CN113553703A - 基于连通结构的人工肌肉气压供给结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于连通结构的人工肌肉气压供给结构及其设计方法，所述结构包括空心圆管、嵌套于外层的电磁铁和内置在圆管内径的磁性活塞，圆管的两端设计有软管接口连接人工肌肉的进气口，通过改变电磁铁的控制电流，改变电磁铁与磁性活塞的作用力和管内气压的变化规律，从而引起活塞的运动；由于圆管结构内部为密闭空间，磁性活塞在圆管内的运动将造成两端气体体积的改变，从而形成大小和方向不同的气压差，充分利用压缩气体存储的能量推动活塞产生往复运动，从而减少运动中所需要的外部能量输入，降低了系统综合能耗，因此能够利用这种具有特定震荡特性的供气方式提供给人工肌肉并产生预期的运动，应用价值更高。

Description

基于连通结构的人工肌肉气压供给结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及气动肌肉领域，具体涉及一种基于连通结构的气压供给结构及供压设计方法。

背景技术

气动人工肌肉由于其独特的结构和特性，并且与生物有更好的相容性，而被广泛应用与各个领域。但是目前传统的人工肌肉多采用空压机直接供压的方式，供压设备体积大，整体能耗高，不适用于户外供气，极大限制了应用场景。如果供气结构的质量和体积能够适于装配并携带，就能使载体能够在不增加极大负载的情况下正常运作。

目前对于人工肌肉的应用研究已经有了很大进展，但是对于其供气结构的研究尚欠缺，故而，亟待提出一种新的气压供给结构，以更好的适应人工肌肉的应用与发展。

发明内容

本发明为解决现有技术中人工肌肉供气方式的缺陷，提出一种基于连通结构的人工肌肉气压供给结构及其设计方法，能够通过充分利用压缩气体存储的能量推动磁性活塞产生往复运动，从而开发出可以减少外部能量输入、降低系统综合能耗的气压供给技术。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于连通结构的人工肌肉气压供给结构，包括空心圆管、磁性活塞和电磁铁，电磁铁由外部电路供电，空心圆管为封闭结构，其两端设计有软管接口，以通过软管连接被供气设备的进气口；电磁铁固定套设在空心圆管外侧壁上，磁性活塞设置在空心圆管内部并沿其左右滑动。

进一步的，所述磁性活塞的两端呈子弹头式的流线型结构，磁性活塞的最大外径小于空心圆管内径，磁性活塞与空心圆管间涂有润滑剂。

进一步的，所述软管与空心圆管之间通过连接丝帽固定连接。

本发明另外还提出一种基于连通结构的人工肌肉气压供给结构设计方法，包括以下步骤：

步骤A、对磁性活塞两端的气-力关系进行建模；

设磁性活塞位于空心圆管中间位置时的位移为0，向右侧运动为正，左侧运动记为负，得到磁性活塞左右两端的气体压力变化满足：

其中，p_l，p_r分别是磁性活塞左右两端的气体压力，V_l0，V_r0为磁性活塞位于零点时左右端容器体积，且V_l0≈V_r0，s为磁性活塞横截面积，x为磁性活塞位移，k_l(T_emp)＝n_airlrT，n_airl为容器左端空气物质的量，k_r(T_emp)＝n_airrrT，n_airr为容器右端空气物质的量，T_emp为体系温度，单位K，r是气体常量，单位是J/(mol·K)；

进而可以分析得到：

式中f_l，f_r分别为磁性活塞左右端气压施加在磁性活塞上的力，则其合力f即为磁性活塞在位移x处受到的气体压力大小：

f＝f_r-f_l

步骤B、根据磁性活塞的受力关系，推导出磁性活塞的动力学模型；

步骤C、根据动力学模型，对各个结构参数对磁性活塞的动力学模型固有特性的影响进行仿真分析，实现各结构参数选型设计，所述结构参数包括空心圆管长度、磁性活塞质量以及磁性活塞横截面积。

