CN108572073A - 弯曲型气动人工肌肉测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弯曲型气动人工肌肉测试系统，包括：传动装置、检测装置、控制模块、气动模块。在测试过程中，控制采集板21通过控制电气比例阀11来调节气动人工肌肉23的内部气压值，控制回转台3的转动来调节拉力传感器6与活动支撑板7之间的作用力。控制采集板21自动控制整个实验过程，并将实验数据传回计算机22中并实时显示出来。气动人工肌肉23的弯曲角度通过安装在固定支撑板15和活动支撑板7连接处的旋转编码器8来检测。气动人工肌肉23提供的弯曲力矩通过活动支撑板7对侧的拉力传感器6来测量，力与固定力臂的乘积得到力矩。本发明可以对气压下实现弯曲运动或旋转运动的气动人工肌肉23进行测试，包括静态特性测试和动态特性测试。

Description

弯曲型气动人工肌肉测试系统

技术领域

本发明属于气动人工肌肉测试技术领域，特别涉及一种弯曲型气动人工肌肉测试系统。

背景技术

气动人工肌肉(PAM)是一种柔性驱动器，具有柔性高、重量轻、无污染等优点。近年来，随着可穿戴设备和仿生机器人技术的进一步发展，人们对气动人工肌肉的研究越来越重视。目前最典型的气动肌肉为Mckibben型气动人工肌肉，该类型气动人工肌肉主要由弹性橡胶管、编织网和卡箍组成。当对人工肌肉充气后，内部弹性橡胶管开始膨胀，在外面编织网的约束下，人工肌肉径向膨胀，纵向收缩，使人工肌肉整体长度变短，提供收缩力。中国发明专利CN105445008A公开了一种气动人工肌肉静态特性综合测试装置及驱动，该测试装置将气动人工肌肉一端连接支撑架，一端连接拉力传感器，拉力传感器的另一端与气缸的驱动端相连。气缸通过气缸连接板安装在滑块上，滑块可以沿导轨滑动，手轮控制丝杆转动调节滑块的位置。该发明可以对充气收缩型气动人工肌肉的静态特性进行测试。中国发明专利CN103940599B提出了一种气动肌肉/气缸综合测试系统，该发明以无摩擦气缸作为驱动装置，通过分别控制无摩擦气缸的有杆腔、无杆腔和气动肌肉的气压，实现充气收缩型气动肌肉的静态测试。该测试系统只能对某一特定型号的气动人工肌肉进行静态测试。

随着医疗康复领域(如外骨骼)、软体机器人领域的日趋崛起，提供收缩力的直线型气动人工肌肉已经无法满足使用的要求。最近几年，一些研究人员研制出了充气后可以实现弯曲或者旋转运动的气动人工肌肉，而这类新型气动人工肌肉仍然没有固定的方法和测试系统去测试其特性，所以迫切需要一种专门用于测试弯曲型气动人工肌肉特性的平台。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种操作简单、适应性广、测量准确的弯曲型气动人工肌肉测试系统。

所述的弯曲型气动人工肌肉测试系统，主要包括传动装置、检测装置、控制模块、气动模块。

所述传动装置是由步进电机、蜗轮、蜗杆和圆环台面组成的回转台，拉力传感器与圆环台面固定。在测试过程中，回转台控制拉力传感器的转动，从而调节活动支撑板和拉力传感器之间的作用力。圆环台面的的回转精度非常高，当步进电机采用20细分时，圆环台面角度分辨率甚至可以达到0.0005°，这完全可以满足气动人工肌肉测试的要求。

所述检测装置由旋转编码器、拉力传感器组成。旋转编码器安装在固定支撑板和活动支撑板旋转中心处，用来检测固定支撑板和活动支撑板之间的角度，该角度就是气动人工肌肉的弯曲角度。拉力传感器安装在回转台上，测量端与活动支撑板侧面接触，用于检测气动人工肌肉提供的力，力与力臂的乘积即为人工肌肉提供的力矩。旋转编码器和拉力传感器都选用高精度传感器，可以识别到极其微小的角度变化和力的变化。

