CN110530663A - 一种直线型气动人工肌肉测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线型气动人工肌肉测试系统，包括：传动模块、测量控制模块、信号检测模块、信号采集模块。本发明的测试系统可以用来测试加压收缩或者伸长的直线型气动人工肌肉。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。所述直线型气动人工肌肉的特性由气压、位移、力这三个参数决定。当人工肌肉内部气压恒定时，测试系统可以测量位移和力之间的关系；当人工肌肉的位移恒定时，测试系统可以测量气压和力之间的关系；当人工肌肉提供的力恒定时，测试系统可以测量气压和位移之间的关系。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。

Description

一种直线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，特别涉及一种直线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，具有重量轻、柔性强、无污染、制作工艺简单等优点。近年来，随着可穿戴设备和仿生机器人技术的发展，设备穿戴的简易轻便性，仿生机器人的控制柔顺性越来越成为科研人员所关注的重点。对于不同的使用场合，气动人工肌肉的类型也不相同，常见的有弯曲性气动人工肌肉和直线型气动人工肌肉，由于较高的线性度以及较强的佩戴适应性，直线型气动人工肌肉在各个领域都得到了广泛的应用。当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。由于直线型气动人工肌肉的广泛使用，研究探索其特性显得十分重要。关于气动人工肌肉测试平台的发明与研究也有了一定的发展，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。

对于现有关于直线型气动人工肌肉测试平台的研究，存在自身的局限性，首先是对于描述直线型气动人工肌肉特性的气压、变形量以及力的测量，现有的测试平台无法完全的测量，特别是恒定负载条件下，人工肌肉特性的测量；其次，现有的测试平台由于设计以及器件的局限性，无法完成动态测试实验，然而对于气动人工肌肉的测量，不仅要模拟其静态作用过程中的特性的测量，气动肌肉的实际使用状态为动态过程，这个过程也要进行研究和探索。基于上述需求本文设计了一类用于测试直线型气动人工肌肉特性的平台，能够较好的研究静态、动态条件下直线型气动人工肌肉的特性。

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、适应性广泛、测量精度高的直线型气动人工肌肉测试系统。

本发明的技术方案如下。

本发明第一方面提供了一种直线型气动人工肌肉测试系统，包括：传动模块、测量控制模块、信号检测模块、信号采集模块；其中

所述传动模块包括伺服电缸、支撑底架、安装板、实验支撑架，以及调节板；所述支撑底架和实验支撑架通过安装板连接，所述伺服电缸通过所述安装板固定在所述支撑底架上；

所述测量控制模块包括气压调节装置、位移调节装置和负载调节装置；其用于对气动人工肌肉内部的气压进行定位调节和梯度调节，以及调节气动人工肌肉的形变和带载；

所述信号检测模块包括伺服电缸相关电路、拉力传感器，以及气压传感器；所述拉力传感器固定在所述实验支撑架的一端；所述气动人工肌肉一端固定在所述拉力传感器的一端上，另一端固定在伺服电缸的活动端上；

所述信号采集模块包括控制采集板，以及具有上位机界面的计算机。

优选地，所述调节板的位置能够改变以适应不同类型的气动人工肌肉；所述安装板、实验支撑架、调节板固定在所述支撑底架上方；所述伺服电缸能够通过调节输出端负载为所述气动人工肌肉提供负载；所述伺服电缸的输出端位移能够为气动人工肌肉提供形变，由此通过调节气动人工肌肉带载和位移的变化，改变所述气动人工肌肉与所述拉力传感器之间的作用力。

优选地，所述气压调节装置包括空压机、气动三联件、电气比例阀，其能够改变所述气动人工肌肉内部的气压改变其变形量及带载，使其进行直线运动；所述计算机能够控制所述电气比例阀对气动人工肌肉内部的气压进行定位调节和梯度调节；

