專利名稱：：基于氣動人工肌肉的振動驅(qū)動方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于振動驅(qū)動方法，特別涉及基于氣動人工肌肉的振動驅(qū)動方法。
背景技術：
：目前常用的振動驅(qū)動方法有慣性式、電磁或電動式、液壓缸活塞式、氣缸活塞式。其中慣性式振動驅(qū)動方法是由帶偏心的慣性質(zhì)量塊在回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的不平衡力作為振動驅(qū)動力，這種振動驅(qū)動方法存在的不足是結構尺寸一般較大、能量消耗大、激振振幅難于改變；電磁式振動驅(qū)動方法是由鐵心、電磁線圈、銜鐵和彈簧等組成，電動式振動驅(qū)動方法是由磁環(huán)、中心磁極和通有交流電的可動線圈等組成，電磁式和電動式存在的不足是結構較復雜、低頻特性差、生產(chǎn)成本和維護成本相對較高；液壓缸活塞式振動驅(qū)動方法主要是由液壓缸、活塞、電液伺服閥、液壓油源等組成，存在的不足是必須有液壓油源、有油污染、結構尺寸大、成本較高；氣缸活塞式振動驅(qū)動方法主要由氣缸、電磁閥、壓縮空氣源等組成，存在的不足是需要的氣缸結構較復雜、成本也較高、系統(tǒng)響應頻率低、在低頻時氣缸容易產(chǎn)生爬行等。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術不足，提供一種基于氣動人工肌肉的振動驅(qū)動方法，該方法振動動作平滑、能量轉(zhuǎn)換率高、不產(chǎn)生污染、振幅和頻率可調(diào)，從而滿足工程實際當中對振動驅(qū)動方法的某些特殊要求。本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的基于氣動人工肌肉的振動驅(qū)動方法，按以下步驟進行1)根據(jù)工程實際需要提出驅(qū)動頻率、振幅和驅(qū)動力要求，頻率為0~25Hz;振幅為氣動人工肌肉長度的20%;驅(qū)動力范圍為04000N。2)根據(jù)氣動人工肌肉振幅和驅(qū)動力特性公式(1)(2)反求出控制量，即氣源壓力、驅(qū)動頻率和占空比。根據(jù)氣動人工肌肉特性和系統(tǒng)原理，基于氣動人工肌肉的振動驅(qū)動系統(tǒng)的振幅按照下式計算d尸—臟仏/&尸血j式中-尸——氣動人工肌肉腔內(nèi)壓力/Pa;(1)r義x--氣動人工肌肉腔內(nèi)容積/m3;-氣動人工肌肉等效作用面積/m2;-進入氣動人工肌肉腔內(nèi)的質(zhì)量流量/kg;-氣體絕對溫度/度；-氣體絕熱指數(shù)，^=1.4;-氣體常數(shù)，R=287.1J/kg'K;-PLC輸出脈沖信號的頻率ZHz，/=l/r-脈沖占空比；-振動驅(qū)動系統(tǒng)的振幅/mm;F——振動驅(qū)動系統(tǒng)的輸出力/N;——外部摩擦力/N;A——外部負載力/N?；跉鈩尤斯ぜ∪獾恼駝域?qū)動系統(tǒng)驅(qū)動力可由下式計算F=&+F,+Fv+Fz(2)式中F"——振動驅(qū)動系統(tǒng)的理想輸出力/N;——振動驅(qū)動系統(tǒng)的摩擦力/N;Fv——振動驅(qū)動系統(tǒng)的彈性回復力/N;Fz——振動驅(qū)動系統(tǒng)的阻尼力/N。本發(fā)明采用PLC和高速開關閥來控制驅(qū)動頻率和占空比，采用壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣源壓力。本發(fā)明的技術效果為1.由于氣動人工肌肉工作介質(zhì)為壓縮空氣，所以這種驅(qū)動方式特別適合應于危險品生產(chǎn)場合，而且對環(huán)境無污染；2.由于氣動人工肌肉低頻特性較好，適用于作為低頻和超低頻(大約在0.1Hz—25Hz)振動驅(qū)動器，而普通的驅(qū)動方法很難滿足這么低的頻率要求。圖1是本發(fā)明的實施系統(tǒng)示意圖；圖2是本發(fā)明驅(qū)動控制方法圖；圖3是本發(fā)明中控制器工作原理圖。下面結合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步詳細說明。