进一步的，所述步骤B中，建立磁性活塞动力学模型过程如下：

(1)磁性活塞受力分析：

(2)磁性活塞位移与结构参数之间满足动力学方程：

式中x₀为磁性活塞初始位置，m为磁性活塞质量，f_f为滑动摩擦力，f_G为磁铁引力。

进一步的，所述步骤C中，首先用控制变量法对模型参数进行分析，分别阐明结构参数对结构固有频率的影响，然后根据模型动力学方程得到预期周期下结构参数间的耦合关系图，进而基于耦合关系图采用图上取点的方式协调选取模型参数。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案所述的气压供给结构质量轻，体积小，方便携带，能够通过充分利用压缩气体存储的能量推动磁性活塞产生往复运动，从而开发出可以减少外部能量输入、降低系统综合能耗的气压供给结构，可在一定程度上代替空压机等设备进行户外供气；

应用于多足机器人，利用其震荡特性产生节律运动，能充分利用压缩气体存储的能量大幅度减少系统综合能耗，且在运动过程中，气体被压缩时存储的能量也会推动磁性活塞做往返运动，有效减少了后续运动中外部能量的输入。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2磁性活塞受力分析示意图；

图3为气压供给结构应用于四足机器人的整体连接示意图；

图4为零输入下连通结构特性示意图，(a)为磁性活塞受力变化曲线；(b)为磁性活塞运动轨迹；

图5为结构参数对磁性活塞自然震荡特性的影响示意图，(a)磁性活塞质量对周期的影响,(b)圆管长度对震荡周期影响，(c)初始位置对震荡周期影响，(d)圆管横截面积对震荡周期的影响；

图6为震荡周期为1s时，圆管长度、活塞质量、圆管半径之间的耦合关系图；

其中：1、空心圆管；2、磁性活塞；3、电磁铁；4、导气软管；5、连接丝帽。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

实施例1、一种基于连通结构的气压供给结构，如图1所示，包括空心圆管1、磁性活塞2和电磁铁3，电磁铁3由外部电路供电，空心圆管为封闭结构，其两端设计有软管接口，以通过软管4连接被供气设备的进气口，软管4与空心圆管1之间通过连接丝帽5固定连接，电磁铁3固定套设在空心圆管外侧壁上，磁性活塞2设置在空心圆管内部并沿其左右滑动，由于空心圆管结构内部密闭，磁性活塞的运动会使两端气体体积改变，从而形成大小和方向不同的气压差，推动磁性活塞产生震荡运动。当电磁铁控制电流变化时，电磁铁与磁性活塞的作用力发生变化，从而影响磁性活塞运动规律，因此能够利用这种具有特定震荡特性的供气方式提供给人工肌肉并产生预期的运动。

所述磁性活塞的两端呈子弹头式的流线型，磁性活塞最大外径略小于空心圆管内径，以尽可能减少运动过程产生的摩擦力，为了保证磁性活塞的顺利滑动，磁性活塞与空心圆管间涂有液体润滑剂，一方面减少滑动摩擦力，另一方面填充接触面间的缝隙。本实施例中，磁性活塞2两端的流线型结构由两个半椭球结构组成，半椭球剖面方程满足公式10，其中r为活塞圆柱部分半径，H＝1.618r为椭球长半轴长，该结构能有效的减少液体润滑剂带来的摩擦力。

本实施例所述气压供给结构具有质量轻、能耗低、便于携带的特点，特别是能够应用在户外足式机器人的人工肌肉气压供给领域，能够代替空压机安装在户外设备上进行气压供给，不用对此结构进行大电压的供电，由于质量轻、体积小，能够使户外设备正常工作的同时又不会承担过大的负载，结构能充分利用压缩气压存储的能量，减少外部能源输入，降低供气能耗。

应用实例如图3所示，根据多足机器人对角腿运动步态多为一致的特点，肌肉间气体连通结构采用对角错位接法即：1号腿的上部人工肌肉接3号腿的下部人工肌肉；1号腿的下部人工肌肉接3号腿的上部人工肌肉，根据关节与连通结构的对称性原理可实现1,3号腿运动方式一致，以此类推2,4号腿运动方式一致，这正好符合四足机器人对角小跑的运动特点。当控制电流发生变化时，圆管外部电磁铁与内部磁性活塞作用，使作用力和管内气压发生改变，引起磁性活塞的运动，气压差大小和方向的不同推动1、3号腿或2、4号腿交替摆动，从而带动整个机体进行运动。此连接方法充分利用了本结构自震荡的特点，一方面减少了整体能耗，另一方面能充分利用两端的气压变化，此方式下可实现对预期力和刚度的独立控制效果。基于连通器原理，可同时控制两块肌肉的供给气压，并且能充分利用压缩气体存储的能量大幅度减少系统综合能耗。

