1、 毕 业 设 计2013 年 06 月 06 日设计题目 气动肌肉并联系统设计 学生姓名 张志鹏 学 号 20090676 专业班级 机械设计制造及其自动化 2009-8 班 指导教师 曹剑 院系名称 机械与汽车工程院 目 录目 录 1中文 摘要 1英文摘要 11 绪 论 11.1 课题研究背景及意义 11.1.1 气动肌肉并联系统的研究意义 .11.1.2 研究现状 21.2 系统组成的重要元件 31.2.1 气动肌肉 .31.2.1.1 气动肌肉简介 .31.2.1.2 气动肌肉的优缺点： .41.2.1.3 气动肌肉的发展历史 .51.2.1.4 气动肌肉的实际应用 .51.2.2 高速
2、开关阀 .81.2.2.1 高速开关阀特性介绍 .81.2.2.2 高速开关阀脉宽调制控制 .91.3 文章结构 .92 系统结构设计 102.1 系统机械结构 .102.1.1 整体设计思路 .102.1.2 气动肌肉的选型 .102.1.3 系统中气动肌肉的连接 .112.1.4 系统外形的设计 .112.1.5 球铰在系统中的应用 .122.1.6 中心立柱 .132.1.6.1 系统下平台中心立柱： .132.1.6.2 运动模拟平台立柱： .132.1.7 系统上下层的连接 .142.1.8 系统上层旋转角度的验算 .142.1.9 防护罩的选择 .152.2 传感器的选择与安装 1
3、62.2.1 位移传感器 .162.2.2 压力传感器 182.2.3 倾角传感器 .182.3 气动结构的设计与选型 202.3.1 气源处理单元（三联件） .202.3.2 阀的选择 .202.3.3 阀块的设计 .212.4 小结 233 系统控制策略 243.1 概述 .243.2 数据采集卡 PCL-711B253.2.1 概述 253.2.2 开关与跳线 253.2.3 I/O 地址选择 .263.2.4 D/A 范围选择 .263.2.5 接线柱引脚分配 273.1.6 信号连接 283.1.7 模拟输入连接 283.1.8 模拟输出连接 283.1.9 数字信号连接 293.3
4、 高速开关阀的控制电路（PWM 波发生电路） 303.3.1 概述 303.2.2 PWM 波发生电路的组成芯片 .313.3.3 电路模块介绍 383.2.4 电路图 423.2.5 电路输入值 423.2.6 电路输出值 433.2.7 时序图 443.4 系统控制仿真 .463.5 小结 .47总 结 48致 谢 49参考文献 50摘要本论文的内容是气动肌肉并联系统设计，该系统主要由上下两层平台组成。气动肌肉是一种具有类似人类肌肉输出特性的柔性执行器，它是根据人类肌肉的运动原理设计而成。气动肌肉既具有清洁、质量轻、价格低、易维护等气动元件的优点，与气缸相比，还具有较大的功率/体积比和功率
5、 /质量比，并且有良好的柔顺性。本文所讲述的并联系统可用在舰船上，作用是在颠簸的外部环境中提供一个稳定的平台，以适应科研或者生活的要求。以气动肌肉并联关节为基础的所开发的平台，具有价格低、结构简单、功率/质量比高等优点。本文介绍了基于气动肌肉并联关节的系统设计，主要包括平台的机械结构设计、组成系统的元件的选型与设计、气动元件的选型与设计、高速开关阀的控制策略等几方面的内容。绘制出了组成系统的各个零件图和装配图并简单介绍了系统的控制策略。由于时间有限，对气动肌肉的控制方法、整个系统的特性等问题还需要进一步的研究。关键词： 气动肌肉，并联系统AbstractThis paper is about
6、the design of a parallel system driven by pneumatic muscles.This system is mainly made up of a upper platform and a lower onePneumatic muscle is a new type of exible pneumatic actuator with the same output characteristics as human muscle, and is designed according to motion principle of human muscle
7、. It has not only the advantages of cleanliness, lightweight, cheapness and easy maintenance possessed by pneumatic actuators, but also the special feature of higher power/weight ratio and power/volume ratio as well as good compliance.The parallel system that we talk about can be used on the ship. I
