1、苏州大学本科生毕业论文（设计）1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
2、比.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
3、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 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 introduce three creative designs of for
4、ce 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 pneumatic muscle and toggle force two-stup amplifier driven is analysed. The result shows application of toggle force amplif
5、ier 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 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 前 言气动肌腱是一
6、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
7、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
8、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，
9、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
10、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.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
11、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.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。QN(a) (b)3.杠杆式增力机构在气压传动装置中，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
12、，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.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
13、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 ，作用于相应的工oF 作对象上。iFtoF力输出件图 1
14、铰杆气动肌腱苏州大学本科生毕业论文（设计）82.12 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oFi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。ti pi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：tipi(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； lrf2acsinr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。2.13 特点由图中可看出，这种气动肌腱与增力机构的组合,与传
15、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ttan21i)ta(tpi苏州大学本科生毕业论文（设计）92.21 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
16、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，并同时传递给工件上。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：tipi（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图 2气动肌腱铰杆力输出件iFtoFttan1i)ta(tpi苏州大
17、学本科生毕业论文（设计）10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。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：tipi（5）（6） 式中： 理论压力角(如图示)。t2.33 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。oFt气动肌腱铰杆力输出件iFt图 3 1tan21tt ittttp i
