毕业论文气动肌腱驱动的仿生型增力装置的创新与设计.doc

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1、苏州大学本科生毕业论文（设计）目录摘要2关键词.3第一章 前 言.31.1 气动肌腱的发展状况.31.2 气动肌腱的工作原理及特性.31.3 增力机构的种类与特点.4第二章 创新设计方案的构思及对各种方案的分析评价72.1 气动肌腱与双边单作用铰杆增力机构的组合构思及评价.72.2 气动肌腱与对称型双边单作用铰杆增力机构的组合构思及评价.92.3 气动肌腱与对称型铰杆二次增力机构的组合构思及评价.102.4 综合分析优选.11第三章 优选方案结构化后工作原理及工作特点113.1 结构化设计后工作原理.113.2 结构化后增力装置的特点.11第四章 优选方案主要技术参数的确定.124.1 增力比

2、.124.2 气动肌腱的选择.12第五章 优选方案结构设计及注意事项.165.1 优选方案结构设计.165.2 优选方案结构设计注意事项.16第六章 对气动肌腱应用前景的展望17参考文献.18毕业设计总结及致谢.19气动肌腱驱动的仿生型增力装置的创新与设计苏州大学机电工程学院01机械 任子旭指导老师 王明娣摘要 在研究铰杆、斜楔、杠杆等增力机构技术特性的基础上，介绍了三种结构新颖的以气动肌腱驱动的增力机构，建立了力学模型，并推导出了相应的力学计算公式。在综合分析的基础上，优选出气动肌腱与对称型铰杆二次增力机构的组合装置，对它们的工作原理与技术特点进行了较为详尽的分析，并进行了具体结构设计。结论

3、认为，用气动肌腱代替传统的气缸，能使装置在体积尺寸上更为紧凑，且用此机构可使输入力增大五十倍左右。关键词 气动肌腱 正交增力机构 铰杆增力机构 增力比 压力角 Pneumatic muscle drive of imitate and living the type amplifier the force device of the innovation and the designRen ZixuAdviser Wang Mingdi(School of Mechanical & Electronic Engineering, Soochow University, China)Abstra

4、ct This paper studies the character of toggle, oblique wedge and lever mechanisms; introduce three creative designs of force amplifier device drived by pneumatic muscle. The force increasing ratios are obtained based on the mechanics models. The working principle and feature of device composed of pn

5、eumatic muscle and toggle force two-stup amplifier driven is analysed. The result shows application of toggle force amplifier driven by pneumatic muscle not only can obtain larger output force, but also can make the device have compactness feature significantly in some case. Key words Pneumatic musc

6、le orthogonal force amplifier mechanism pressure angle force increasing ratio toggle amplifier第一章 前 言气动肌腱是一种功率-重量比高的、能提供双向拉力的新型气动柔性执行元件。它不是一根普通的橡胶管，而是一个高效的能量转换器，无相对运动构件，无易损件，无泄露现象。因此，它与传统气缸相比不但结构简单、摩擦小、无污染，而且能产生相当于同径气缸数倍的拉伸力1。正是由于这些优越性，气动肌腱在近年来受到了广泛关注，并陆续出现了以气动肌腱代替传统气缸的传动技术。将气动肌腱与适当的增力机构组合，可以大大简化系统结

7、构，在需要较大输出力且结构尺寸受限制的场合，有很大的应用空间。基于此，我们设计了这种以气动肌腱为驱动，通过铰杆机构进行增力的装置。1.1 气动肌腱的发展状况仿生气动肌腱是一种新型的拉伸执行元件、是2000年新概念气动元件。它不是一根普通的橡胶管，而是一个能量转换装置。如同人类的肌肉那样能产生很强的收缩力，它以崭新的设计构思突破了气动驱动器作功必须由气体介质（流体）推动活塞这一传统概念。最早的人工肌肉的概念的提出可追溯的二十世纪三十年代，当时的俄国发明家S. Garasiev首先提出了此概念。此后人门相继研制和开发出各种类型的气动人工肌肉，并且有相当一部分都申请了专利。但到现在为止,普遍使用的是

