CN109000912B - 一种气动肌肉疲劳寿命测试评价系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种气动肌肉疲劳寿命测试评价系统，包含控制单元、三组检测单元、三组负载单元和空压机。检测单元包括气动肌肉、气压传感器和拉绳传感器；控制单元包括控制器、驱动电路板和高速开关电磁阀；负载单元包括气缸和三联件。驱动电路板根据控制器的指令控制高速开关电磁阀的状态以控制气动肌肉进行充放气；控制器根据气压传感器不同时刻反馈数据之差与设定的差值范围判断气动肌肉是否漏气疲劳，并根据拉绳传感器反馈数据与气动肌肉原长之差与设定的误差范围判断气动肌肉输出性能是否满足工作要求。该系统可同时检测三根气动肌肉在不同收缩率及负载下的疲劳寿命，能对气动肌肉疲劳寿命进行准确测试，有效的预测以气动肌肉为驱动器的机器人使用寿命。

Description

一种气动肌肉疲劳寿命测试评价系统

技术领域

本发明属于检测技术领域，涉及一种气动肌肉疲劳寿命测试评价系统。

背景技术

机器人领域在过去几十年发生了翻天覆地的变化，为实现机器人的仿生要求，机器人的研究也不仅仅局限于传统刚性驱动器，气动肌肉满足作为仿生机器人驱动器的特性要求，可以增加功率密度比，使之具有良好的柔顺性，气动肌肉如今成为一种应用范围极为广泛的机器人驱动器。为降低成本，便于使用，各研究团队根据自身诉求研究的自制气动肌肉应运而生，为预测其驱动的机器人工作寿命，检测自制气动肌肉的疲劳寿命显得至关重要。

自制气动肌肉在制作完成之后，需要经过疲劳寿命测试系统检测，现有的拉伸疲劳实验机每次只能拉伸一根弹簧，且不易安装气动驱动装置，拉伸行程范围有限，不适用于自制气动肌肉的疲劳寿命检测。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一套操作简单方便的自制气动肌肉疲劳寿命测试评价系统，结构简单、紧凑，价格低廉，可同时检测多根自制气动肌肉疲劳寿命。

本发明提供一种气动肌肉疲劳寿命测试评价系统，包括：控制单元、三组检测单元、三组负载单元和空压机；

每组检测单元包括气动肌肉、气压传感器和拉绳传感器，所述气压传感器用于实时检测气动肌肉的内压并反馈到控制单元，所述拉绳传感器用于检测气动肌肉的收缩长度并反馈到控制单元；

所述控制单元包括依次连接的Arduino控制器、驱动电路板和高速开关电磁阀；高速开关电磁阀的进气端通过气管依次与第一三联件和空压机相连接，高速开关电磁阀的支路通过气管分别与每组检测单元的气动肌肉相连接；驱动电路板根据Arduino控制器的指令控制高速开关电磁阀各支路进气口和排气口的开关状态以控制气动肌肉进行充气或放气；Arduino控制器根据气压传感器不同时刻反馈数据之差与设定的差值范围判断气动肌肉是否漏气疲劳，并根据拉绳传感器反馈数据与气动肌肉原长之差与设定的误差范围判断气动肌肉输出性能是否满足工作要求；

每组负载单元包括气缸和第二三联件，气缸活塞杆与气动肌肉一端连接为气动肌肉提供负载，气缸通过气管依次与第二三联件和空压机连接。

在本发明的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统中，所述Arduino控制器包括：充气命令模块、放气命令模块、气压判断命令模块、气动肌肉输出性能判断模块及计数与显示模块；

所述充气命令模块用于向驱动电路板输出充气指令；

所述放气命令模块用于向驱动电路板输出放气指令；

所述气压判断命令模块用于根据气压传感器不同时刻反馈数据之差与设定的差值范围判断气动肌肉是否漏气疲劳；

所述气动肌肉输出性能判断模块用于根据拉绳传感器反馈数据与气动肌肉原长之差与设定的误差范围判断气动肌肉输出性能是否满足工作要求；

所述计数与显示模块用于记录和显示充放气的循环次数。

在本发明的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统中，所述控制单元、三组检测单元和三组负载单元搭载于自调节操作台上，所述自调节操作台包括底座、两根竖直杆和移动杆，两根竖直杆平行设置于底座两端，移动杆两端分别通过锚式连接销与两根竖直杆相连接，移动杆可沿竖直杆上下移动，以改变移动杆与底座的距离。

