基于MATLAB仿真的气动肌肉静态特性研究.pdf

本文研究了气动肌肉的静态特性，并利用MATLAB和Simulink工具进行了仿真分析。以下是从提供的文件信息中提炼的知识点： 1. 气动肌肉的背景与应用： 气动肌肉作为一种柔性驱动元件，在制造业中越来越受到关注，特别是在需要柔性和安全性的领域，如柔性制造和康复工程。其优点包括清洁安全、高功率/重量比、力学特性类似生物肌肉以及结构简单、使用方便。气动肌肉由外部压缩空气驱动，动作模式类似于人体肌肉，具有自动制动功能，不会超出预设范围。 2. 气动肌肉的结构与工作原理： 气动肌肉一般由内部膨胀的橡胶筒和外部限制橡胶筒变形的纤维网组成，两端连接件用于连接其他机械部件。通过向橡胶筒内充气，改变内部压力，从而实现伸长或缩短的动作，达到推拉的目的。 3. 气动肌肉数学建模： 数学模型考虑了气动肌肉的关键结构参数，包括初始长度、实际长度、单根纤维长度、初始外径、实际外径、纤维缠绕圈数、编织角度和收缩率。通过能量守恒定律以及橡胶弹性力和摩擦力的计算，建立了理想状态和考虑内部摩擦与橡胶弹性力的完整静态数学模型。 4. MATLAB与Simulink仿真： 利用MATLAB软件建立了气动肌肉的仿真模型，该模型包括理想数学模型仿真、弹性力仿真、摩擦力仿真和实际数学仿真等多个模块。通过这些仿真模块分析了充气压力和收缩力之间的函数关系，以及不同收缩率与收缩力之间的关系。仿真结果表明橡胶弹性力和橡胶筒与编制层之间的摩擦力对气动肌肉输出力有显著影响。 5. 静态等长实验与分析： 实验中维持气动肌肉长度不变，通过改变腔室内气体压力，观察压力与输出力之间的关系。实验验证了仿真模型的正确性，结果表明随着橡胶筒内压力的增加，气动肌肉的直径保持基本不变，这进一步说明橡胶弹性力和摩擦力对输出力的影响。 6. 关键参数的选取与分析： 文中提到的关键参数包括环境压力、气动肌肉初始长度、初始直径、初始编织角、内部摩擦系数、橡胶筒厚度和橡胶弹性模量等。这些参数的选取对于建模和仿真精度有直接影响。 7. 气动肌肉的应用前景： 气动肌肉因其独特的性能特点，被广泛应用于仿生机器人、康复医疗器械、精密定位设备等领域，其发展具有广阔的前景。研究其静态特性，特别是仿真实验，能够为气动肌肉的设计和应用提供理论基础和实验数据支持。 本文通过理论分析和MATLAB/Simulink仿真，详细探讨了气动肌肉在不同工作条件下的静态特性，建立了考虑橡胶弹性力和摩擦力影响的数学模型，并通过实验验证了仿真模型的准确性。这为气动肌肉的设计、优化以及应用提供了重要的理论和实践基础。