專利名稱：：基于氣動(dòng)人工肌肉的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法，特別涉及基于氣動(dòng)人工肌肉的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
：目前常用的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法有慣性式、電磁或電動(dòng)式、液壓缸活塞式、氣缸活塞式。其中慣性式振動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)力，這種振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法存在的不足是結(jié)構(gòu)尺寸一般較大、能量消耗大、激振振幅難于改變；電磁式振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法是由鐵心、電磁線圈、銜鐵和彈簧等組成，電動(dòng)式振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法是由磁環(huán)、中心磁極和通有交流電的可動(dòng)線圈等組成，電磁式和電動(dòng)式存在的不足是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、低頻特性差、生產(chǎn)成本和維護(hù)成本相對(duì)較高；液壓缸活塞式振動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)尺寸大、成本較高；氣缸活塞式振動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本也較高、系統(tǒng)響應(yīng)頻率低、在低頻時(shí)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(shù)不足，提供一種基于氣動(dòng)人工肌肉的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法，該方法振動(dòng)動(dòng)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(shí)際當(dāng)中對(duì)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法的某些特殊要求。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的基于氣動(dòng)人工肌肉的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法，按以下步驟進(jìn)行1)根據(jù)工程實(shí)際需要提出驅(qū)動(dòng)頻率、振幅和驅(qū)動(dòng)力要求，頻率為0~25Hz;振幅為氣動(dòng)人工肌肉長(zhǎng)度的20%;驅(qū)動(dòng)力范圍為04000N。2)根據(jù)氣動(dòng)人工肌肉振幅和驅(qū)動(dòng)力特性公式(1)(2)反求出控制量，即氣源壓力、驅(qū)動(dòng)頻率和占空比。根據(jù)氣動(dòng)人工肌肉特性和系統(tǒng)原理，基于氣動(dòng)人工肌肉的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振幅按照下式計(jì)算d尸—臟仏/&尸血j式中-尸——?dú)鈩?dòng)人工肌肉腔內(nèi)壓力/Pa;(1)r義x--氣動(dòng)人工肌肉腔內(nèi)容積/m3;-氣動(dòng)人工肌肉等效作用面積/m2;-進(jìn)入氣動(dòng)人工肌肉腔內(nèi)的質(zhì)量流量/kg;-氣體絕對(duì)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(hào)的頻率ZHz，/=l/r-脈沖占空比；-振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振幅/mm;F——振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出力/N;——外部摩擦力/N;A——外部負(fù)載力/N?；跉鈩?dòng)人工肌肉的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力可由下式計(jì)算F=&+F,+Fv+Fz(2)式中F"——振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理想輸出力/N;——振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力/N;Fv——振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的彈性回復(fù)力/N;Fz——振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的阻尼力/N。本發(fā)明采用PLC和高速開關(guān)閥來控制驅(qū)動(dòng)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(shù)效果為1.由于氣動(dòng)人工肌肉工作介質(zhì)為壓縮空氣，所以這種驅(qū)動(dòng)方式特別適合應(yīng)于危險(xiǎn)品生產(chǎn)場(chǎng)合，而且對(duì)環(huán)境無污染；2.由于氣動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)器，而普通的驅(qū)動(dòng)方法很難滿足這么低的頻率要求。圖1是本發(fā)明的實(shí)施系統(tǒng)示意圖；圖2是本發(fā)明驅(qū)動(dòng)控制方法圖；圖3是本發(fā)明中控制器工作原理圖。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。具體實(shí)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(chǔ)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(dòng)控制閥5，氣動(dòng)控制閥5連接控制器6，氣動(dòng)控制閥5與氣動(dòng)人工肌肉7相連，氣動(dòng)人工肌肉7連接振動(dòng)體8，振動(dòng)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(jī))1，以及系統(tǒng)執(zhí)行元件氣動(dòng)人工肌肉7，壓縮空氣經(jīng)過氣壓調(diào)節(jié)閥4、氣動(dòng)控制閥5后進(jìn)入氣動(dòng)人工肌肉內(nèi)腔，氣動(dòng)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(dòng)振動(dòng)主體。氣動(dòng)控制閥5采用氣動(dòng)高速開關(guān)閥或比例壓力閥，氣動(dòng)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(jié)構(gòu)，儲(chǔ)氣罐3用于保持系統(tǒng)工作時(shí)的壓力穩(wěn)定性，控制器6輸出的動(dòng)態(tài)交變控制信號(hào)用于控制氣動(dòng)高速開關(guān)閥的開啟狀態(tài)，進(jìn)而控制氣體流量，彈性元件9為彈簧連接件。各氣動(dòng)元件是通過氣管連接。參照附圖2，開關(guān)閥在一系列脈沖電信號(hào)的作用下實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作，從而控制開關(guān)閥的排氣量。