实施例2、根据实施例1所述的气压供给结构的设计，在具体应用时，需要根据人工肌肉应用特性对空心圆管长度、磁性活塞质量m、横截面积s等进行选型设计以适配目标供压范围，本实施例提出一种基于连通结构的气压供给结构的设计方法，具体包括以下步骤：

步骤A、对磁性活塞两端的气-力关系进行建模；

步骤B、根据磁性活塞的受力关系，推导出磁性活塞的动力学模型；

步骤C、根据动力学模型，对各个结构参数对磁性活塞的动力学模型固有特性的影响进行仿真分析，实现各结构参数选型设计，所述结构参数包括空心圆管长度、磁性活塞质量以及磁性活塞横截面积。

具体的：

A、磁性活塞两端气-力关系建模：

假设磁性活塞位于空心圆管中间位置时的位移为0，向右侧运动为正，左侧运动记为负(左右方向以图1所示方向为准)，则当磁性活塞位于x处圆管两端的气体体积为：

式中V_l，V_r为磁性活塞左右端的圆管体积；V_l0，V_r0为磁性活塞位于零点时左右端容器体积，且V_l0≈V_r0，s为磁性活塞面积，x为磁性活塞位移。

根据理想气体状态方程：

pV＝nrT_emp (2)

式中p为气体压强，单位Pa，V为气体体积，单位m³，n为气体的物质的量，单位为mol，T_emp为体系温度，单位K，r是气体常量(比例常数)单位是J/(mol·K)，对于混合气体(如空气)其压强p是各组成部分的分压强的线性组合，因此方程(2)可写为：

pV_air＝n_airrT_emp (3)

结合(1)和(3)式，磁性活塞左右两端的气体压力变化满足：

式中k_l(T_emp)＝n_airlrT，n_airl为容器左端空气物质的量，在容器封装好其为不随位移变化的常量，右端同理。p_l，p_r分别是磁性活塞左右两端的气体压力，是位移x与外界温度T和肌肉伸缩量的函数，在同一使用场景中，机器人的工作环境温度通常是不会产生剧烈变化，因此在仿真中可视为常数。

这里伸缩量是指肌肉的伸缩会对人工肌肉的形态改变从而造成中心圆管内气体体积的微弱变化，由于其相对于整体气体体积变化量影响很小，可不做考虑。

F＝ps (5)

式(5)给出了混合气体压力与压强之间的关系，将上式带入(4)可得:

式中f_l，f_r分别为磁性活塞左右端气压施加在磁性活塞上的力，则其合力即为磁性活塞在位移x处受到的气体压力大小：

f＝f_r-f_l (7)

B、建立磁性活塞的动力学模型

磁性活塞在模型内水平方向上共受到两边气体所给压力f_l，f_r，动摩擦力f_f和磁铁引力f_G四个力的作用，对磁性活塞进行受力分析如图2：

整理得磁性活塞位移与结构参数之间满足动力学方程：

式中x₀为磁性活塞初始位置，m为磁性活塞质量，f_f为滑动摩擦力，f_G为磁铁引力，s为横截面积，V_l0与V_r0为磁性活塞左右端的圆管内部气体体积，k_l(T)＝n_airlrT，n_airl为容器左端空气物质的量，在容器封装好其为不随位移变化的常量，右端同理，f_f＝μN是动摩擦力与材料和制作工艺有关。在应用中，通过适当减少磁性活塞与管壁间的接触力及磁性活塞的形状，例如两端为类似弹头型结构，同时加长磁性活塞横向尺寸，利用液体润滑剂填充接触面缝隙的方式，能把摩擦力及系统漏气降低至对系统产生较小影响的范围内。

动摩擦力f_f在本实施例中设定为常数，x₀为磁性活塞初始位置，此刻速度为零，m为磁性活塞质量，根据直流螺线管电磁铁的电磁铁引力可表示为：

式中N为线圈匝数；U为电磁铁两端输入电压；μ₀为真空磁导率，其值为0.04π(Wb/A·m)；S为磁路横截面面积；R为绕线电阻；K_f为漏磁系数，受磁路组成结构及材料影响；x_d为电磁铁的安装位置。