8、德国生产的气动肌健( Fluidic muscles)。在国内目前人们对此的研究大都集中在其内部力作用机制的建模计算方面。而对于这种新型气动执行元件的应用技术领域的创新，则较少涉及；且涉及的大多局限于机器人领域。1.2 气动肌腱的工作原理及特性1.21气动肌腱的工作原理与传统的气缸不同，仿生气动肌腱没有活塞、活塞杆、缸筒、密封圈等诸多零部件，只是由一段包裹着特殊纤维格栅网的橡胶织物管和两端接头连接而组成特殊材质纤维格栅网预先嵌人在能承受高负载、高吸收能力的橡胶材料之中，即预先与高强度、高弹性能力橡胶硫化在一起。当仿生气动肌腱内有一个工作压力后，橡胶管开始变形，使格栅中的纤维网格夹角变大，在直径

9、方向产生膨胀力，在长度方向收缩，气动肌膛便产生拉伸力。所产生拉力的大小取决于肌肉的直径，纤维初始编织角和充气压力，而且其力/长度特性曲线与生物肌肉的力/长度特性曲线很相似。由于气动肌膛没有任何机械零件运动，如类似气缸活塞运动所产生的摩擦运动等，所以有许多普通气缸不具备的特性。它不需要减速装置和传动机构，可以直接驱动，不仅结构简单，动作灵活，而且功率/重量比大。1.22气动肌腱的特性（1） 仿生气动肌腱相当一个单作用驱动执行元件，其拉伸力是同样直径的普通单作用气缸10倍，而重量仅为普通单作用气缸的几分之一。（2） 与能产生相等力的气缸相比，它的耗气量仅为普通气缸40%。（3） 抗污、抗尘、抗沙能

10、力强，甚至于在水中也能应用自如。（4） 携带方便，是世界上惟一能被卷折起来随身携带的气动驱动器。能根据用户要求，用剪刀随时度量其长度制作成所需的气动驱动器。（5） 工作时动态特性优越，当工作行程临近终点时无蠕动现象。在低速运动时，也无爬行、粘沽现象，也无猛冲不稳定现象。（6） 尽管仿生气动肌腱结构简单，但可根据输人压力大小，可用干定位要求。（7） 无运动部件，因此无泄漏现象。清洁优势十分突出，尤其要求在驱动空气与环境分离的工况条件。1.3 增力机构的种类与特点 1.31种类（见下表） 1.32各机构的特性增力机构的种类利用面积效应利用角度效应利用长度效应杠杆斜楔凸轮螺钉 偏心轮帕斯卡原理铰杆

11、1.铰杆式增力机构铰杆夹紧机构使用角度效应来增力，其机构简单,增力倍数大,一般在以气动为驱动力的增力装置中获得较广泛的应用,以弥补气动元件的力量不足。以下是常见的五种基本结构简图。 (a) (b) (c) (d) (e) 2.楔式增力机构机床夹具中所使用的夹紧机构绝大多数是利用斜面楔紧作用的原理来夹紧工件的。其中最基本的形式就是直接利用有斜面的楔块。偏心轮、凸轮、螺钉等不过是楔块的变种。当斜楔角小于45时,具有扩力性能。根据角数值,斜面机构可以具有自锁性,也可能不具有自锁性,在夹具的增力装置中,大部分不需要具备自锁性的.以下是常见的两种基本结构简图。 (a) (b) 3.杠杆式增力机构在气压传

12、动装置中，原始力还可以通过杠杆机构增力，或者改变力的方向。这种机构的结构比较简单，制造容易但不能自锁，且由于受夹具结构大小的限制，在夹具设计中，杠杆夹紧机构的最大增力比ip5,一般情况下增力比ip=13. 以下是常见的两种基本结构简图。 （a） (b) 4.复合夹紧增力机构复合夹紧机构的实际增力比等于组成这复合夹紧机构各个增力部分的实际增力比的乘积，复合夹紧机构的行程比等于组成这复合夹紧机构各部分的行程比的乘积，复合夹紧机构传动效率等于组成这复合夹紧机构的各部分的传动效率的乘积，复合夹紧机构中任何一个组成环节是具有自锁性能的时候，这种复合夹紧机构也具有自锁性能。常见的复合夹紧机构有压板斜楔夹紧

13、机构、压板铰链夹紧机构、压板杠杆夹紧机构、压板螺旋夹紧机构、压板偏心夹紧机构等等.以下是两个典型的复合夹紧机构，图（a）为压板与双臂双作用的铰链夹紧机构组合在一起的压板式铰链夹紧机构，图（b）为多斜楔面压板式夹紧机构。 (a) (b)第二章 创新设计方案的构思及对各种方案的分析评价2.1 气动肌腱与双边单作用铰杆增力机构的组合构思及评价 2.11工作原理图1所示为气动肌腱与双边单作用铰杆增力机构的组合系统，其工作原理是：当气动肌腱内部充入压缩空气后，就会在产生径向膨胀的同时伴随着轴向收缩，从而提供一个收缩力。该收缩力通过铰杆的角度效应进行一次力放大后，传递到力输出件上，最后由力输出件输出力，作