具體實施方式參照附圖l所示，氣源1與分氣塊2連接，分氣塊2與儲氣罐3相連，分氣塊2連接氣壓調(diào)節(jié)閥4，氣壓調(diào)節(jié)閥4連接氣動控制閥5，氣動控制閥5連接控制器6，氣動控制閥5與氣動人工肌肉7相連，氣動人工肌肉7連接振動體8，振動體8通過彈性元件9與基座連接。本發(fā)明系統(tǒng)包括氣源(空氣壓縮機)1，以及系統(tǒng)執(zhí)行元件氣動人工肌肉7，壓縮空氣經(jīng)過氣壓調(diào)節(jié)閥4、氣動控制閥5后進入氣動人工肌肉內(nèi)腔，氣動人工肌肉7在壓縮空氣的作用下交變的發(fā)生徑向膨脹和軸向伸縮變形，從而產(chǎn)生交變的激振力驅(qū)動振動主體。氣動控制閥5采用氣動高速開關閥或比例壓力閥，氣動人工肌肉7為一段包裹著特殊纖維格柵網(wǎng)的橡膠織物管和兩端螺栓接頭連接件結構，儲氣罐3用于保持系統(tǒng)工作時的壓力穩(wěn)定性，控制器6輸出的動態(tài)交變控制信號用于控制氣動高速開關閥的開啟狀態(tài)，進而控制氣體流量，彈性元件9為彈簧連接件。各氣動元件是通過氣管連接。參照附圖2，開關閥在一系列脈沖電信號的作用下實現(xiàn)開關動作，從而控制開關閥的排氣量。脈寬調(diào)制器將輸入的控制信號與載波信號比較后，轉(zhuǎn)化為周期為T的脈寬調(diào)制信號。通過將PLC輸出的控制信號與同時由PLC輸出的一系列作載波的鋸齒波信號進行比較，如果在某一時刻控制信號的值大于鋸齒波的值，則要求閥開，否則要求閥關。隨后得到一系列控制指令，將這一系列控制指令施加到閥的線圈上，在有控制指令電壓的時間閥通路打開，有流量q通過，其余的時間內(nèi)則無流量通過。氣動控制閥采用脈寬調(diào)制原理來控制其平均流量，可用公式g=C^;i(2口P/p)1/2來表示這一時間內(nèi)閥的輸出流量，式中^表示流量系數(shù)，^表示閥口的開口面積，；i表示時間T。n與時間T之比，Q^表示氣壓差，/9表示空氣密度。這里高速開關閥的流量《與脈寬占空比A成正比，脈寬占空比;i越大，通過高速開關閥進入氣動人工肌肉腔內(nèi)的平均流量越大，振動驅(qū)動系統(tǒng)的振幅就越大。通過附圖1所示驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)工作頻率為10Hz、振幅5mm、驅(qū)動力750N和工作頻率為10Hz、振幅為12mm、驅(qū)動力為620N的兩組振動。根據(jù)公式(1)(2)求出以上兩組振動的控制量氣源壓力為0.4MPa;脈沖周期為100ms;占空比分別取50%和10%。本發(fā)明驅(qū)動方法采用PLC控制氣動開關閥的開啟狀態(tài)，進而控制氣體流量。通過PLC輸出脈寬可調(diào)制的脈沖信號，輸出的脈沖滿足如下關系脈沖周期為i/f=iooms;占空比;t-r/r，分別應取10%和50%。當振動系統(tǒng)振幅小于要求振幅時，可以增加高電平時間，也就是設置更大的占空比，當振幅大于要求振幅時，則可以降低占空比來滿足要求。雖然本發(fā)明以較好的實施例闡述如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何基于氣動人工肌肉的振動驅(qū)動在滿足頻率為025Hz,振幅為氣動人工肌肉長度的20%;驅(qū)動力為04000N時都可以采用本發(fā)明方法實現(xiàn)。權利要求1、基于氣動人工肌肉的振動驅(qū)動方法，其特征在于，按以下步驟進行1)根據(jù)工程實際需要提出驅(qū)動頻率、振幅和驅(qū)動力要求，頻率為0～25Hz；振幅為氣動人工肌肉長度的20％；驅(qū)動力范圍為0～4000N；2)根據(jù)氣動人工肌肉振幅和驅(qū)動力特性公式(1)(2)反求出控制量，即氣源壓力、驅(qū)動頻率和占空比；根據(jù)氣動人工肌肉特性和系統(tǒng)原理，基于氣動人工肌肉的振動驅(qū)動系統(tǒng)的振幅按照下式計算<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mfrac><mi>dP</mi><mi>dt</