8、t can keep balance although the ship is swaying. So its very useful for scientific research and our daily life. If we make a parallel manipulator with Pneumatic Muscle, it can have the advantages of cheapness and high power/weight ratio.This paper mainly discusses the mechanical structure design of
9、the system the selection and design of the system components and pneumatic components, and the fast switching valve control method. At last, we get the parts drawings and setting drawings and make a brief introduction of the control about the system.Owing to time constraints, the pneumatic muscle co
10、ntrol method, and the characteristic of the system still need further study.Key Words: pneumatic muscle, parallel manipulator11 绪 论1.1 课题研究背景及意义1.1.1 气动肌肉并联系统的研究意义自18世纪60年代的工业革命开始，人类社会走上了一条飞速发展的道路，人类对自然资源的开发利用也跨入新时代。然而，在经历了将近300年的发展之后，人们不得不面对这样一个严峻的问题，那就是日渐减少的内陆资源比如石油、天然气、煤炭、矿石等已无法满足人类继续发展的需求。于是，广袤而
11、又资源丰富的海洋便成为了人类探索 开发的下一站。如今，海洋已经成为了人类探索的重要领域，在海上进行的探测活动等也越来越多。不过，相对于陆地上生活以及科研活动的便利，海上作业通常都是比较难以进行的，究其原因，主要是海洋上波浪起伏不定，行驶的船也势必会随着波浪上下颠簸。人类对此往往难以适应；而且，现代的科技仪器往往精度很高，需要在相当稳定的环境下进行工作，如果也随着船不停的颠簸，那么对仪器的精度会产生相当大的影响。因此，无论是从生活的角度还是从科研的角度来看，能在船上保持平稳的仪器都有很大的用处。基于气动肌肉并联关节而设计的并联系统可以在船颠簸时保证系统上层稳定不动，用于科研时，将测量仪器放在系统
12、上层平台上，就可以保证测量精度。船载雷达、摄像机、重力仪、夜视仪等也都需要稳定的系统来保证位置。如果能够控制成本，就可以做成床、桌子、椅子等，让船上的人可以像在陆地上一样的睡觉、吃饭，完全不影响人们的正常生活。一般说来，对应用于颠簸环境中的稳定系统的基本要求就是要响应较快、精度较高、抗干扰能力强。根据实验环境的摇摆幅度和摇摆周期来补偿纵摇和横摇运动，确保在摇摆范围内做到随遇调平 1。传统并联系统的驱动方式主要有机电式和电液式两种，相比这两者，基于气动肌肉并联系统的功率重量比大，结构简单，成本远低于前两者，而且还具有减震防冲击的功能，因此，对基于气动肌肉并联系统的研究有着十分重要的意义，将可能成
13、为未来稳定系统的研究方向。21.1.2 研究现状在国内外的一些研究所中，对以气动肌肉并联关节为基础的稳定系统，已经有了一些研究成果，可以拿来借鉴。日本东京工业大学采用压力闭环和位置闭环的级联控制算法来控制由四根对称分布气动肌肉驱动的并联系统（图1-1），其对角的两根气动肌肉只用一个比例阀控制 2。德国杜伊斯堡- 埃森大学研究由六根带外接弹簧的气动肌肉构成的RRPS型并联系统（图1-2），通过几何分析求出平台运动的极限范围。德国波鸿应用科技大学研究由六根气动肌肉构成的倒立型Stewart并联系统且用于运动模拟器（图1-3），用带延迟补偿的 PID控制器来调节单根气动肌肉的收缩长度 3。北京理工大
14、学研究由四根对称分布气动肌肉构成的并联系统（图1-4），比例压力阀控制单根气动肌肉的跟踪误差小于0.2mm 4。浙江大学的陶国良等正在进行气动肌肉驱动的3自由度平台和多自由度仿人腿的控制研究 5（图1-5）。图 1-3 运动模拟器简图 图 1-4 气动肌肉球面并联机器人图 1-1 自由度机械手 图 1-2 RRPS 型并联平台3图 1-4 气动肌肉驱动3自由度平台1.2 系统组成的重要元件1.2.1 气动肌肉1.2.1.1 气动肌肉简介随着气动技术的不断发展，新型气动元件及其应用不断涌现，气动肌肉就是其中的典型代表之一，除具有气压传动技术所具有的成本低、清洁、安装简便的优点外，还具有高功率/质
15、量比、自然柔顺性、与生物肌肉力学特性类似的优点，受到越来越多研究者的关注，也正发展成为气动及机器人研究领域的一个新热点。气动肌肉是一种具有类似人类肌肉输出特性的柔性执行器，它是根据人类肌肉的运动原理设计而成，其结构虽然很多，但主要还是由橡胶管和编织网组成 6。当对橡胶筒套充气时，橡胶筒套因弹性变形压迫外部编织网，由于编织网刚度很大，限制其只能径向变形，直径变大长度缩短。此时，如果将气动人工肌肉与负载相联，就会产生收缩力，收缩力的大小与元件的几何尺寸、制造材料和充气压力有关；反之，当放气时气动人工肌肉弹性回缩，直径变细，长度增加，收缩力减小。但是，气动肌肉在无压状态下输出力为零，无承载能力。气动