14、用于相应的工作对象上。 力输出件图1 铰杆气动肌腱 2.12力学模型计算系统的增力系数是输出力与输入力的比值。不考虑摩擦损失的增力系数为理论增力系数，常用表示；考虑摩擦损失后的增力系数为实际增力系数，常用表示。图1所示系统的理论增力系数和实际增力系数的计算公式分别是： (1) （2） 式中： 理论压力角(如图示)； 铰杆两铰接处的当量摩擦角, (铰杆两铰链的中心距；铰链轴的半径；铰链副的摩擦因数) 2； 力输出件与其导向孔间的当量摩擦角，其值由力输出件的受力及约束方式决定3。 2.13特点由图中可看出，这种气动肌腱与增力机构的组合,与传统的由铰接式气缸驱动的同类系统相比，结构上变得简约多了。但

15、系统中的力输出件与其约束件的导向孔内壁之间，不可避免地存在一定的摩擦损失，从而影响力的传递效率，以及系统的使用寿命。为能有效地解决摩擦损失这一问题，我们可以使用下面的对称型双边单作用铰杆增力机构。 2.2 气动肌腱与对称型双边单作用铰杆增力机构的组合构思及评价 2.21工作原理图2所示为气动肌腱与对称型双边单作用铰杆增力机构的组合装置。该装置的工作原理与气动肌腱与双边单作用铰杆增力机构的组合系统类似，只不过巧妙的应用了气动肌腱可提供双向拉伸力的特性。当给气动肌腱充入压缩空气后，它将产生径向膨胀同时伴随轴向收缩，从而提供一个双向拉伸力，由于该结构对称，故此双向输入力同时分别被各自的铰杆发大，并同

16、时传递给工件上。图2气动肌腱铰杆力输出件 2.22力学模型计算图2系统的理论增力系数和实际增力系数的计算公式是： （3） （4） 2.23特点该装置巧妙地利用了气动肌腱能提供双向张力的功能，且因该系统中的力输出件在径向上所受的力是对称平衡的，所以力输出件与其导向孔之间理论上不存在摩擦损失。因此，该装置的力传递效率要显著高于图1所示装置。但由于该装置与图1所示装置相类似，仅采用一次增力机构，所以力放大效果不甚显著。为了获得较大的增力系数，可以采用二次增力机构与气动肌腱进行组合。2.3 气动肌腱与对称型铰杆二次增力机构的组合构思及评价 2.31工作原理图3所示为气动肌腱与对称型铰杆二次增力机构的组

17、合装置。该装置的工作原理是：当气动肌腱被充入压缩空气后，输出一轴向拉力，该力经过第一对铰杆放大后传给第二对铰杆，进行第二次放大，经过两次放大的力输出给工件。气动肌腱铰杆力输出件图3 2.32力学模型计算图3系统的理论增力系数和实际增力系数分别是： （5） （6） 式中： 理论压力角(如图示)。 2.33特点图3所示系统，是以串联的方式，两次运用了铰杆的角度效应，进行力的放大与传递。因此，该装置的增力效果要显著高于图2及图1所示系统。通过对公式(1)、 (3)、 (5)或 (2)、 (4)、 (6) 进行比较，可以看出力放大效果最为显著的是图3所示系统，其次是图2所示系统；而力传递效率最低的是图

18、1所示系统。2.4 综合分析优选2.41计算分析举例取，,，(计算得)，由(2)式计算得图1所示装置的实际增力系数；由(4)式计算得图2所示装置的实际增力系数；由(6)式可计算得图3装置的实际增力系数。显而易见，图3所示系统具有最显著的力放大效果。 2.42优选方案以上三个方案都具有各自鲜明的特点，且都具有一定的增力比，但是2.2、2.3系统中的力输出件在径向上所受的力是对称平衡的，所以力输出件与其导向孔之间理论上不存在摩擦损失。且结合实际工作情况，需考虑到需要有较大的放大效果，所以我认为气动肌腱与对称型铰杆二次增力机构的组合是其中比较好的方案，他们不但具有较大的增力比，而且摩擦损失小，制造也

