仿肌肉驱动器设计与仿真_尤向荣

在驱动过程中 , 进一步提高了驱动器的响应速度和
图 5 PLANE53单元 [ 10]
综合性能 , 达到了预期的研究目的 。
对仿肌小节驱动器进行 ANSYS建模并对其进 行网格划分 , 如图 6所示 。 模型由六部分组成 , 其中
4 结 语
本文通过模仿动物肌肉 , 利用电磁装置设计实
现了仿肌肉驱动器 , 并通过对其进行有限元建模分
[ 3] 彭光正 , 余麟 , 刘昊 .气动人工 肌肉驱 动仿人 灵巧手 的结构 设
关键词 :仿肌肉驱动器 ;电磁场 ;仿肌小节驱动器 ;有限元分析 中图分类号 :TM38 文献标识码 :A 文章编号 :1004 -7018(2010)07 -0004-03
DesignandSimulationofNewMuscle-LikeActuators
YOUXiang-rong, QINXian-sheng, WANGWei, ZHANGShun-qi (NorthwesternPolytechnicalUniversity, Xi'an710072, China)
T heory理R论es研ear究ch
仿肌肉驱动器设计与仿真
2010 年第 7期
尤向荣 , 秦现生 , 王 伟 , 张顺琦
(西北工业大学 , 陕西西安 710072)
摘 要 :仿肌肉驱动器是模拟动物肌肉工作原理 的新型 驱动装置 , 通 过分析模 仿动物 骨骼肌 的结构 和运动 形 式 , 设计了一种基于电磁场的新型仿肌肉驱 动器 , 并通过 有限元 分析软 件 ANSYS对 驱动器 的电磁 场进行了 分析 , 得到 了仿肌肉驱动器特性参数 。
备 , 以实现强大的爆发力等 。 仿肌肉驱动器的设计
和实现比较有代表的方向有形状记忆合金 (以下简
称 SMA)、电致伸缩聚合物 (以下简称 EAP)、压电陶
瓷 (以 下 简 称 PZT)和 气 动 人 工 肌肉 (以 下 简 称
PMA)。 SMA驱动器的应用较多 , 文献 [ 1 -2] 都利
用 SMA丝实现了对仿生机器人的驱动 , 文献 [ 3] 介
计 与
wk.baidu.com
由于模型具有轴对称特征 , 因此可以把模型简化为 仿
二维模型 。
真
对二维静态磁场进行有限元分析 , 要首先选定 分 析 中 用 到 的 单 元 。 本 文 中 选 定 的 单 元 是 5
T heory理R论es研ear究ch
图 1b描述了肌小节的两种运动状态 , 上面为伸 张状态 , 下面为收缩状态 。肌小节两种状态的变化 最终导致了肌肉的伸展与收缩 。 本文设计的仿肌肉 驱动器就是以此为基础建立的 。
图 1 动物肌肉结构
T 2010 年第 7期
Abstract:Themuscle-likeactuatorisanewtypeofactuateddeviceandmimicstheworkprincipleofskeletalmuscle ofanimals.Firstly, thestructureofthecreaturalmusclewasintroducedanditsmovementwasanalyzed.Secondly, anew muscle-likeactuatorwasdesignedbasedontheelectromagneticfield.Finally, theelectromagneticfieldofthemusclelikeactuatorwasanalyzedthroughthesoftwareofANSYS, andcharacteristicparametersoftheactuatorweregiven.
仿肌小节驱动器的静子 [ 11] 和动子是相互 分离 的 , 两者靠电磁力来保证相对的位移 。 这样提高了
图 3 仿肌小节驱动器
抗疲劳强度 , 而且静子和动子可以看作是弹性非线 性系统 , 这和肌肉是非常类似的 。
仿肌肉驱动器是仿肌小节驱动器经过串并联形 成的 , 如图 4所示 。 串联的形式是上一级的仿肌小 节驱动器的动子连接下一级的静子 , 依次相连 。 串 联在一起的肌小节驱动器就可以实现和肌原纤维相 类似的功能 , 通过控制不同肌小节驱动器的伸缩状 态 , 就可以实现整串的长度 、位移以及速度等运动特 性 。 几串肌小节驱动器并联在一起就组成了仿肌肉 驱动器 。 通过控制不同串的伸缩及通断电状态 , 就 可以调整整个仿肌肉驱动器对外的输出力大小 。
参考文献
[ 1] 章永华 , 马记 , 何建 慧 .基于人 工肌肉 的仿生 机器鱼 关节机 构 设计与力学分析 [ J] .机器人 , 2006, 28(1):40 -44.
