 1 K pH A p N K R 2 rK R D 2 其中 F为驱动器输出力， N； A气动柔性驱动器的能量转化效率 由试验确定 ； P为供气压力， MP a ； 为柔性驱动器的工作长度 ， m m Ⅳ为弹性管的层数 为螺旋管膨胀至圆形时的外圈半径， m m； K为螺旋管的半径变化率 ； D为导 向杆直径 ， mm。 2 动态模型 图 2为充气伸长型气动柔性驱动器控制系统框 图。 主 要由控制器、 比例压力阀、 气动柔性驱动器、 负载以及反馈 元件等组成。 在进行动态建模分析时， 做以下几点假设 1 系统与 外界无质量和热量交换 ； 2 气源压力稳定 ， 气源温度为环 境温度 3 所有气体均为理想气体。 图 2 气 动柔性驱动器 控制系统框 图 2 ． 1 压 力特性方程 图3为充气伸长型气动柔性驱动器充放气示意图． 为加压前气动柔性驱动器 自由状态下的长度， H为加 压后气动柔性驱动器的长度， 为气动柔性驱动器 的位 移。则气动柔性驱动器充气伸长时 H o ， 放气收缩 时 H H o 。 根据能量守恒定律， 将式 2 写成 ， 西 3 订 仃 变换之后 ． 得 到 2l O 图 3 气动柔性驱动器充放气示意 气 源 d a 日 v 4 d 日 4 由式 4 可以得到气动柔性驱动器的等效作用面积 2 _ A a x 2 K R 导 】 A N K R 竹 K R D 5 又知气动柔性驱动器的容积为 V HA 6 刚气 动 柔 件 鳜 动 器 充 气 伸 长 时 右 ． 塑 竺 一 d f d￡ 气动柔性驱动器放气收缩时有 d p k n T q 2 A 7 V dt 8 其中 Q ， 为气源流入气动柔性驱动器的质量流量， m ／ s ； Q 为气动柔性驱动器向大气排气的质量流量， m ／ s ； k 为绝热指数 为气体常数 为环境温度 ， K； 为气动柔性驱动器 的体积 ． mm A为气动柔性驱动器的等效作用面积， mm 为气动柔性驱动器的位移， mm。 2 ． 2 流量特性方程 设 比例压力阀的节流 口面积为 A ， 流量系数为 C ， 节 流 口的下游压力为 P ， 上游压力 为 P 。 ， 临界压 力 比为 b ， 得 出气体 的质量流量为 Q Cd A 0 T o Cd AT p 1 旦 ≤6 Po ．旦 6 Po 9 式 中临界压力 比 b 为 2 ． 3 负载平衡特性方程 气动柔性驱动器在充气伸长时负载的平衡特性方 h t t p ffZ Z HD ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H Dc h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 瓣 电气与自动化 高帅， 等 充气伸长型气动柔性驱动器的动态特性研究 程为 m d Exx “ mg 警 一 1 1 d 出 、 气动柔性驱动器在排气收缩 时负载的平衡特性方 程为 m “ 一 鲁 一 c 2 ， d f u d t 其中 m为气动柔性驱动器和惯性负载的等效质量 ， k g ； u为摩擦系数 为粘性阻尼系数 g为重力加速度 ， m ／ s 。 为外力负载 ， N； 其余符号同前。 3 仿 真和试 验研 究 图 4为气动柔性驱动器动态特性试验台的主要组成 示意， 采用质量块作为惯性负载 0 ． 5 k g 、 1 ， 采用加载 气缸施加恒定的外力负载 1 0 N、 2 0 N ， 比例压力阀用于 调节气体压力 。 气动柔性驱动器 图 4 试验 台主要组成示意 图 5 一 图 7分 别 给 出 了 3种不 同负载 组 合情 况 下 气 动柔性驱动器控制系统的仿真及试验 曲线 。可以看 出， 仿真和试验曲线基本吻合， 说明所建立的数学模型的准 确性。 0 ． 1 2 0 ． 1 O ． 0 2 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 t ／ O ．01 s a 1 压力 Ma c h i n e B u i l d i n g 8 Au t o m a t io n ，Oc t 2 0 1 5 ， 4 4 2 0 9 - 2 1 1 ， 2 1 5 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 t ／ O ． 0 1 s b 1 位移 图 5 气 动柔性驱动器控制 系统仿真及试验 曲线 负载 O ． 5 k g 。 1 0 N 0 ． 0 2 0 。 7 ； 0 0 2 0 0 40 0 60 0 80 0 1 00 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 60 0 t ／ 0． 01 s a 压力 图 6 气动柔性驱动器控制 系统仿真及试验 曲线 负载 0 ． 5 k g ， 2 O N t ／ O． 01 s a 1 压力 下转 第 2 1 5页 2l1 ∞ ∞ O O 0 O 0 暑 憾 舛 0 0 0 ∞ ∈ 电气与 自动化 王鹏 ， 等 人机驱动 的产品创新设计研 究 参考文献 [ 1 ]曾富洪． 产 品创新设计与开发 [ M] ． 成都 西南交通大学 出版 社 ． 2 0 0 9 ． [ 2 ]罗坚 ． 人机工程学在工业产品设计中的应用 [ J ] ． 机电工程技 术 ， 2 0 0 4 ， 3 3 3 9 - 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5 1 ． [ 4 ]刘吉轩 ，谢增．气动 人工肌 肉驱 动器 的动 态跟 随控 制研 究 [ J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 1 0， 2 3 9 3 4 3 7 ． [ 5 ]李小宁 ， 滕燕 ，杨罡 ， 等． 充气伸长 型气动柔性驱动器 中国 ， 2 0 1 0 1 0 1 4 6 3 1 7 ． 8[ P] ． 2 0 1 0 0 4 1 4 ． [ 6 ]李小宁 ， 滕燕 ，杨罡 ， 等． 双向柔性的膝关节 主一 被动康 复训 练装 置 中国，2 0 1 0 1 0 1 4 6 3 1 0 ． 6[ P] ． 2 0 1 0 ． 04 1 4 ． [ 7 1滕燕 ， 杨罡 ，李小宁 ，等． 推力 大行程气 动柔性驱 动器及 其 特性 [ J ] ． 南京理工大学学报 ， 2 0 1 1 ， 3 5 4 5 0 2 ． 5 0 6 ． 收稿 日期 2 0 1 40 3 0 3 21 5 1 9 8 7 6 5 4 3 2 l O