19、简单。第三章 优选方案结构化后工作原理及工作特点以上所设计的方案只是初步构想，与实际应用还有一定距离，现在我们分析当所设计的方案结构化后的工作原理和工作特点3.1 结构化设计后工作原理当气接头接入压缩空气后，气动肌腱开始径向膨胀同时伴随轴向拉力，铰接在气动肌腱上的导杆向下运动，第一组铰杆向下运动并向左右扩力，力第一次被放大。通过三杆铰接力传给了第二组铰杆，第二组铰杆一端固定在连接箱体支撑座上，另一端受力向上运动同时通过连接在压板上的铰链叉座把力输出到压板上，力被第二次放大。然后再利用压板夹紧工件。当结束充气后，气动肌腱停止膨胀，轴向拉力及行程达到最大。3.2 结构化后增力装置的特点气动肌腱与对

20、称型铰杆二次增力机构的组合装置与常用的杠杆增力气动夹具、楔面增力气动夹具、螺旋增力气动夹具和偏心增力气动夹具等增力装置相比，具有较明显的特点。（1）夹紧力随，角度的变化可以在较大的范围内变动，并且增力倍数高，可以高达几十倍，如=5，=5则ip可达到55之多。采用直径和长度较小的气动肌腱或较少的夹紧机构，特别是用于夹紧空间较小而需要较大夹紧力的情况。（2）最后合成的总的夹紧力方向与气动肌腱作用力中心线重合，能保证夹紧时工件受力均匀。（3）结构简单，制造容易。（4）摩擦损失小，有些摩擦损失和冲击可以相互抵消，机械效率高。第四章 优选方案主要技术参数的确定4.1 增力比本方案的理论增力比与实际增力比

21、如下： 式中： 理论压力角(如图示)； 理论压力角(如图示)； 铰杆两铰接处的当量摩擦角, (铰杆两铰链的中心距；铰链轴的半径；铰链副的摩擦因数)；取=5，=5，=150mm，=10mm，=0.1，则=0.006692 最后， =55.8理论上当与越小则力越大，但当其等于0时为死点，一般情况下取为3到5，综合考虑我们取其最小值为5，此时气动肌腱有最大膨胀和最大拉伸力。4.2 气动肌腱的选择 技术参数为：（1） 主要技术参数见表1；（2） 主要尺寸参数见下图和表2；（3） MAS10,MAS20,MAS40拉伸力与收缩位移关系(见表3,表4,表5)在本方案中，由于工件尺寸较大，假设需要约5000

22、0N的夹紧力，当=5、=5，实际增力比ip=55.8.Fi = Fo * ip式中 Fi 气动肌腱输出力Fo 作用在工件上的夹紧力 F i= 896（N）为了能满足要求气动肌腱的输出力可适当的放大一点，故取为1000N。 可由几何关系确定气动肌腱的拉伸距离为12.7mm。1、 从表1的拉伸力，可选择MAS-20气动肌腱。2、 从表中可得知,选择拉伸位移长度与工作压力有关。当选择拉伸力为1000N时,工作压力为0.6MPa时对应拉伸位移为7.5%。3、计算气动肌腱的名义尺寸12.7/(7.5%)=169.33mm。结论:为了满足1000N拉伸力,拉伸距离为12.7mm的气动肌腱,需在0.6MPa

23、工作压力下,MAS20气动肌腱名义长度为169.33mm。第五章 优选方案结构设计及注意事项5.1 优选方案结构设计 1.气动肌腱设计气动肌腱为标准件，已计算选定。 2.增力机构本方案中增力机构是对称布置的六根铰杆，铰杆之间是通过特别制作的销来连接。夹紧机构最终输出端与压板上的铰链叉座相连，从而夹紧工件。5.2 优选方案结构设计注意事项本方案中所提供的力较大，所以在设计该夹具结构时需要特别注意以下几点。 1.整体结构要稳定可靠，有足够的强度和强度装置的结构要求粗壮低矮，以降低装置的重心，增加刚度和强度。 2.注意材料和刚度的选择正确选择零件的材料和刚度，对于保证结构和工作的可靠性、装置的寿命、

24、制造和维修有着重要的影响，本方案中压板采用HT200，并进行时效处理，其他零件参照已有的夹具进行选择。 3.受力情况要合理其上的受力部分应直接由基体来承受，尽量避免通过紧固螺钉来受力，对于装置中精度要求较高的受力零件，设计时应注意其连接的稳定性。 4.设计时要考虑它的装配性在设计时除了要考虑满足使用要求，便于加工外，还要考虑它的装配性。本方案中增力机构对称式三铰杆要求对称布置，以使受力均衡，在装配时要注意这点。 5.注意设计的合理性设计结构时要注意活动部件不发生干涉，各零件布置要合理，结构要紧凑，比例要协调，大小要匀称。特别是三铰杆不能有死点现象产生。 6.气动肌腱的充气管要便于插拔 设计箱体

