气动肌肉驱动器的动态刚度和阻尼特性
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Leabharlann Baidu
村
图 １ 气 动 肌 肉等 效 刚度 一 阻尼 系统 模 型
针对 图 １ 示 的等 效 非线 性 刚 度 一 所 阻尼 系 统模 型 ， 面分别 建立 气 动肌 肉的刚度模 型 和阻 尼模 型 ， 下 并对 它 的 刚度特 性和 阻尼 特性进 行 分析 。
２ 气 动 肌 肉 的 刚度 模 型
— 一 … … 一 ～ — — …
动 态 扰动 刚度 （ ／ ； ｎ是根 据具 体气 动肌 肉 Ｎｍ）ａ和 ２ 确 定 的常数 ； 为气 动肌 肉最小 长度 （ 。 ｍ） 在 定压 条 件 下 ， 即气 动肌 肉的 进气 压力 保 持不 变 ， 气动 肌 肉在 受 到外 部 动态 力作 用 使 它 的长度 而 发 生变 化 时 ，其 内部 容 腔气 体来 不 及 向外 界排 泄 ，
等 特点 ， 注定 了它 在 机器 人 、 疗康 复器 械 、 动 控 医 振 制 与振 动利 用 、 以及其 他 工业 领 域 将 会有 广 泛 的应
用前 景ｆ 。 气动 肌 肉和其 它驱动 器相 比一 个更 突 出的特 点
根 据 气 动肌 肉驱 动器 的工 作 机理 可 知 ， 其 工 在 作 过 程 中产 生 的 驱 动力 主要 来 自 ３部 分 ： 是 由于 １ 气 体 膨 胀 引起 橡 胶 管 形 变 作 用 的非 线 性 弹性 回复 力 ； 由于它 内部 压 缩 空 气 流 动 时 引起 的流 体 阻 ２是 尼 力 和 橡 胶 管粘 弹材 料 的粘 滞 性 阻 尼力 ； 气 动 ３是
刘 吉轩 苏 俊 收
（ 西安交通大学机械工程学 院 陕西西安 ７０４ １０ ９）
摘要 ： 该文提 出采用等效 刚度 一 阻尼 的方法建立气动肌 肉驱动器 的刚度 和阻尼模 型 ， 根据广义 刚度描述方 法和阻 尼等效原理推导 出了动态刚度和等效 阻尼 系数 ，并在建立理论模 型的基础 上研究 了气动肌 肉驱动器 的动态 刚度 和 阻尼特性 。 研究表明 ， 所建立的等效刚度 一 阻尼模 型能够更好地描述气动肌 肉驱动器的机械特性 ， 尤其对于气动肌 肉驱动器 的输 出力控制要求 比较 高 、 在动态驱动 和气压变化 比较大 的情况下 ， 必须考虑气 动肌 肉的阻尼作用。从仿 真结果 可见 ， 气动肌 肉的腔 内气压越高 ， 变化越快 ， 阻尼 的作用就越 明显 。
作者简介 ： 刘吉轩（９ ７ ）男 ， １５ 一 ， 高级工程 师 ， 主要从事 自动 检测 、 振动 与噪声控制方面的研究工作 。
１ ４
溢体秸动与 控副
２ １ 第１ ０年 期 １
式 中 ，Ｏ 为气动肌 肉静态 刚度 （， ） Ｆ Ｎｆ ｍ
，
为气动肌 肉
｝ ／ 腓 Ａ ～ ．… ． ＼ 麓 —一 一 一 ． ～
肌 肉内部橡 胶管 与纤 维编 织 网之 间 的摩擦 力 。为 了 更好 地 从理 论上 分析 和描 述气 动肌 肉驱 动器 的非线 性 刚度 和阻 尼特 性 ， 里将 它 等 效 为 一个 非 线 性 刚 这
度一 阻尼 系统 ， 由于 它 的质量 很 轻 ， 忽 略其 质 量 的 可 影 响 。气 动 肌 肉驱 动器 的等效 刚度 一 阻尼 系统模 型
如图 １ 所示
就是 它 的柔 顺性 好 ， 即具 有变 刚 度特 性 ， 因此 ， 常 通
的研 究 是将 气 动肌 肉视 为 一 个 变 刚度 弹 簧 系统 ， 依 此建立 气 动肌 肉 的理论 分 析模 型并研 究 它 的机械 特
性 。 但是 ， 实上从 气动 肌 肉的结 构组成 看 ， 事 它是 由橡胶 管 、 维 编织 网和端 部连 接头 ３部 分组 成 ， 纤 工 作过程 中 ， 到其 内部 压缩 空气 的可 压缩性 、 胶管 受 橡
