【摘 要】
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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
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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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