所述位移调节装置包括伺服电缸附加检测电路；调节所述伺服电缸附加电路能够调节气动人工肌肉的形变；

所述负载调节装置能够调节伺服电缸输出端的负载，从而改变所述气动人工肌肉的带载。

优选地，所述伺服电缸相关电路能够采集电缸输出端的位移，由此获取气动人工肌肉的变形量；拉力传感器能够检测采集不同负载和变形量下气动人工肌肉的输出力；气压传感器能够检测采集不同变形量及输出力下，气动人工肌肉内部的气压值；采集记录的数据通过串口上传到计算机，通过所述上位机界面实时显示。

优选地，所述伺服电缸安装在所述气动人工肌肉的一端；所述拉力传感器装在所述调节板上；所述气压传感器安装在所述支撑底架侧面，连接到气动人工肌肉进出气端。

优选地，所述控制采集板能够根据实验要求协同控制完成气压调节、带载调节及位移调节，同时采集信号并实时传送给所述计算机；

所述计算机能够对接收的数据结果进行实时的保存、处理、绘图。

优选地，所述直线型气动人工肌肉包括加压伸长运动的直线型气动人工肌肉，以及加压收缩运动的直线型气动人工肌肉。

本发明第二方面提供了一种对直线型气动人工肌肉进行测试的方法，包括如下步骤：

步骤S11，将被测的直线型气动人工肌肉固定在根据以上技术方案中任一项所述的直线型气动人工肌肉测试系统上；

步骤S12，通过气压调节装置调节气动人工肌肉内部的气压到气压调节的初始值，

步骤S13，调节伺服电缸的行程，直到气动人工肌肉到达初始位置，此过程中利用串口输出测试模块的气压、力、位移值，并利用上位机图形显示界面实时的保存绘图显示；

步骤S14，利用气压调节模块将所述直线型气动人工肌肉内部气压调至第一气压，重复上述步骤S13，按照设定的气压调节梯度，循环调节气压直到气压达到第二气压，得到各个气压条件下位移和力的关系。

本发明第三方面提供了一种对直线型气动人工肌肉进行测试的方法，包括如下步骤：

步骤S21，将被测的直线型气动人工肌肉固定在以上技术方案中任一项所述的直线型气动人工肌肉测试系统上；

步骤S22，调节伺服电缸行进第一位移并锁定伺服电缸在位移下不变；

步骤S23，利用气压调节模块按照预定的调节精度从第三气压到第四气压改变气动人工肌肉内部的气压，同时串口输出测量的力、气压以及位移的值并通过上位机实时保存绘图；

步骤S24，调节电缸向前行进所述第一位移，重复上述步骤S23。

本发明第四方面提供了一种对直线型气动人工肌肉进行测试的方法，包括如下步骤：

步骤S31，将被测的直线型气动人工肌肉固定在以上技术方案中任一项所述的直线型气动人工肌肉测试系统上；

步骤S32，调节伺服电缸使其输出第一预定负载，以预定的精度调节所述直线型气动人工肌肉内部的气压，调节到一个固定的第五气压下，保持气压恒定；

步骤S33，推动电缸产生位移，直到电缸的负载输出再次为第一预定的负载，此时记录电缸产生的位移和气压的值；

步骤S34，调节气压，重复上述步骤S33，直到气压调至第六气压，完成预定负载下，气压和位移的关系测量；

步骤S35，调节伺服电缸的负载输出到第二预定负载，重复上述步骤S32-S34，直到电缸的负载输出调节到预实验中的最大负载；完成实验，得到各个负载条件下气压和位移的关系。

本发明的测试系统可以用来测试加压收缩或者伸长的直线型气动人工肌肉。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、位移、力这三个参数决定。当人工肌肉内部气压恒定时，测试系统可以测量位移和力之间的关系；当人工肌肉的位移恒定时，测试系统可以测量气压和力之间的关系；当人工肌肉提供的力恒定时，测试系统可以测量气压和位移之间的关系。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。