关 键 词 ： 动 肌 肉 ； 度 特 性 ； 尼 特 性 ； 真 研 究 气 刚 阻 仿
中 图分 类 号 ：Ｈ１８ Ｔ ３
文 献 标 识 码 ： Ａ
文 章 编 号 ：１７ — ９ ４（ ０ １Ｏ 一 ０ ３ ０ ５ ６ ２ ８ ０ ２ １ ）ｌ０ １－ ０
引 言 气 动肌 肉是近 年来 引起 国 内外 广 泛研究 的一 种 新 型气压 驱动 器 。它除 了气压 传动 技术 所具 有 的低 成本 、 洁 、 清 安装 简便 等优 点 之外 ， 具有 输 出力 咱 还 重 比大 、 自然柔 顺性 好 、 与生 物肌 肉类似 的力 学特 性
第１ 总 ４ ） 期（第 ４ 期
流体秸动 控副
Ｆｕｄ Ｐｏ ｒ Ｔ ａ ｓ ｓｉｎ ａ ｄ ｏ ｔｏ ｌｉ ｗｅ ｒ ｎ ｍｉｓｏ ｎ Ｃ ｎｒｌ
Ｎ ． Ｓ ｒ ｌ ｏ４） ｏ１（ｅｉ ． ａＮ ４
Ｊ ｎ． ０ １ ａ ２ １
气 动肌 肉驱 动器 的 动态 刚度和 阻尼 特 性
材料 的 固有 粘 弹特性 和 外部 几 何 特 征等 因素 影 响 ， 若 将 它仅 仅 当作 具有 一 定 刚度 的弹 簧 系统 ， 不 能 并
很 好地 描述 它的工 作特 性嘲 。因此 ， 文提 出将气 动 本 肌 肉驱 动 器看 作 是一 种 等效 刚度 和等 效 阻 尼 系统 ， 分 析 了它 的非 线 性动 刚度 特 性 和 阻尼 特 性 ， 更 深 为 入地 研究 气动 肌 肉驱 动 器 的机 械特 性奠 定 了理论 基 础 ， 为其 在振 动 控制 和 振 动利 用 等 方 面 的应 用 奠 也 定 了新 的研 究 基础 。
２１ 静 刚 度 模 型 ．
１ 气 动肌 肉等 效 刚 度一 尼 系 统 阻
根 据气 动 肌 肉驱 动 力 特性 可 知 ， 刚度 特性 与 其
收 稿 日期 ：０ ０ １— ４ ２１—００
非线 性 弹 簧 系统 的力 学 特 性 相似 ， 此处 引入 分 析非 线性 弹簧 刚度 的方 法［ 建 立 图 ２所 示 的模 型 。 ８ １ ，
村
图 １ 气 动 肌 肉等 效 刚度 一 阻尼 系统 模 型
针对 图 １ 示 的等 效 非线 性 刚 度 一 所 阻尼 系 统模 型 ， 面分别 建立 气 动肌 肉的刚度模 型 和阻 尼模 型 ， 下 并对 它 的 刚度特 性和 阻尼 特性进 行 分析 。
２ 气 动 肌 肉 的 刚度 模 型
— 一 … … 一 ～ — — …
动 态 扰动 刚度 （ ／ ； ｎ是根 据具 体气 动肌 肉 Ｎｍ）ａ和 ２ 确 定 的常数 ； 为气 动肌 肉最小 长度 （ 。 ｍ） 在 定压 条 件 下 ， 即气 动肌 肉的 进气 压力 保 持不 变 ， 气动 肌 肉在 受 到外 部 动态 力作 用 使 它 的长度 而 发 生变 化 时 ，其 内部 容 腔气 体来 不 及 向外 界排 泄 ，
等 特点 ， 注定 了它 在 机器 人 、 疗康 复器 械 、 动 控 医 振 制 与振 动利 用 、 以及其 他 工业 领 域 将 会有 广 泛 的应
用前 景ｆ 。 气动 肌 肉和其 它驱动 器相 比一 个更 突 出的特 点
根 据 气 动肌 肉驱 动器 的工 作 机理 可 知 ， 其 工 在 作 过 程 中产 生 的 驱 动力 主要 来 自 ３部 分 ： 是 由于 １ 气 体 膨 胀 引起 橡 胶 管 形 变 作 用 的非 线 性 弹性 回复 力 ； 由于它 内部 压 缩 空 气 流 动 时 引起 的流 体 阻 ２是 尼 力 和 橡 胶 管粘 弹材 料 的粘 滞 性 阻 尼力 ； 气 动 ３是
刘 吉轩 苏 俊 收
（ 西安交通大学机械工程学 院 陕西西安 ７０４ １０ ９）