所述控制模块由计算机、控制采集板、电机驱动器、调压模块等电子器件组成。控制采集板根据检测装置采集到的数据控制回转台的转动。气动人工肌肉的整个测试过程都由控制采集板直接控制，并且记录传感器采集到的数据，将其上传到计算机中。

所述气动模块由空压机、气动三联件、电气比例阀组成。空压机作为气源，为人工肌肉提供空气。气动三联件对进入的空气进行净化、过滤和减压，使气压值降低到电气比例阀进气口气压的允许值。电气比例阀对进入的空气进行再一次减压，并根据测试内容的需要控制人工肌肉内部气压值。

所述传动装置安装在主底座上，步进电机通过蜗轮蜗杆机构将动力传递给圆环台面，使圆环台面转动。支撑架将固定支撑板固定并悬于圆环台面上方。旋转编码器安装在固定支撑板和活动支撑板的旋转轴上。拉力传感器通过安装板垂直安装在圆环台面上，一端与安装板固定，另一端顶在活动支撑板侧面上。气动人工肌肉一端安装在固定支撑板侧面，另一端安装在活动支撑板侧面。当气动人工肌肉内部具有气压后，产生力矩，在力的作用下使活动支撑板和拉力传感器接触在一起。气动三联件通过宽底座和宽竖板垂直地面安装，电气比例阀也通过窄底座和窄竖板垂直地面安装，彼此之间的位置可以根据安装空间进行调整。测试人员通过在计算机中选择实验内容和设定参数，将程序上传至控制采集板，控制采集板将自动控制整个实验过程，并将实验数据传回计算机中并实时显示出来。

本发明的弯曲型气动人工肌肉测试系统可以用来测试具有气压时可以实现弯曲运动或者旋转运动的气动人工肌肉。测试内容包括气动人工肌肉的静态特性测试和动态特性测试。该类型气动人工肌肉的特性由气压、角度、力矩这三个参数决定。当人工肌肉内部气压恒定时，测试系统可以测量角度和力矩之间的关系；当人工肌肉的角度恒定时，测试系统可以测量气压和力矩之间的关系；当人工肌肉提供的力矩恒定时，测试系统可以测量气压和角度之间的关系。该测试系统也可以通过多个传感器的反馈信息进行控制，使驱动装置执行相应动作从而测出人工肌肉的动态特性。

本发明的弯曲型气动人工肌肉测试系统具有广泛的适用性，在硬件系统不变的情况下改编程序，可以进行多种实验测试。

附图说明

图1是弯曲型气动人工肌肉测试系统的整体布局图；

图2是弯曲型气动人工肌肉测试系统人工肌肉测试台俯视图；

图3是弯曲型气动人工肌肉测试系统测量原理图；

图中：1、空压机，2、主底座，3、回转台，4、圆环台面，5、安装板，6、拉力传感器，7、活动支撑板，8、旋转编码器，9、气动三联件，10、宽竖板，11、电气比例阀，12、宽底座，13、窄竖板，14、窄底座，15、固定支撑板，16、支撑架，17、步进电机，18、过滤器，19、减压阀20、油雾器，21、控制采集板，22、计算机，23、气动人工肌肉

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明弯曲型气动人工肌肉测试系统主要由传动装置、检测装置、控制模块、气动模块等组成。

传动装置是由步进电机17、蜗轮、蜗杆和圆环台面4组成的回转台3，安装在主底座2上。支撑架16将固定支撑板15固定在圆环台面4上方，固定支撑板15和活动支撑板7之间通过轴连接。气动人工肌肉23一端固定在固定支撑板15上，另一端固定在活动支撑板7上。气动人工肌肉23的安装位置处留有很大安装空间，并设计了可调节固定装置，以安装不同大小尺寸的人工肌肉23。在测试过程中，步进电机17通过蜗轮蜗杆机构使圆环台面4和拉力传感器6转动，从而调节活动支撑板7和拉力传感器6之间的作用力。