本发明的直线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控制算法，可以进行多种实验测试。

附图说明

图1是直线型气动人工肌肉测试系统的整体布局图；

图2是直线型气动人工肌肉测试系统人工肌肉测试台俯视图；

图3是直线型气动人工肌肉测试系统测量原理图；

图4是使用本发明的测试系统的直线型气动人工肌肉恒压测试流程图；

图5是使用本发明的测试系统的直线型气动人工肌肉恒位移测试流程图；

图6是使用本发明的测试系统的直线型气动人工肌肉恒力测试流程图。

图中：1、空压机，2、平衡底脚，3、支撑底架，4、安装板，5、实验支撑架，6、拉力传感器，7、伺服电缸，8，气动三联件，9、电气比例阀，10、气压传感器，11调节板，12、气动人工肌肉，13过滤器，14、减压阀15、油雾器，16、固定板，17、控制采集板，18、计算机。

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。

所述的直线型气动人工肌肉测试系统，主要包括传动模块、测量控制模块、信号检测模块以及信号采集模块。

传动模块是由伺服电缸7、支撑底架3、安装板4、实验支撑架5、调节板11组成，支撑底架3和实验支撑架5通过安装板4连接，伺服电缸7通过安装板4固定在支撑底架3上。气动人工肌肉12一端固定在固定实验支撑架5上的拉力传感器6的一端，另一端固定在伺服电缸7的活动端上。气动人工肌肉12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，调节板11，以安装不同大小尺寸的人工肌肉12。在测试过程中，伺服电缸7通过调节其输出端，为气动人工肌肉12提供负载，然后通过调节伺服电缸7移动端位移为气动人工肌肉12提供形变，随着输出负载的变化可以通过拉力传感器6测量气动人工肌肉20在变形过程中的输出力的变化。

所述测量控制模块主要包括以下几个部分，即气压调节装置、位移调节装置以及负载调节装置。气压调节装置由空压机1、气动三联件8、电气比例阀9组成。实验过程中需要对气动人工肌肉20进行充气和放气，选用空压机1作为气源，保证在长时间测试过程所需的气体。空压机1通过气管与气动三联件8相连。气动三联件8由空气过滤器13、减压阀14和油雾器15组成，通过固定板16安装在支撑底架3侧面。空气过滤器13对空气进行净化过滤，以保证进入气压调节装置的空气清洁。减压阀14对气源进行稳压，使出气口的压力减小，以达到电气比例阀9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15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8的出气口通过气管与电气比例阀9的进气口相连。电气比例阀9通过固定板安装在支撑底架3的侧面。电气比例阀9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9根据伺服电缸7位移和拉力传感器6采集到的数据实时调节气动人工肌肉12内部的气压值。通过调节电气比例阀9输入信号的电压值可以精确控制出气口的气压值。位移调节装置和负载调节装置均是通过伺服电缸7及相关电路进行调节。

所述信号检测模块，伺服电缸7相关电路，拉力传感器6以及气压传感器10组成，通过气压调节装置精确地改变气动人工肌肉12内部的气压，气压传感器10可以实时的检测气动人工肌肉12内部的气压值，并通过串口传送到计算机18，通过上位机界面实时显示；气动人工肌肉12内部的气压在改变过程会发生形变，这个形变量可以通过伺服电缸7移动的位移端实时测量，同时伺服电缸7会输出固定的负载；在实验过程中，随着气动人工肌肉12内部的气压变化，或者带载及变形，会产生一个外在的力，这个力是通过拉力传感器6实时检测的。上述检测到的气压值、形变量以及力都会通过串口传输到计算机18，然后通过计算机18的上位机界面实时显示。

所述信号采集模块主要由控制采集板17，计算机18组成，计算机18能够显示上位机界面。控制采集板17主要功能是根据实验要求协同控制完成气压调节、带载调节以及位移调节，同时完成信号的采集以及反馈信号的处理等工作；控制采集板17采集的信号通过串口实时传送给计算机18；计算机18对于串口接受的数据结果进行实时的保存、处理、绘图等操作，并通过上位机界面显示。

直线型气动人工肌肉的特性数据包括气压、位移、力三个参数。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，测量位移和力之间的关系。人工肌肉的位移恒定时，测量气压和力之间的关系。人工肌肉提供的力恒定时，测量气压和位移之间的关系。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。本发明的直线型气动人工肌肉测试系统可以实现各类静、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20静态测试具体过程的阐述：