摘要 ： 该文提 出采用等效 刚度 一 阻尼 的方法建立气动肌 肉驱动器 的刚度 和阻尼模 型 ， 根据广义 刚度描述方 法和阻 尼等效原理推导 出了动态刚度和等效 阻尼 系数 ，并在建立理论模 型的基础 上研究 了气动肌 肉驱动器 的动态 刚度 和 阻尼特性 。 研究表明 ， 所建立的等效刚度 一 阻尼模 型能够更好地描述气动肌 肉驱动器的机械特性 ， 尤其对于气动肌 肉驱动器 的输 出力控制要求 比较 高 、 在动态驱动 和气压变化 比较大 的情况下 ， 必须考虑气 动肌 肉的阻尼作用。从仿 真结果 可见 ， 气动肌 肉的腔 内气压越高 ， 变化越快 ， 阻尼 的作用就越 明显 。
作者简介 ： 刘吉轩（９ ７ ）男 ， １５ 一 ， 高级工程 师 ， 主要从事 自动 检测 、 振动 与噪声控制方面的研究工作 。
１ ４
溢体秸动与 控副
２ １ 第１ ０年 期 １
式 中 ，Ｏ 为气动肌 肉静态 刚度 （， ） Ｆ Ｎｆ ｍ
，
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度一 阻尼 系统 ， 由于 它 的质量 很 轻 ， 忽 略其 质 量 的 可 影 响 。气 动 肌 肉驱 动器 的等效 刚度 一 阻尼 系统模 型
如图 １ 所示
就是 它 的柔 顺性 好 ， 即具 有变 刚 度特 性 ， 因此 ， 常 通
的研 究 是将 气 动肌 肉视 为 一 个 变 刚度 弹 簧 系统 ， 依 此建立 气 动肌 肉 的理论 分 析模 型并研 究 它 的机械 特
性 。 但是 ， 实上从 气动 肌 肉的结 构组成 看 ， 事 它是 由橡胶 管 、 维 编织 网和端 部连 接头 ３部 分组 成 ， 纤 工 作过程 中 ， 到其 内部 压缩 空气 的可 压缩性 、 胶管 受 橡
关 键 词 ： 动 肌 肉 ； 度 特 性 ； 尼 特 性 ； 真 研 究 气 刚 阻 仿
中 图分 类 号 ：Ｈ１８ Ｔ ３
文 献 标 识 码 ： Ａ
文 章 编 号 ：１７ — ９ ４（ ０ １Ｏ 一 ０ ３ ０ ５ ６ ２ ８ ０ ２ １ ）ｌ０ １－ ０
引 言 气 动肌 肉是近 年来 引起 国 内外 广 泛研究 的一 种 新 型气压 驱动 器 。它除 了气压 传动 技术 所具 有 的低 成本 、 洁 、 清 安装 简便 等优 点 之外 ， 具有 输 出力 咱 还 重 比大 、 自然柔 顺性 好 、 与生 物肌 肉类似 的力 学特 性
第１ 总 ４ ） 期（第 ４ 期
流体秸动 控副
Ｆｕｄ Ｐｏ ｒ Ｔ ａ ｓ ｓｉｎ ａ ｄ ｏ ｔｏ ｌｉ ｗｅ ｒ ｎ ｍｉｓｏ ｎ Ｃ ｎｒｌ
Ｎ ． Ｓ ｒ ｌ ｏ４） ｏ１（ｅｉ ． ａＮ ４
Ｊ ｎ． ０ １ ａ ２ １
气 动肌 肉驱 动器 的 动态 刚度和 阻尼 特 性
材料 的 固有 粘 弹特性 和 外部 几 何 特 征等 因素 影 响 ， 若 将 它仅 仅 当作 具有 一 定 刚度 的弹 簧 系统 ， 不 能 并
很 好地 描述 它的工 作特 性嘲 。因此 ， 文提 出将气 动 本 肌 肉驱 动 器看 作 是一 种 等效 刚度 和等 效 阻 尼 系统 ， 分 析 了它 的非 线 性动 刚度 特 性 和 阻尼 特 性 ， 更 深 为 入地 研究 气动 肌 肉驱 动 器 的机 械特 性奠 定 了理论 基 础 ， 为其 在振 动 控制 和 振 动利 用 等 方 面 的应 用 奠 也 定 了新 的研 究 基础 。
２１ 静 刚 度 模 型 ．
１ 气 动肌 肉等 效 刚 度一 尼 系 统 阻
根 据气 动 肌 肉驱 动 力 特性 可 知 ， 刚度 特性 与 其
收 稿 日期 ：０ ０ １— ４ ２１—００
非线 性 弹 簧 系统 的力 学 特 性 相似 ， 此处 引入 分 析非 线性 弹簧 刚度 的方 法［ 建 立 图 ２所 示 的模 型 。 ８ １ ，