检测装置由旋转编码器8和拉力传感器6组成。旋转编码器8安装在固定支撑板15和活动支撑板7的旋转轴上，测试过程中活动支撑板7绕固定支撑板15转动的角度信息通过安装在中心处的旋转编码器8获得。拉力传感器6通过安装板5固定在圆环台面4上，测量端与活动支撑板7侧面接触，用于测量活动支撑板7和拉力传感器6之间的作用力。该力即为气动人工肌肉23提供的力，力乘以力臂就可以得到气动人工肌肉23提供的力矩。

控制模块由计算机22、控制采集板21等电子器件组成。控制采集板21根据旋转编码器8和拉力传感器6反馈的信息，驱动步进电机17转动，使人工肌肉23转动一定的角度。具体的三者之间的反馈控制关系由实验内容决定，不同实验过程中控制对象和反馈单元是不同的。整个测试过程由控制采集板21自动控制，控制采集板21将采到的实验数据储存下来，实时上传到计算机22上并显示出来。

所述气动模块由空压机1、气动三联件9、电气比例阀11组成。由于实验过程中需要对气动人工肌肉23进行充气和放气，所以选用空压机1作为气源，以保证在长时间测试过程中具有充足的气体。空压机1通过气管与气动三联件9相连。气动三联件9由空气过滤器18、减压阀19和油雾器20组成，通过宽底座12和宽竖板10垂直地面安装。空气过滤器18对空气进行净化过滤，以保证进入气动模块的空气清洁。减压阀19对气源进行稳压，使出气口的压力减小，以达到电气比例阀11进气口允许的气压范围内。根据气动人工肌肉测试的需要，调节手动滚轮使减压阀出口气压减小，并且符合电气比例阀进气口的允许值。油雾器20对整个气动模块的部件进行润滑，延长部件的使用寿命。气动三联件9的出气口通过气管与电气比例阀11的进气口相连。电气比例阀11通过窄底座14和窄竖板13垂直地面安装。电气比例阀11作为一种高精度气压调节装置，对进入其进气口的气压再次进行减压，然后输出恒定的输出气压。在测试过程中，电气比例阀11根据旋转编码器8和拉力传感器6采集到的数据实时调节气动人工肌肉23内部的气压值。通过调节电气比例阀11输入信号的电压值可以精确控制出气口的气压值。

弯曲型或旋转型气动人工肌肉的特性由气压、角度、力矩这三个参数决定。气动人工肌肉的特性测试可分为静态测试和动态测试。静态测试内容通常为固定其中一个参数不变，测试另外两个参数之间的关系。即气动人工肌肉内部气压恒定时，测量角度和力矩之间的关系。人工肌肉的角度恒定时，测量气压和力矩之间的关系。人工肌肉提供的力矩恒定时，测量气压和角度之间的关系。而人工肌肉的动态特性需要根据人工肌肉特定使用方式和要求来制定。本发明的弯曲型气动人工肌肉测试系统可以实现各类动态测试实验，只需要按需要编写相应的程序即可。

以下是对所述测试系统实现对弯曲型气动人工肌肉23静态测试具体过程的阐述：

(1)使气压恒定，测量角度和力矩之间的关系。

首先在计算机22上设定待测的气压值，空气在经过气动三联件9减压后输入到电气比例阀11中。电气比例阀11具有自动调节气压的能力，将出口气压始终限定为设定值，从而控制人工肌肉23气压为恒定值。然后，控制采集板21控制回转台3连续转动，转动的角度信息通过编码器反馈给控制采集板21。当达到待测角度时回转台3停止运动，压力传感器采集此时的压力值，力乘以固定力臂得到力矩。随后测试过程重复上面的过程，直到待测角度到达最大测量值。