在本发明的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统中，所述气动肌肉的上端通过铸直角连接紧固件安装在移动杆上，气动肌肉下端依次通过扣环、I型接头与气缸活塞杆输出端连接，气缸的底座通过铸直角连接紧固件固定到底座上。

在本发明的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统中，所述拉绳传感器的基座固定在移动杆上，拉绳部分通过固定在I型接头下方的角型转接钢片与气缸活塞杆输出端相连；所述角型转接钢片一端通过安装孔与气缸活塞杆输出端固定，另一端安装有与拉绳部分相连解的固定栓。

在本发明的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统中，所述第二三联件固定在移动杆上，所述第一三联件固定在竖直杆上。

在本发明的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统中，所述系统设有控制盒，所述Arduino控制器、驱动电路板、高速开关电磁阀和气压传感器设置在控制盒内。

在本发明的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统中，所述系统还包括与Arduino控制器相连接的操作屏，所述操作屏设置在控制盒上。

本发明的测试评价系统方便简单，操作者只需将待测自制气动肌肉安装在气缸和移动杆之间，通气端与高速开关电磁阀相连，同时调节第二三联件，使气缸的压强达到用户所需负载。用户根据需求，设定好Arduino控制器中的控制程序参数，包括气动肌肉最大充气压力、气动肌肉内气压差值范围及气动肌肉收缩长度差值范围，然后启动系统，自制气动肌肉会循环充气和放气，气缸为其提供不同负载，负载可根据待测者要求改变。操作屏上显示自制气动肌肉驱动次数，直到自制气动肌肉疲劳，操作屏停止在某一数字，显示自制气动肌肉已损坏，表明自制气动肌肉的疲劳寿命，系统停止。本系统可检测自制气动肌肉的四种疲劳形式，即气动肌肉漏气、编织网丝断裂、堵头脱落、驱动性能降低无法达到应用要求。本发明能够有效解决自制气动肌肉疲劳寿命测试问题，而且本发明结构简单、紧凑，价格低廉，可同时检测多根自制气动肌肉疲劳寿命。因此，本发明突破了现有拉伸疲劳试验机对于测试自制气动肌肉疲劳寿命局限性。

附图说明

图1是本发明的一种气动肌肉疲劳寿命测试评价系统的框图；

图2是本发明的一种气动肌肉疲劳寿命测试评价系统的结构图；

图3是本发明的一种气动肌肉疲劳寿命测试评价系统的测试流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种气动肌肉疲劳寿命测试评价系统，包括：控制单元、三组检测单元、三组负载单元和空压机。

每组检测单元包括气动肌肉6、气压传感器7和拉绳传感器8，所述气压传感器7用于实时检测气动肌肉6的内压并反馈到控制单元，所述拉绳传感器8用于检测气动肌肉6的收缩长度并反馈到控制单元。

所述控制单元包括依次连接的Arduino控制器1、驱动电路板2和高速开关电磁阀3。高速开关电磁阀3的进气端通过气管依次与第一三联件4和空压机5相连接，高速开关电磁阀3的支路通过气管分别与每组检测单元的气动肌肉6相连接。驱动电路2板根据Arduino控制器1的指令控制高速开关电磁阀3各支路进气口和排气口的开关状态以控制气动肌肉6进行充气或放气。Arduino控制器1根据气压传感器7不同时刻反馈数据之差与设定的差值范围判断气动肌肉6是否漏气疲劳，并根据拉绳传感器8反馈数据与气动肌肉原长之差与设定的误差范围判断气动肌肉6输出性能是否满足工作要求。所述Arduino控制器1包括：充气命令模块、放气命令模块、气压判断命令模块、气动肌肉输出性能判断模块及计数与显示模块。所述充气命令模块向驱动电路板2输出充气指令，高速开关电磁阀3打开控制气动肌肉6充气到指定要求气压；所述气压判断命令模块根据气压传感器7不同时刻反馈数据之差与设定的差值范围判断气动肌肉6是否漏气疲劳；所述气动肌肉输出性能判断模块用于根据拉绳传感器8反馈数据与气动肌肉原长之差与设定的误差范围判断气动肌肉6输出性能是否满足工作程要求；若无漏气现象且收缩长度在工作要求范围内，放气命令模块向驱动电路板2输出放气指令，气动肌肉6放气至恢复原长，完成一次循环；计数与显示模块记录并显示充放气的循环次数。若上述判断条件不满足，则程序终止，显示气动肌肉疲劳状态。