[ 2] LaurentisKJD.OptimalDesignofShapeMemoryAlloyWireBundleActuators[ C] //IEEEInternationalConferenceofRoboticsand Automation.2002:2363 -2368.
仿 肌
并且一维伸缩 、应变大 、强度好 、无噪声 、能量密度大
肉 驱
和柔顺性好等特征 , 仿肌肉驱动器的研究虽然取得
动 了一些成果 , 但现有的仿肌肉驱动器远未达到上述
器 设
目标 。 本文通过分析模仿动物骨骼肌的结构和运动
计 与
形式 , 设计了一种基于电磁场的新型仿肌肉驱动器 ,
仿
真
收稿日期 :2010 -03 -29
基金项目 :西北工业大学科技创新基金 (2006CR09)
4
国家自然科学基金资助项目 (50775186)
并通过电磁场分析对其结构参数进行了优化 。
1 动物肌肉结构和工作原理
动物肌肉 (骨骼肌 )的组织结构如图 1a所示 。 肌肉的基本单元是肌小节 , 肌小节经过串联组成了 肌原纤维 , 肌原纤维经过并联组成了肌纤维 , 肌纤维 再经过并联组成了肌肉 。因此肌肉的伸缩其根本在 于肌小 节的运动 。 H.E.Huxley和 A.F.Huxley在 1954年分别独立地提出肌肉收缩的肌丝滑行学说 , 该学说认为 :肌小节的缩短是细肌丝在粗肌丝之间 主动地相对滑行结果 [ 7] 。
System的 ANSYS有 限元 产 品 ;美国 MacNcalSch-
wendlertCorp的 MSC/EMS软件 ;加拿大 Integrated
EngineeringSoftwareInc.的系 列产品以及美 国 An-
softCorp.的 Maxwell软件等 。本文采用的是 ANSYS
软件的二维有限元磁场分析 。
理论研究 heoryResearch
2 驱动器设 计
通过图 1可以看到 , 单个肌小节实现的运动比 较简单 , 只有伸缩两个状态 。 仿肌肉驱动器的设计 就是遵循这一原理 , 首先是设计出实现肌小节伸缩 运动的装置 , 再通过串并联结构实现对肌肉的仿生 。
电磁力的发现及应用推动了整个世界的发展 , 电动机可以说是现代社会的动力之源 , 而且电磁力 的理论基础及应用都比较成熟 , 所以在设计仿肌肉 驱动器时首先想到的就是设计出一种结构能更好地 应用电磁力来实现肌小节的运动 。 文献 [ 9] 中涉及 到电致伸缩器为仿肌肉驱动器的设计提供了一种思 路 , 但是电致伸缩器存在着抗疲劳性差 , 电磁场利用 不全面等缺点 。 由于仿肌肉驱动 器要实现一维 运 动 , 传统的旋转电机要实现一维直线运动 , 必须通过 丝杠 -螺母机构把旋转运动变换成直线运动 , 这损 耗了很大一部分能量 , 而且响应速度很慢 。 因此传 统电机也很难实现仿肌肉驱动器的设计 。
图 2 仿肌小 节驱动器原理
根据以上原理设计了仿肌小节驱动器 , 但是在 实际机械设计中发现 , 平板式的驱动器需要的部件 较多 , 结构较复杂 , 这和仿肌肉驱动器简单高效的要 求是相违背的 。 因此对机械结构进行了创新设计 , 用圆筒型结构 代替了平板结构 , 模型如 图 3所示 。 圆筒型结构具有结构简单 、磁路对称性好 、电磁场利 用率高 、加工方便等优点 , 也提高了能量密度 。
绍了电致伸缩聚合物的驱动原理 , 文献 [ 4]利 用压
电陶瓷设计了压电直线电动机 ;气动人工肌肉种类
繁多 , 文献 [ 5] 对气动人工肌肉的原理及应用 进行
了阐述 , 文献 [ 6] 概述了仿肌肉驱动器的发展 现状