令模型中的固定参数

则公式(10)可简化为：

C、结构参数对固有特性影响分析及各参数选型设计：

首先用控制变量法对模型参数进行分析，分别阐明了主要模型参数对结构固有频率的影响，然后根据模型动力学方程画出预期周期下模型参数间的耦合关系图，进而基于耦合关系图采用图上取点的方式协调选取模型参数。

本实施例中，以磁性活塞质量为200g，连通结构长度为15cm、横截面积为0.16π(cm²)为例，在给定磁性活塞初始状态x₀＝10cm，v₀＝0时，初始气体压力p为10⁴Pa。不同的初始气压设计将影响结构输出气压范围，根据实际应用中肌肉期望输出力及选定的PAM模型参数确定。

磁性活塞在连通结构内部的受力变化及运动轨迹如图4所示，初始时刻磁性活塞在中心点右端，此时磁性活塞右端气体总体积较少，每运动位移Δx所造成的气压变化较大。当磁性活塞移动到中心点左端，磁性活塞右端气体总体积增大从而减少了右端气压的变化率。在摩擦力的作用下，磁性活塞受到的右端气体推力f_r呈类U型衰减趋势，左端推力f_l同理，如图4(a)；起始时刻，利用外界磁铁的预输入使磁性活塞初始位置x₀≠0。此时，磁性活塞右端气体压强大于左端气体压强，磁性活塞在连通结构内受到的左端推力f_l与摩擦力之和小于右端推力f_r，磁性活塞在连通结构内做幅值衰减的类正弦震荡运动如图4(b)。在零输入下，结构所产生的运动是由于非零初始状态时压缩气体储能造成的。磁性活塞运动周期数与系统摩擦力大小及磁性活塞初始势能有关。

影响内部气压变化周期的主要模型参数有磁性活塞质量、圆管长度、横截面积、磁性活塞初始位置。使用控制变量法对主要模型参数下震荡特性的影响进行仿真,各图中仿真参数设定如表1，仿真结果分别对应图5中的(a)-(d)

表1仿真参数表

在图5(a)中对不同磁性活塞质量对结构固有气压变化特性的影响进行分析，取磁性活塞质量分别为100g/200g/500g，其它模型参数如表1图(a)所示，磁性活塞质量越小其震荡周期越短，只是因为较小的磁性活塞质量能产生较大的加速度，从而加快磁性活塞的震荡速度，同时在同等摩擦力作用下较快的震荡速度也增加了摩擦做功的功率，系统较快的达到稳定点。

限定模型参数如表1图(b)所示，在不同的连通结构圆管长度下，气压变化特性如图5(b)所示，在初始位置不变的情况下，增大圆管长度相当于减少了初始位置下磁性活塞左右两端气体压强，磁性活塞所受的合外力减小，从而减少了磁性活塞运动的加速度和速度，增加了磁性活塞的自然震荡周期，较短的圆管长度一方面加快了摩擦功率另一方面在初始时刻也赋予磁性活塞更多的势能，这使得较短圆管长度运动频率较快且运动时间却较长。

限定模型参数如表1图(c)所示，在不同的磁性活塞初始位置下，气压变化特性如图5(c)所示，在单一初始位置的影响下，较大的初始位置下磁性活塞具有较大的势能，其对震荡特性的影响在原理上相似于相同位置下缩短了圆管长度。

最后，对不同的圆管横截面积对气压变化周期进行分析，固定模型参数如表1图(d)，仿真结果如图5(d)所示，圆管横截面积增加一方面在长度不变的情况下增加了结构内总体积的大小，减少了人工肌肉部分的总气体体积占比，圆管内部起始压强略微增大。由此可见模型中人工肌肉内部气体及连接软管中的气体占连通结构总气体体积的大小对磁性活塞震荡特性也会产生部分影响，影响大小与气体占比有关。同时增加的圆管横截面积使同等压强下磁性活塞所受压力增大，一方面加快了震荡频率，另一方面也增加了磁性活塞起始势能。