每组负载单元包括气缸9和第二三联件10，气缸活塞杆与气动肌肉6一端连接为气动肌肉6提供负载，气缸9通过气管依次与第二三联件10和空压机5连接。空压机5为气缸9和气动肌肉6提供气源，气缸9为气动肌肉6提供负载，第二三联件10串联于空压机5和气缸9之间，第一三联件4串联于空压机5和高速开关电磁阀3之间，进而实现气缸9内调压、气体过滤及限制通入气动肌肉6内最大气压，防止气压过大。

具体实施时，驱动电路板2包括接线柱、SR260二极管、TIP31C三极管、LM324运算放大器芯片、电阻、电容、自锁开关。运算放大器芯片用于增加输入阻抗；二极管与电磁阀并联，防止反电动势，当电磁线圈电压突变时起泄流作用；TIP31C三极管是起控制阀的开关作用，电容和电阻用于保护电路。

如图2所示，所述控制单元、三组检测单元和三组负载单元搭载于自调节操作台上，自调节操作台由4040A型号铝型材组成，包括底座11、两根竖直杆12和移动杆13。两根竖直杆12平行设置于底座11两端，移动杆13两端分别通过锚式连接销与两根竖直杆12相连接，移动杆13可沿竖直杆12上下移动，以改变移动杆13与底座11的距离。

所述气动肌肉6的上端通过铸直角连接紧固件安装在移动杆13上，气动肌肉6下端依次通过扣环14、I型接头15与气缸活塞杆输出端连接，便于实现待测气动肌肉6与气缸9间的装配和拆卸，气缸9的底座通过铸直角连接紧固件固定到底座11上。

所述拉绳传感器8的基座固定在移动杆13上，拉绳部分通过固定在I型接头15下方的角型转接钢片16与气缸活塞杆输出端相连；所述角型转接钢片16一端通过安装孔与气缸活塞杆输出端固定，另一端安装有与拉绳部分相连解的固定栓。所述第二三联件10固定在移动杆13上，所述第一三联件4固定在竖直杆12上。

所述系统设有控制盒18，所述Arduino控制器1、驱动电路板2、高速开关电磁阀3和气压传感器7设置在控制盒18内。系统还包括与Arduino控制器1相连接的操作屏17，所述操作屏17设置在控制盒18上。

如图3所示为本发明的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统的测试流程图，具体测试过程如下：

操作者只需要将被测气动肌肉7的两端分别固定在移动杆10和气缸11之间，通气端与高速开关电磁阀3相连，同时调节第二三联件10，使气缸9的压强达到用户所需负载。用户根据需求，设定好Arduino控制器1中的控制程序参数，包括气动肌肉6最大充气压力、气动肌肉6内气压差值范围及气动肌肉收缩长度差值范围，然后启动驱动电路板2上的开关，驱动电路板2根据Arduino控制器1的命令驱动高速开关电磁阀3，高速开关电磁阀3会按照设定好的程序驱动气动肌肉6，实现气动肌肉6加压和减压。首先控制气动肌肉6内气压达到用户指定气压，通过气压传感器7检测是否达到指定气压，并将数据通过Arduino控制器1传到操作屏17，气压保持5s，气压传感器7检测气动肌肉6内气压，并将数据通过Arduino控制器1传到操作屏17，根据如上两次气压传感器反馈数据之差与设定的差值范围判断气动肌肉6是否漏气疲劳，拉绳传感器8检测气动肌肉6最大收缩长度，并将数据通过Arduino控制器1传到操作屏17，根据拉绳传感器8反馈数据和气动肌肉原长之差与用户根据工作实际定义差值范围判断气动肌肉6输出性能是否满足工作要求，若无漏气现象且收缩长度在工作要求范围内，放气命令模块执行，气动肌肉6放气至恢复原长，循环一次，气动肌肉6每循环一次充放气，操作屏17上的数据会增加1。若上述判断条件不满足，程序终止，表示气动肌肉6疲劳，操作屏17上数字会停止在正常工作的最后一次循环时的数字，且会显示“The PAMhas been broken.”该系统可同时对3根自制气动肌肉6进行检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气动肌肉疲劳寿命测试评价系统，其特征在于，包括：控制单元、三组检测单元、三组负载单元和空压机；