以及各种仿肌肉驱动器的原理和应用 。 一个好的仿
肌肉驱动器应具有优秀的驱动特性和高疲劳寿命 ,
析 , 分析了模 型的结构参数 , 并验证了模 型的正确
性。
图 6 ANSYS网格划分
动子和衔铁采用的材料是电磁纯铁 DT4;绕组采用 是直径为 0.2 mm的漆包线 ;环采用的材料为铝合 金 , 主要起到调整 A相和 B相距离的作用 , 进 而可 以调整肌小节驱动器的行程 。 各个部分的电磁参数 如下 (μr为相对磁导率 ):
但是本文从步进电机中得到了启发 , 步进电动 机的原理如图 2a所示 , 当 A相通电时 , 转子的 1、3 极脚与定子的 A相极脚对齐 , 当 B相通电时 , 转子 的 2、4极脚与定子的 B相极脚对齐 , 在 A、B相变化 中转子转过了一个 角度 。 在设计 仿肌小节的结 构 中 , 利用步进电动机的原理 , 把旋转运动的步进电机 沿轴向劈开 , 形成了如图 2b所示的结构 。 A相极脚 依然和 1、3极脚相对齐 , B相极脚和 2、4 极脚错开 一定的距离 , 当 A相通电时 , 由于电磁力的作用 , 使 1、3极脚和 A相极脚对齐 。 当 A相断电 , B相通电 时 , 2、4极脚和 B相极脚对齐 , 这样通过控制 A、B相 的通断电就实现了类似肌小节 Z线和 M线之间的 相对伸缩运动 。
动子 :μr =1 500;衔铁 :μr =1 500;线圈 :μr =1 500, 匝数 n=300, 电流 I=1.5 A;铝环 :μr=1;空气 : μr =1。
在 ANSYS电磁场分析中 , 励磁线圈需要电流密 度 。电流密度的计算如下 :
该设计还有需要改进的地方 , 如体积相对较大 , 功率密度还相对较低等 。但是仿肌肉驱动器在很多 方面都取得了突破性进展 , 为各种仿肌肉驱动器的 研究提供了新的思路和方法 , 这一驱动器正在应用 于仿生关节驱动器的设计中 。
ANSYS电磁场分析首先求解出电磁 场的矢量
磁势和标量电势 , 然后经过处理得到其他电磁物理
量 , 如磁力线分布 、磁通量密度 、电场分布 、涡流电场 仿
肌
以及系统能量损失等 。
肉
3.1 仿真模型参数确定
驱 动
对仿肌小节驱动器电磁场进行有限元分析 , 要
器 设
对其模型进行简化 。 图 3是驱动器的模型剖面图 ,
Keywords:muscle-likeactuator;electromagneticfield;sarcomere-likeactuator;finiteelementanalysis
0引 言
仿肌肉驱动器是目前国内外仿生研究的热点 ,
动物肌肉有很多传统驱动器没有 或远达不到的 性
能 , 如功率 /重量比 高 , 运动机 构简单 , 能量可以 储
2010 年第 7期
PLANE53, 它的形状是四边形含 8节点或者退化为 式来增加驱动器的输出力 。 仿肌肉驱动器的响应速
三角形含 6个节点 。 它主要用来分析矢量磁势 、时 度可以达到 ms级 , 最大效率可以达到 90%以上 , 最
间积分电势 、电动势压降等 , 如图 5所示 。
大应变也在 20%以上 , 并且无噪声 , 抗疲劳强度高 , 柔顺性较好 。 本设计还实现了驱动器的双向移动 ,
图 4 仿肌肉驱动器
3 电磁场有限元分析
仿肌肉驱动器性能直接取决于电磁场设计的合
理与否 , 磁路设计以及精确预测电磁力需要对电磁
场进行数值计算和分析 。电磁场数值方法包括有限
元法 、有限差分法 、边界单元法等 , 而比较通用和流
行的是有限元法 , 并且有许多可以进行有限元分析
的软 件 , 比较 有 影 响 的 有 :美 国 SwansonAnalysis