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>kRT</mi><msub><mi>Q</mi><mi>m</mi></msub><mi>t</mi></mrow><mi>V</mi></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mi>kP</mi><mi>V</mi></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mi>dx</mi><mi>dt</mi></mfrac><mi>A</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>q</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mi>&lambda;</mi><msub><mi>Q</mi><mi>m</mi></msub><mo>/</mo><mi>f</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>M</mi><mfrac><mrow><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><msup><mi>t</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>F</mi><mo>-</mo><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>f</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>式中P——氣動人工肌肉腔內(nèi)壓力/Pa；V——氣動人工肌肉腔內(nèi)容積/m3；A——氣動人工肌肉等效作用面積/m2；Qm——進入氣動人工肌肉腔內(nèi)的質(zhì)量流量/kg；T——氣體絕對溫度/度；k——氣體絕熱指數(shù)，k＝1.4；R——氣體常數(shù)，R＝287.1J/kg·K；f——PLC輸出脈沖信號的頻率，f＝1/T；λ——脈沖占空比；x——振動驅(qū)動系統(tǒng)的振幅/mm；qm——一周期內(nèi)進入氣動人工肌肉腔內(nèi)的氣體質(zhì)量/kg；M——振動驅(qū)動系統(tǒng)的等效質(zhì)量/kg；F——振動驅(qū)動系統(tǒng)的輸出力/N；Ff1——外部摩擦力/N；F1——外部負載力/N；基于氣動人工肌肉的振動驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動力可由下式計算F＝FlX+Ff+Fv+FZ(2)式中F1X——振動驅(qū)動系統(tǒng)的理想輸出力/N；Ff——振動驅(qū)動系統(tǒng)的摩擦力/N；Fv——振動驅(qū)動系統(tǒng)的彈性回復力/N；FZ——振動驅(qū)動系統(tǒng)的阻尼力/N。2、根據(jù)權利要求l所述的基于氣動人工肌肉的振動驅(qū)動方法，其特征在于，采用PLC和高速開關閥來控制驅(qū)動頻率和占空比，采用壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣源壓力。全文摘要本發(fā)明公開了一種基于氣動人工肌肉的振動驅(qū)動方法，首先根據(jù)工程實際需要提出驅(qū)動頻率、振幅和驅(qū)動力要求，頻率為0～25Hz；振幅為氣動人工肌肉長度的20％；驅(qū)動力范圍為0～4000N，然后，根據(jù)氣動人工肌肉振幅和驅(qū)動力特性公式(1)(2)反求出控制量，即氣源壓力、驅(qū)動頻率和占空比。本發(fā)明振動動作平滑、能量轉(zhuǎn)換率高、不產(chǎn)生污染、振幅和頻率可調(diào)，從而滿足工程實際當中對振動驅(qū)動方法的某些特殊要求。文檔編號F15B11/00GK101660547SQ20081001788公開日2010年3月3日申請日期2008年4月3日優(yōu)先權日2008年4月3日發(fā)明者何國昆,劉吉軒申請人:西安交通大學