基于气动肌肉并联近奇异隔振系统研究

发布时间：2019-11-30 22:53

【摘要】：隔振技术作为振动控制技术领域的重要分支，在现代机械振动控制领域扮演着越来越重要的角色。随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，人们对于隔振技术的应用和发展提出了越来越高的要求，隔振技术也由传统的被动隔振技术发展到现今的主动隔振技术，而作动器作为主动隔振技术的主要元件，一直是各国学者所关注和研究的热点。气动肌肉是一种新兴的医学仿生和气动执行元件，在世界医学和工业领域已经取得了广泛的应用。本文将气动肌肉引入隔振领域，把气动肌肉作为隔振系统作动器，从而构建了新型的隔振系统。本文基于现有的研究基础，在完整的气动肌肉理想输出力的基础上，进一步分析考虑各个误差因素的影响，得到了更为精确的气动人工肌肉数学模型。通过仿真和实验分析了气动人工肌肉动态和静态特性，并运用并联近奇异低刚度系统原理，搭建了基于气动人工肌肉的并联近奇异隔振系统，完成了隔振系统特性和效果的分析和实验。首先，基于目前已存在气动人工肌肉研究的理想数学模型，综合考虑实际条件下，气动肌肉末端变形、内部摩擦及橡胶的弹性变形等因素的影响，进一步修正了气动人工肌肉数学模型，从而获得较为完整的气动人工肌肉数学模型。结合气动人工肌肉数学模型，对气动肌肉的刚度、输出力等基本特性进行理论分析及仿真实验研究，并通过所得到的实验数据进一步修正了气动人工肌肉数学模型。从而获得了气动人工肌肉较为的理想的静态和动态刚度表达式，为气动人工肌肉作为主动作动器搭建的隔振系统的理论和实验分析奠定了坚实的基础。其次，通过对并联机构的奇异位形的综合分析，定义了奇异接近度指标，为系统近奇异状态下低刚度、变刚度分析和隔振效果的评价提供了技术指标。基于得到的气动人工肌肉数学模型和并联结构的几何结构位形，建立了并联近奇异隔振系统的数学模型，对搭建的并联隔振系统进行了自由振动实验和仿真研究，并通过隔振系统自由振动实验数据和仿真数据进一步分析系统特性，同时，对实验和仿真数据进行对比分析，从而验证了气动人工肌肉数学模型并联隔振系统数学模型的正确性和准确性。最后，基于已得到验证的气动人工肌肉数学模型和并联隔振系统的动力学模型进行实验及仿真研究；并且搭建了隔振实验平台，进行了系统的隔振实验，通过系统奇异接近度指标和系统刚度参数的不断调整、检测和优化隔振系统的隔振效果，最终得到了并联低刚度系统隔振效果的最优解，从而证明了隔振系统数学模型的正确性和近奇异变刚度隔振原理的可行性，也为主动变刚度隔振和抗冲技术研究奠定了研究基础。
【图文】：

隔振技术,机械结构

1.1.2 隔振技术发展历程振动控制技术的起源伴随机械结构的诞生而来，自原始的机械结构诞生以来，人们便有意识的去控制和降低机械结构的振动。直到十七世纪末期，振动控制技术这一概念在西方学术界才被正式提出，并很快成为大家所公认的技术理念。而随着科学技术的不断发展和提高，振动控制技术得以不断的发展，五十年代末六十年代初振动主动控制技术开始被提出研究，直至七十年代，振动主动控制技术才成为研究的热点，并逐步开始应用于工程领域中。八十年代中后期，，该技术进入快速发展阶段，各种理论和研究成果不断问世，航天、航海、车辆及建筑行业的振动控制实例不断增加[3]，其经典应用范例如图 1-1 所示。

气动人工肌肉,实物,橡胶

十八世纪九十年代末期，德国的 FESTO 公司推出了一款新型的气动人工肌商品，该产品被称为 Fluidic Muscle，这种型号的气动人工肌肉所具有的最大特色就是向橡胶筒的橡胶中直接嵌入经过硫化的纤维编织网，这种技术手段大增加了气动人工肌肉的工作疲劳寿命[16]。费斯托公司所推出的气动人工肌肉借其优良的性能，逐步的被广泛应用于现代化生产的各个领域。McKibben 型动肌肉是目前获得应用最为广泛的气动人工肌肉，也是目前现有的公开发表相文献期刊介绍和研究最多的一类气动肌肉。McKibben 肌肉外形呈现为圆筒状构，内部结构大致为橡胶筒的两端部和编织纤维层的两端部与两端的连接堵头件紧密固定连接，同时堵头附件还用于实现力的传导和密封的作用。FESTO产的 McKibben 气动人工肌肉采用橡胶和尼龙纤维作为主要材料，内部的橡胶筒和外部正反双向螺旋线编织纤维编织层共同组成气动人工肌肉，McKibben动人工肌肉实物如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：河南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB535.1

【参考文献】