脈寬調(diào)制器將輸入的控制信號(hào)與載波信號(hào)比較后，轉(zhuǎn)化為周期為T的脈寬調(diào)制信號(hào)。通過將PLC輸出的控制信號(hào)與同時(shí)由PLC輸出的一系列作載波的鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較，如果在某一時(shí)刻控制信號(hào)的值大于鋸齒波的值，則要求閥開，否則要求閥關(guān)。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(shí)間閥通路打開，有流量q通過，其余的時(shí)間內(nèi)則無流量通過。氣動(dòng)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(shí)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(shí)間T。n與時(shí)間T之比，Q^表示氣壓差，/9表示空氣密度。這里高速開關(guān)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(guān)閥進(jìn)入氣動(dòng)人工肌肉腔內(nèi)的平均流量越大，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振幅就越大。通過附圖1所示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作頻率為10Hz、振幅5mm、驅(qū)動(dòng)力750N和工作頻率為10Hz、振幅為12mm、驅(qū)動(dòng)力為620N的兩組振動(dòng)。根據(jù)公式(1)(2)求出以上兩組振動(dòng)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(dòng)方法采用PLC控制氣動(dòng)開關(guān)閥的開啟狀態(tài)，進(jìn)而控制氣體流量。通過PLC輸出脈寬可調(diào)制的脈沖信號(hào)，輸出的脈沖滿足如下關(guān)系脈沖周期為i/f=iooms;占空比;t-r/r，分別應(yīng)取10%和50%。當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)振幅小于要求振幅時(shí)，可以增加高電平時(shí)間，也就是設(shè)置更大的占空比，當(dāng)振幅大于要求振幅時(shí)，則可以降低占空比來滿足要求。雖然本發(fā)明以較好的實(shí)施例闡述如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何基于氣動(dòng)人工肌肉的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)在滿足頻率為025Hz,振幅為氣動(dòng)人工肌肉長(zhǎng)度的20%;驅(qū)動(dòng)力為04000N時(shí)都可以采用本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)。權(quán)利要求1、基于氣動(dòng)人工肌肉的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，按以下步驟進(jìn)行1)根據(jù)工程實(shí)際需要提出驅(qū)動(dòng)頻率、振幅和驅(qū)動(dòng)力要求，頻率為0～25Hz；振幅為氣動(dòng)人工肌肉長(zhǎng)度的20％；驅(qū)動(dòng)力范圍為0～4000N；2)根據(jù)氣動(dòng)人工肌肉振幅和驅(qū)動(dòng)力特性公式(1)(2)反求出控制量，即氣源壓力、驅(qū)動(dòng)頻率和占空比；根據(jù)氣動(dòng)人工肌肉特性和系統(tǒng)原理，基于氣動(dòng)人工肌肉的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振幅按照下式計(jì)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>λ</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——?dú)鈩?dòng)人工肌肉腔內(nèi)壓力/Pa；V——?dú)鈩?dòng)人工肌肉腔內(nèi)容積/m3；A——?dú)鈩?dòng)人工肌肉等效作用面積/m2；Qm——進(jìn)入氣動(dòng)人工肌肉腔內(nèi)的質(zhì)量流量/kg；T——?dú)怏w絕對(duì)溫度/度；k——?dú)怏w絕熱指數(shù)，k＝1.4；R——?dú)怏w常數(shù)，R＝287.1J/kg·K；f——PLC輸出脈沖信號(hào)的頻率，f＝1/T；λ——脈沖占空比；x——振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振幅/mm；qm——一周期內(nèi)進(jìn)入氣動(dòng)人工肌肉腔內(nèi)的氣體質(zhì)量/kg；M——振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等效質(zhì)量/kg；F——振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出力/N；Ff1——外部摩擦力/N；F1——外部負(fù)載力/N；基于氣動(dòng)人工肌肉的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力可由下式計(jì)算F＝FlX+Ff+Fv+FZ(2)式中F1X——振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理想輸出力/N；Ff——振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力/N；Fv——振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的彈性回復(fù)力/N；FZ——振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的阻尼力/N。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于氣動(dòng)人工肌肉的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，采用PLC和高速開關(guān)閥來控制驅(qū)動(dòng)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(dòng)人工肌肉的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法，首先根據(jù)工程實(shí)際需要提出驅(qū)動(dòng)頻率、振幅和驅(qū)動(dòng)力要求，頻率為0～25Hz；振幅為氣動(dòng)人工肌肉長(zhǎng)度的20％；驅(qū)動(dòng)力范圍為0～4000N，然后，根據(jù)氣動(dòng)人工肌肉振幅和驅(qū)動(dòng)力特性公式(1)(2)反求出控制量，即氣源壓力、驅(qū)動(dòng)頻率和占空比。本發(fā)明振動(dòng)動(dòng)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(shí)際當(dāng)中對(duì)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法的某些特殊要求。文檔編號(hào)F15B11/00GK101660547SQ20081001788公開日2010年3月3日申請(qǐng)日期2008年4月3日優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日發(fā)明者何國昆,劉吉軒申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)