(2)使角度恒定，测量气压和力矩之间的关系。

首先在计算机22上设定人工肌肉23待测的角度，控制采集板21通过编码器反馈的角度信息控制回转台3转动到对应的角度。然后，控制采集板21通过调节电气比例阀11的设定气压，使人工肌肉23内部气压逐渐升高，并同时记录压力传感器采到的对应压力值。测得的压力值乘以力臂长度得到力矩值。

(3)使力矩恒定，测量气压和角度之间的关系。

由于气动人工肌肉23内部的气压只能连续增加，无法突变，所以提供的力矩也只能是连续变化。所以当人工肌肉23内部气压由零开始增加时，刚开始的过程中人工肌肉23无法提供设定的力矩值。当到达一定气压后人工肌肉23可以提供设定的力矩，随着气压的增加，为了保证力矩恒定，控制采集板21控制回转台3向力矩减小的方向转动，旋转编码器8实时采集角度信息。

以上只是对本发明其中的一个实施例进行了说明，但所述内容仅为本发明优选实施例，不能作为对本发明实施例的限定。凡是根据本发明申请范围所作的调整与优化等，仍属于本发明专利所涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种弯曲型气动人工肌肉测试系统，其特征在于：所述弯曲型气动人工肌肉测试系统由传动装置、检测装置、控制模块、气动模块组成。

所述传动装置是由步进电机17、蜗轮、蜗杆和圆环台面4组成的回转台3。在测试过程中，回转台3控制拉力传感器6的转动，从而调节活动支撑板7和拉力传感器6之间的作用力。

所述检测装置由旋转编码器8和拉力传感器6组成。旋转编码器8安装在固定支撑板15和活动支撑板7的旋转轴上，用来检测固定支撑板15和活动支撑板7之间的角度。拉力传感器6安装在圆环台面4上，测量端与活动支撑板7侧面接触，用于测量气动人工肌肉23产生的力，力与力臂的乘积即为人工肌肉23提供的力矩。

所述控制模块由计算机22、控制采集板21等电子器件组成。控制采集板21根据旋转编码器8和拉力传感器6采集到的数据控制回转台3的转动。控制采集板21控制气动人工肌肉23的整个测试过程，记录传感器采集到的数据，并将其传回计算机22中并实时显示出来。

所述气动模块由空压机1、气动三联件9、电气比例阀11组成。空压机1作为气源给气动人工肌肉23提供充足的空气。气动三联件9对气源提供的空气进行净化、过滤和减压，使通往电气比例阀11的空气压力达到电气比例阀11输入压力的允许值。电气比例阀11的作用是控制气动人工肌肉23内部的气压恒定，在测试过程中根据测试内容实时调节气动人工肌肉23内部的气压值。

该测试系统可以对气压下实现弯曲运动或旋转运动的气动人工肌肉23进行测试，包括静态特性测试和动态特性测试。

2.根据权利要求1所述的弯曲型气动人工肌肉测试系统，其特征在于，所述固定支撑板15通过支撑架16固定，并悬于圆环台面4上方。

3.根据权利要求1所述的弯曲型气动人工肌肉测试系统，其特征在于，所述步进电机17通过蜗轮蜗杆机构控制回转台3的转动并使拉力传感器6做旋转运动。

4.根据权利要求1所述的弯曲型气动人工肌肉测试系统，其特征在于，所述旋转编码器8通过检测固定支撑板15和活动支撑板7之间的角度来检测人工肌肉23的弯曲角度。

5.根据权利要求1所述的弯曲型气动人工肌肉测试系统，其特征在于，所述拉力传感器6装在活动支撑板7的另一侧，用来检测人工肌肉23提供的力。

6.根据权利要求1所述的弯曲型气动人工肌肉测试系统，其特征在于，所述电气比例阀11用来控制和调节气动人工肌肉23的内部气压值。

7.根据权利要求1所述的弯曲型气动人工肌肉测试系统，其特征在于，所述静态特性测试为测量气压、角度、力矩这三个参数之间的关系。