(1)气压恒定，测量位移和力之间的关系。

如图4恒压测试流程图所示，首先通过气压调节装置调节气动人工肌肉内部的气压到-5KPa，以保证气压调节的初始值，从气动人工肌肉的缩短量开始以2mm的精度调节伺服电缸的行程，直到气动人工肌肉到达初始位置，此过程中利用串口输出测试模块的气压、力、位移值，并利用上位机图形显示界面实时的保存绘图显示，然后利用气压调节模块将气动人工肌肉内部气压调至-7KPa，重复上述操作，气压调节的梯度是-2KPa。而后循环调节气压直到气压达到-100KPa的负压，即可得到各个气压条件下，位移和力的关系。

(2)位移恒定，测量气压和力之间的关系。

如图5恒位移测试流程图所示，首先调节伺服电缸行进5mm，锁定伺服电缸在次位移下不变，利用气压调节模块按照-2KPa的调节精度从0到-100KPa改变气动人工肌肉内部的气压，同时串口输出测量的力、气压以及位移的值并通过上位机实时保存绘图。然后调节电缸向前行进5mm，重复上述操作。即可得到各个位移条件下，气压和力的关系。

(3)力恒定，测量气压和位移之间的关系。

如图6恒力测试流程图所示，首先调节伺服电缸使其输出的负载为0.5N，以-2KPa的精度调节人工肌肉内部的气压，调节到一个固定的气压下，保持气压恒定，在气压调节完成后，伺服电缸输出的力会有上升，此时为了保持输出的负载仍然为0.5N，利用伺服电缸的位移模式的高精度调节模式，推动电缸产生位移，直到电缸的负载输出再次为0.5N，此时记录电缸产生的位移和气压的值。完成以后继续调节气压，重复上述操作，直到气压调至-100KPa，这就完成了0.5N负载下，气压和位移的关系测量，然后调节伺服电缸的负载输出到1N，重复上述操作，直到电缸的负载输出调节到预实验中的最大负载。即可完成实验，得到各个负载条件下，气压和位移的关系。

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 (10)

1.一种直线型气动人工肌肉测试系统，包括：传动模块、测量控制模块、信号检测模块、信号采集模块；其中

所述传动模块包括伺服电缸(7)、支撑底架(3)、安装板(4)、实验支撑架(5)，以及调节板(11)；所述支撑底架(3)和实验支撑架(5)通过安装板(4)连接，所述伺服电缸(7)通过所述安装板(4)固定在所述支撑底架(3)上；

所述测量控制模块包括气压调节装置、位移调节装置和负载调节装置；其用于对气动人工肌肉(12)内部的气压进行定位调节和梯度调节，以及调节气动人工肌肉(12)的形变和负载；

所述信号检测模块包括伺服电缸相关电路、拉力传感器(6)，以及气压传感器(10)；所述拉力传感器(6)固定在所述实验支撑架(5)的一端；所述气动人工肌肉(12)一端固定在所述拉力传感器(6)的一端上，另一端固定在伺服电缸(7)的活动端上；

所述信号采集模块包括控制采集板(17)，以及具有上位机界面的计算机(18)。

2.根据权利要求1所述的直线型气动人工肌肉测试系统，其特征在于，所述调节板(11)的位置能够改变以适应不同类型的气动人工肌肉；所述安装板(4)、实验支撑架(5)、调节板(11)固定在所述支撑底架(3)上方；所述伺服电缸(7)能够通过调节输出端负载为所述气动人工肌肉(12)提供负载；所述伺服电缸(7)的输出端位移能够为气动人工肌肉(12)提供形变，由此通过调节气动人工肌肉负载和位移的变化，改变所述气动人工肌肉(12)与所述拉力传感器(6)之间的作用力。

3.根据权利要求1所述的直线型气动人工肌肉测试系统，其特征在于，所述气压调节装置包括空压机(1)、气动三联件(8)、电气比例阀(9)，其能够改变所述气动人工肌肉(12)内部的气压改变其变形量及负载，使其进行直线运动；所述计算机(18)能够控制所述电气比例阀(9)对气动人工肌肉(12)内部的气压进行定位调节和梯度调节；

