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柔性人工肌肉的静动态特性及应用研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题的背景与意义

1.2 人工肌肉概念的提出

1.3 人工肌肉的研究现状

1.3.1 国内外研究现状

1.3.2 人工肌肉当前存在的问题与挑战

1.4 课题研究的主要任务

1.5 本章小结

第二章 柔性人工肌肉结构设计

2.1 带有接头的人工肌肉的初步设计

2.2 柔性人工肌肉结构设计

2.2.1 柔性人工肌肉的基本结构原理

2.2.2 柔性人工肌肉的制作工艺

2.3 柔性人工肌肉与MICKBBEN人工肌肉对比

2.4 柔性人工肌肉的优点

2.4.1 有效长度

2.4.2 有效使用时间

2.4.3 其他优点

2.5 本章小结

第三章 柔性人工肌肉的建模分析

3.1 柔性人工肌肉的几何模型

3.2 柔性人工肌肉的力学模型

3.2.1 人工肌肉受力分析

3.2.2 复合材料弹性模量理论

3.2.3 径向静平衡分析

3.2.4 编织网的变形关系

3.3 本章小结

第四章 静动态特性分析实验

4.1 实验装置设计

4.2 静态特性实验

4.2.1 硅橡胶的性能测试

4.2.2 等压性能测试实验

4.2.3 等载性能测试实验

4.2.4 不同有效长度的肌肉性能测试实验

4.2.5 不同数量的肌肉性能测试实验

4.3 动态特性实验

4.4 本章小结

第五章 柔性助力膝关节装置设计

5.1 柔性助力膝关节结构

5.2 柔性助力膝关节装置性能实验

5.2.1 回转角度与内部气压的关系

5.2.2 助力效果验证实验

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间发表的专利

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摘要

人工肌肉作为新型驱动器,具有结构简单,输出力与重量比大,柔顺性好,清洁等优点,适合应用在医疗设备和机器人的研究领域。传统的人工肌肉含有接头件,接头与橡胶分离,依靠接头部位与橡胶以及编织网之间的摩擦力来传递收缩力,并且要保证接头部位的密封性能。这严重影响了人工肌肉的整体性能。除此之外,接头件主要以金属为主,也同样限制了在有磁性要求场所中的应用。在此背景下,结合复合材料编织技术,本文设计了一款柔性人工肌肉。
  本文创新性设计了新型人工肌肉接头结构,第一次实现了一体化软接头结构,将组成材料减少为两种,改善了外加接头结构固有的缺点。该柔性人工肌肉特点是接头与肌肉本体一体化设计制作,给出了制作的工艺与模具。主要由单开口内层硅胶管、中间层编织网、端部压紧线、外层硅胶管、外层压紧线组成。柔性人工肌肉材料组成:硅橡胶和KEVLAR线。
  在完成结构设计的基础上,考虑柔性人工肌肉的几何参数和材料参数,并结合复合材的弹性模量理论,建立了静态力学模型。之后,建立了柔性人工肌肉的实验装置,验证了理论模型,实验结果与理论值较符合。此外,对柔性人工肌肉进行了硅橡胶的性能测试、等压性能测试实验、等载性能测试实验、不同有效长度的肌肉性能测试实验、不同数量的肌肉性能测试实验等静态特性测试。实验结果表明,虽然存在一定的误差,但该模型较好的得出了在给定参量情况下的收缩力。气压一定时,收缩力与收缩率成负相关。载荷一定时,收缩量与气压成正相关。随着肌肉有效长度的增加,末端力也随之增大。在相同的内部气压作用下,两根人工肌肉产生的收缩力是单根人工肌肉的两倍。对柔性人工肌肉进行了动态频响特性测试,结果表明,能够满足人正常行走的需要。
  最后,本文设计了一款柔性助力膝关节装置,采用柔性人工肌肉作为驱动单元。采用表面肌电信号验证了该装置的助力效果。结果表明,该装置可以到达助力的目的。

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