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
《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》由会员分享,可在线阅读,更多相关《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(19页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、苏州大学本科生毕业论文(设计) 1 目录目录 摘要2 关键词3 第一章第一章 前前 言言.3 1.1 气动肌腱的发展状况.3 1.2 气动肌腱的工作原理及特性.3 1.3 增力机构的种类与特点.4 第二章第二章 创新设计方案的构思及对各种方案的分析评价创新设计方案的构思及对各种方案的分析评价7 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.7 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.9 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.10 2.4 综合分析优选.11 第三章第三章 优选方案结构化后工作原理及工作特点优选方案结构化后工作原理及工作特点
2、11 3.1 结构化设计后工作原理.11 3.2 结构化后增力装置的特点.11 第四章第四章 优选方案主要技术参数的确定优选方案主要技术参数的确定.12 4.1 增力比.12 4.2 气动肌腱的选择.12 第五章第五章 优选方案结构设计及注意事项优选方案结构设计及注意事项.16 5.1 优选方案结构设计.16 5.2 优选方案结构设计注意事项.16 第六章第六章 对气动肌腱应用前景的展望对气动肌腱应用前景的展望17 参考文献参考文献18 毕业设计总结及致谢毕业设计总结及致谢19 苏州大学本科生毕业论文(设计) 2 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
3、旭 指导老师 王明娣 摘要摘要 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 typ
4、e amplifier the force device of the innovation and the design Ren Zixu Adviser Wang Mingdi (School of Mechanical 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 fe
5、ature of device composed of pneumatic 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
6、case. Key words Pneumatic muscle orthogonal force amplifier mechanism pressure angle force increasing ratio toggle amplifier 苏州大学本科生毕业论文(设计) 3 第一章第一章 前前 言言 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
7、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 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。 1.11.1 气动肌腱的发展状况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
8、,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。 1.21.2 气动肌腱的工作原理及特性气动肌腱的工作原理及特性 1.211.21 气动肌腱的工作原理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
9、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, 苏州大学本科生毕业论文(设计) 4 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
10、驱动,不 仅结构简单,动作灵活,而且功率/重量比大。 1.221.22 气动肌腱的特性气动肌腱的特性 (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
11、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。 1.31.3 增力机构的种类与特点增力机构的种类与特点 1.311.31 种类(见下表)种类(见下表) 1.321.32 各机构的特性各机构的特性 增力机构的种类 苏州大学本科生毕业论文(设计) 5 杠杆 斜楔 凸轮 螺钉 偏心轮 帕斯卡原理 铰杆 1.1.铰杆式增力机构铰杆式增力机构 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
12、足。以下是常见的五种基本 结构简图。 (a) (b) 利用长度效应利用角度效应利用面积效应 苏州大学本科生毕业论文(设计) 6 (c) (d) (e) 2.2.楔式增力机构楔式增力机构 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。 Q N (a) (b) 3.3.杠杆式增力机构杠杆式增力机构 在气压传动装置中,原始
13、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。 苏州大学本科生毕业论文(设计) 7 (a) (b) 4.4.复合夹紧增力机构复合夹紧增力机构 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
14、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) 第二章第二章 创新设计方案的构思及对各种方案的分析评价创新设计方案的构思及对各种方案的分析评价 2.12.1 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 2.112.11 工作原理工作原理 图 1 所示为气动肌腱与双边单作用铰杆增力机构的 组
15、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,作用于相应的工 o F作对象上。 i F t o F 力输出件 图 1 铰杆 气动肌腱 苏州大学本科生毕业论文(设计) 8 2.122.12 力学模型计算力学模型计算 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 o F i F 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。 t i p i 图 1 所示系统的理论增力系数 和实际增力系数的计算
16、公式分别是: t i p i (1) (2) 式中: 理论压力角(如图示); t 铰杆两铰接处的当量摩擦角, ( 铰杆两铰链的中心距; l rf2 arcsinlr 铰链轴的半径;铰链副的摩擦因数) 2;f 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。 2.132.13 特点特点 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
17、作用铰杆增力机构。 2.22.2 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 t t tan2 1 i )tan(2 tan)tan(1 t t p i 苏州大学本科生毕业论文(设计) 9 2.212.21 工作原理工作原理 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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业论文 气动 肌腱 驱动 仿生 型增力 装置 创新 设计
链接地址:https://www.31doc.com/p-2171488.html