所述位移调节装置包括伺服电缸附加电路；调节所述伺服电缸附加电路能够调节所述气动人工肌肉(12)的形变；

所述负载调节装置能够调节伺服电缸(7)输出端的负载，从而改变所述气动人工肌肉(12)的负载。

4.根据权利要求1所述的直线型气动人工肌肉测试系统，其特征在于，所述伺服电缸相关电路能够采集电缸输出端的位移，由此获取气动人工肌肉(12)的变形量；拉力传感器(6)能够检测采集不同负载和变形量下气动人工肌肉(12)的输出力；气压传感器(10)能够检测采集不同变形量及输出力下，气动人工肌肉(12)内部的气压值；采集记录的数据通过串口上传到计算机，通过所述上位机界面实时显示。

5.根据权利要求4所述的直线型气动人工肌肉测试系统，其特征在于，所述伺服电缸(7)安装在所述气动人工肌肉(12)的一端；所述拉力传感器(6)装在所述调节板(11)上；所述气压传感器(10)安装在所述支撑底架(3)侧面，连接到气动人工肌肉(12)进出气端。

6.根据权利要求1所述的直线型气动人工肌肉测试系统，其特征在于，所述控制采集板(17)能够根据实验要求协同控制完成气压调节、负载调节及位移调节，同时采集信号并实时传送给所述计算机(18)；

所述计算机(18)能够对接收的数据结果进行实时的保存、处理、绘图。

7.根据权利要求1-6之一所述的直线型气动人工肌肉测试系统，其特征在于，所述直线型气动人工肌肉(12)包括加压伸长运动的直线型气动人工肌肉，以及加压收缩运动的直线型气动人工肌肉。

8.一种对直线型气动人工肌肉进行测试的方法，包括如下步骤：

步骤S11，将被测的直线型气动人工肌肉固定在根据权利要求1-7中任一项所述的直线型气动人工肌肉测试系统上；

步骤S12，通过气压调节装置调节气动人工肌肉内部的气压到气压调节的初始值，

步骤S13，调节伺服电缸的行程，直到气动人工肌肉到达初始位置，此过程中利用串口输出测试模块的气压、力、位移值，并利用上位机图形显示界面实时的保存绘图显示；

步骤S14，利用气压调节模块将所述直线型气动人工肌肉内部气压调至第一气压，重复上述步骤S13，按照设定的气压调节梯度，循环调节气压直到气压达到第二气压，得到各个气压条件下位移和力的关系。

9.一种对直线型气动人工肌肉进行测试的方法，包括如下步骤：

步骤S21，将被测的直线型气动人工肌肉固定在根据权利要求1-7中任一项所述的直线型气动人工肌肉测试系统上；

步骤S22，调节伺服电缸行进第一位移并锁定伺服电缸在位移下不变；

步骤S23，利用气压调节模块按照预定的调节精度从第三气压到第四气压改变气动人工肌肉内部的气压，同时串口输出测量的力、气压以及位移的值并通过上位机实时保存绘图；

步骤S24，调节电缸向前行进所述第一位移，重复上述步骤S23。

10.一种对直线型气动人工肌肉进行测试的方法，包括如下步骤：

步骤S31，将被测的直线型气动人工肌肉固定在根据权利要求1-7中任一项所述的直线型气动人工肌肉测试系统上；

步骤S32，调节伺服电缸使其输出第一预定负载，以预定的精度调节所述直线型气动人工肌肉内部的气压，调节到一个固定的第五气压下，保持气压恒定；

步骤S33，推动电缸产生位移，直到电缸的负载输出再次为第一预定的负载，此时记录电缸产生的位移和气压的值；

步骤S34，调节气压，重复上述步骤S33，直到气压调至第六气压，完成预定负载下，气压和位移的关系测量；

步骤S35，调节伺服电缸的负载输出到第二预定负载，重复上述步骤S32-S34，直到电缸的负载输出调节到预实验中的最大负载；完成实验，得到各个负载条件下气压和位移的关系。