25、是要预留开口。第六章 对气动肌腱应用前景的展望随着国民经济的发展，国民经济各部门要求机械工业不断提供先进的技术设备，来研制新的产品以满足人民日益增长的物质文化要求。传动技术绿色化的发展趋势是不容置疑的。气动肌腱作为一种新型的摩擦力很小的气动执行机构，无疑较好地适应了这一潮流。首先，由于重工业的发展，越来越要求加工较大尺寸的工件，并且加工的精度要求较高，这就需要有能保持一段时间的较大夹紧力。气动夹具工作介质是压缩空气，它的工作压力可以控制并且波动较小，所以气动夹紧装置产生的夹紧力也基本保持不变，而增力机构可以有效的扩大原始力，有时可以高达几十倍，所以具有中间增力机构的气动夹具是最佳的选择。而气动

26、肌腱无疑是气动元件中不错的选择。其次，为了提高利润，现代生产要求具有较高的生产效率，尤其是在大批量生产中。由于我们目前的生产力水平，生产效率的提高可能导致工人劳动强度的增大，从而使工人工作十分疲劳，容易导致工人劳动积极性下降，甚至是引起工伤事故。但是采用具有中间增力机构的气动夹具可以大大降低工人的劳动强度。压缩空气流动速度很快，采用气动夹具动作迅速，有利于缩短辅助时间，从而提高生产效率，同时操作时，工人只需要转动分配阀手柄就能产生较大的夹紧力，大大降低了工人的劳动强度，改善了工人劳动条件。再次，随着市场经济的发展，市场竞争日益激烈，不少商品在提高质量的同时降低价格，从而增加竞争力。而为了保证利

27、润的增长，必须降低成本。气动肌腱的工作介质是压缩空气，空气随处可取，取之不尽，节省了购买、运输、贮存介质的费用和麻烦，用后的空气可以直接排入大气，没有污染，处理方便。再加上工厂还有其他一些气动设备，只要建一个压气站即可。最后，气动肌腱的独特优势使它在工业自动化领域有着广泛的应用。它比较适合于夹紧技术，搬移技术，定位机构，机器人，仿真技术，仿生/平台机械，建筑技术和注塑机等。参考文献【 1 】 王雄耀. 介绍一种气动新产品 仿生气动肌肉腱J. 液压气动与密封,2002(001):31-35。【 2 】林文焕,陈本通编著. 机床夹具设计. 北京: 国防工业出版社,1987。【 3 】卫玉芬.李小宁

28、，气动人工肌肉的进展和应用，2002(001):37-38。【 4 】 路甬祥，阮健，陈行.气动技术发展方向液压与气动.1991（2）：23。【 5 】 方昌林主编.液压、气压传动与控制. 北京:机械工业出版社，2001。【 6 】 李学荣编著. 四连杆机构综合概论.北京:机械工业出版社，1983。【 7 】 李维荣主编.标准紧固件实用手册.北京：中国标准出版社，2000。【 8 】 范云涨,陈兆年主编.金属切削机床设计简明手册. 北京:机械工业出版社，1995。【 9 】 （日）土屋喜一.赵文珍翻译.机械实用手册.北京:科学出版社，2002。【 10 】 （苏)柯热夫尼柯夫等著. 孟宪源翻译

29、.机构参考手册. 北京:机械工业出版社，1981。【 11 】 濮良贵，纪名刚主编.机械设计（第6版）.北京：高等教育出版社，1996。【 12 】 王启平主编.机械制造工艺学.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002。 毕业设计总结及致谢此次毕业设计就要进入尾声，而此基于气动肌腱的增力装置的机构化设计也基本达到了各种预期的技术指标。如可扩大力近五十倍，整体机构较简洁，无复杂的零件和结构。然而不满意之处亦存在：（1）整体结构还不够紧凑；（2）体积过大不小巧；（3）气动肌腱与其它构件的连接不够好。对于此存在的问题的解决由于各种原因未能及时完成，成为一憾事！末了，感谢的话必不可少，不仅是我花费了心血，同时我的指导老师王老师、钟老师也花费不少心血，一并感谢，谢谢！同时也感谢机电学院所有的老师，谢谢你们！19