综上分析，磁性活塞的震荡频率与磁性活塞质量、圆管长度成负相关与磁性活塞初始位置和圆管横截面积(半径)成正相关，稳定时间与初始势能和做功消耗速率有关。较大的磁性活塞质量减小了磁性活塞初始加速度，气压的震荡速率较小，同时摩擦功率较小。同时，较大的质量也提高了磁性活塞的初始势能，稳定时间较长；圆管长度、磁性活塞初始位置和圆管横截面积(半径)对震荡周期的影响主要是通过改变磁性活塞运动中的受力实现的，受力增大不仅能加快其震荡频率也增加了稳定时间，在预期气压范围已知情况下，横截面积s与磁性活塞质量m决定了磁性活塞在运行过程中的加速度大小。在应用中将预期平均气压作为管内初始气体压力，根据磁性活塞位移与结构参数之间的动力学方程得出不同固有频率下圆管半径、长度和磁性活塞质量之间的耦合关系图，以T＝1s为例，如图6；磁性活塞质量、圆管长度及圆管半径的选择可根据耦合关系图，采用曲面上取点的方式选取合适参数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.基于连通结构的人工肌肉气压供给结构，其特征在于，包括空心圆管(1)、磁性活塞(2)和电磁铁(3)，电磁铁(3)由外部电路供电，空心圆管(1)为封闭结构，其两端设计有软管接口，以通过软管(4)连接被供气设备的进气口；电磁铁(3)固定套设在空心圆管外侧壁上，磁性活塞(2)设置在空心圆管(1)内部并沿其左右滑动。

2.根据权利要求1所述的基于连通结构的人工肌肉气压供给结构，其特征在于：所述磁性活塞(2)的两端呈子弹头式的流线型结构，磁性活塞(2)的最大外径小于空心圆管(1)内径，磁性活塞(2)与空心圆管(1)间涂有润滑剂。

3.根据权利要求1所述的基于连通结构的人工肌肉气压供给结构，其特征在于：所述软管(4)与空心圆管(1)之间通过连接丝帽(5)固定连接。

4.基于权利要求1-3任一项所述基于连通结构的人工肌肉气压供给结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、对磁性活塞两端的气-力关系进行建模；

设磁性活塞位于空心圆管中间位置时的位移为0，向右侧运动为正，左侧运动记为负，得到磁性活塞左右两端的气体压力变化满足：

其中，p_l，p_r分别是磁性活塞左右两端的气体压力，V_l0，V_r0为磁性活塞位于零点时左右端容器体积，且V_l0≈V_r0，s为磁性活塞横截面积，x为磁性活塞位移，k_l(T_emp)＝n_airlrT，n_airl为容器左端空气物质的量，k_r(T_emp)＝n_airrrT，n_airr为容器右端空气物质的量，T_emp为体系温度，单位K，r是气体常量，单位是J/(mol·K)；

进而可以分析得到：

式中f_l，f_r分别为磁性活塞左右端气压施加在磁性活塞上的力，则其合力f即为磁性活塞在位移x处受到的气体压力大小：

f＝f_r-f_l

步骤B、根据磁性活塞的受力关系，推导出磁性活塞的动力学模型；

步骤C、根据动力学模型，对各个结构参数对磁性活塞的动力学模型固有特性的影响进行仿真分析，实现各结构参数选型设计，所述结构参数包括空心圆管长度、磁性活塞质量以及磁性活塞横截面积。

5.据权利要求4所述的基于连通结构的人工肌肉气压供给结构的设计方法，其特征在于，所述步骤B中，建立磁性活塞动力学模型过程如下：

(1)磁性活塞受力分析：

(2)磁性活塞位移与结构参数之间满足动力学方程：

式中x₀为磁性活塞初始位置，m为磁性活塞质量，f_f为滑动摩擦力，f_G为磁铁引力。

6.根据权利要求4所述的基于连通结构的人工肌肉气压供给结构的设计方法，其特征在于，所述步骤C中，首先用控制变量法对模型参数进行分析，分别阐明结构参数对结构固有频率的影响，然后根据模型动力学方程得到预期周期下结构参数间的耦合关系图，进而基于耦合关系图采用图上取点的方式协调选取模型参数。

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