每组检测单元包括气动肌肉、气压传感器和拉绳传感器，所述气压传感器用于实时检测气动肌肉的内压并反馈到控制单元，所述拉绳传感器用于检测气动肌肉的收缩长度并反馈到控制单元；

所述控制单元包括依次连接的Arduino控制器、驱动电路板和高速开关电磁阀；高速开关电磁阀的进气端通过气管依次与第一三联件和空压机相连接，高速开关电磁阀的支路通过气管分别与每组检测单元的气动肌肉相连接；驱动电路板根据Arduino控制器的指令控制高速开关电磁阀各支路进气口和排气口的开关状态以控制气动肌肉进行充气或放气；Arduino控制器根据气压传感器不同时刻反馈数据之差与设定的差值范围判断气动肌肉是否漏气疲劳，并根据拉绳传感器反馈数据与气动肌肉原长之差与设定的误差范围判断气动肌肉输出性能是否满足工作要求；

每组负载单元包括气缸和第二三联件，气缸活塞杆与气动肌肉一端连接为气动肌肉提供负载，气缸通过气管依次与第二三联件和空压机连接；

所述Arduino控制器包括：充气命令模块、放气命令模块、气压判断命令模块、气动肌肉输出性能判断模块及计数与显示模块；

所述充气命令模块用于向驱动电路板输出充气指令，高速开关电磁阀打开控制气动肌肉充气到指定要求气压；

所述气压判断命令模块用于根据气压传感器不同时刻反馈数据之差与设定的差值范围判断气动肌肉是否漏气疲劳；

所述气动肌肉输出性能判断模块用于根据拉绳传感器反馈数据与气动肌肉原长之差与设定的误差范围判断气动肌肉输出性能是否满足工作要求；

若无漏气现象且收缩长度在工作要求范围内，所述放气命令模块用于向驱动电路板输出放气指令，气动肌肉放气至恢复原长，完成一次循环；若上述判断条件不满足，则程序终止，显示气动肌肉疲劳状态；

所述计数与显示模块用于记录和显示充放气的循环次数，从而获得气动肌肉的疲劳寿命。

2.如权利要求1所述的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统，其特征在于，所述控制单元、三组检测单元和三组负载单元搭载于自调节操作台上，所述自调节操作台包括底座、两根竖直杆和移动杆，两根竖直杆平行设置于底座两端，移动杆两端分别通过锚式连接销与两根竖直杆相连接，移动杆可沿竖直杆上下移动，以改变移动杆与底座的距离。

3.如权利要求2所述的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统，其特征在于，所述气动肌肉的上端通过铸直角连接紧固件安装在移动杆上，气动肌肉下端依次通过扣环、I型接头与气缸活塞杆输出端连接，气缸的底座通过铸直角连接紧固件固定到底座上。

4.如权利要求2所述的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统，其特征在于，所述拉绳传感器的基座固定在移动杆上，拉绳部分通过固定在I型接头下方的角型转接钢片与气缸活塞杆输出端相连；所述角型转接钢片一端通过安装孔与气缸活塞杆输出端固定，另一端安装有与拉绳部分相连解的固定栓。

5.如权利要求2所述的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统，其特征在于，所述第二三联件固定在移动杆上，所述第一三联件固定在竖直杆上。

6.如权利要求2所述的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统，其特征在于，所述系统设有控制盒，所述Arduino控制器、驱动电路板、高速开关电磁阀和气压传感器设置在控制盒内。

7.如权利要求6所述的气动肌肉疲劳寿命测试评价系统，其特征在于，所述系统还包括与Arduino控制器相连接的操作屏，所述操作屏设置在控制盒上。

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