16、肌肉的运动方式和力长度特性酷似生物肌肉，既具有清洁、质量轻、价格低、易维护等气动元件的优点，与气缸相比，还具有较大的功率/体积比和功率/质量比，并且由于其力位移关系特性与人类肌肉特性相似而具有很好的柔4顺性。因此，气动肌肉在机器人、工业自动化和仿生机械中具有广泛的应用前景 7。1.2.1.2 气动肌肉的优缺点：气动肌肉与传统气缸相比，有着不少优点 8：1.输出力 10 倍于相同直径气缸所产生的力，在初始收缩时收缩力最大，随着收缩率的增大而减小；2.动态特性好，由于没有运动部件，可以实现高速运动（最大可达500m/s2和 30m/s，依赖于压力、负载和固定装置）；3.无爬行现象，由于摩擦力小，因
17、而可以实现低俗运动；4.携带方便，是世界上唯一能被卷折起来随身携带的气动驱动器；5.坚固耐用，全密封、无泄漏，适合恶劣的工作环境，包括水下工作；6.定位方便，通过简单压力调节就可以实现中间位置定位，也可用于提取和平衡装置；图 1-6 MAS 气动肌肉外形图图 1-7 气动肌肉的伸缩与拉长57.轻便，是相同直径气缸重量的 1/8，适合作为运动装置的驱动器。但是也存在一定的缺点 9：1.气动肌肉与传统气动执行元件相比行程小（气动肌肉空载时可达 20%，有 载时只可达到 10%；而有的传统气缸可达到 40%）； 2.气动肌肉的变形为非线性环节，具有时变性，使准确制其位移十分困难；3.在工作过程中，气
18、动肌肉自身温度会发生变化，随着温度的变化，其性能也会改变。这给高精度控制带来困难 。1.2.1.3 气动肌肉的发展历史气动肌肉是从人工肌肉发展而来，目前气动肌肉的种类繁多。最早的雏形出现在1936年美国Pierce的专利中，其结构原理和McKibben型气动肌肉十分相似，但其工作原理却是利用径向膨胀而不是轴向收缩将煤块捣碎，目的是在采煤工业中替代黄色炸药。而且，其工作介质是液压油而不是气体。1949年美国De Haven提出一种利用气动肌肉轴向收缩的张力调整装置 10。这种气动肌肉不论从结构原理还是从工作原理都与McKibben型气动肌肉几乎一样，但是其压缩空气不是来自压缩机，而是来自装置内部
19、点燃火药产生的压缩空气。1958年美国Gaylord基于同样的原理提出了一个专利 11，对整个系统进行了数学分析，并给出了第一个描述力大小的方程。同一时期，美国医生J. L. McKibben将气动肌肉用于能够辅助残疾手指运动的气动装置，后人大多数认为McKibben型气动肌肉标志着气动肌肉的出现。1962年，美国Schulte详细分析了McKibben型气动肌肉的特性，并进行了大量的数学分析，其借鉴了Gaylord专利中的分析结果。尽管这种系统似乎在康复领域非常有前途，但由于供气困难和连续控制困难导致在其应用领域一度被电马达替代。1986年，日本Bridgestone公司申请了用于机械手的气
20、动肌肉专利，称为Rubberuator，并将之应用于两种工业机器人RASC和Soft Arm进行商业化。90年代末期，德国Festo公司推出了一种新的气动肌肉，称之为Fluidic Muscle，其最大的特点是将编织网嵌入橡胶管的橡胶中，这样能够大大增强气动肌肉的疲劳寿命。目前对气动肌肉研究较多的有英国索尔福德大学、美国华盛顿大学、法国国家应用科学院，日本东京工业大学等。国内的有哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、华中科技大学、上海交通大学、浙江大学等 12。61.2.1.4 气动肌肉的实际应用MAS仿生气动肌肉是Festo公司2000年新概念气动产品。它以螺纹来进行配合，更加精确。该产品将柔性
21、管和由坚韧纤维组成的菱形网状结构相结合。当气体流入柔性管时，肌肉就会向周围扩张，产生巨大的拉力。在自动化应用场合，气动肌肉MAS使用非常灵活，可产生相当于传统气动驱动器驱动力10倍的冲力以及极大的加速度，反应灵敏，无爬行现象。总的来说，气动肌肉可以用在两种情况下 13: 1.当内部压力或肌肉体积一定时，气动肌肉和弹簧的特性相似，它的长度随外力的大小改变而改变，近似符合胡克定律：F=KX。这种情况下的气动肌肉与弹簧相比的优点是刚度和预紧力都可以被很容易的改变。在恒压力和恒体积下，它都可以作为一个弹簧被使用，而且它能完美的发挥弹簧效果。因此，气动肌肉在很多场合得到广泛的应用，如可应用在夹持器，刹车
22、装置，机械臂的重力补偿装置中所需用的弹簧等；2.当气动肌肉的外部载荷一定时，将可以带一定负载作为单作用执行器工作。假设气动肌肉上承受恒定负载，那么在静止状态下，它就会有一定的伸长量。当开始对肌肉加压时，当受压时，气动肌肉会以最佳动态特性和最低空气消耗达到最大力输出。气动肌肉的压缩能力受载荷和压力等级影响，而当载荷一定时，通过改变压力，可使气动肌肉达到预先要求的一定位置。即可用气动肌肉组成一位置控制系统，实现简单的定位控制。气动肌肉的这种特性可应用在提升物体，运动平台位置控制,流水线上分拣重物的机构等。气动肌肉的最简化模型如下 14：图1-8 气动肌肉的两种应用方式722(3cos1)4pbFn
23、式中F是气动肌肉收缩时产生的拉力，P是充入橡胶内管中的气体压力，n为纤维线相对于气动肌肉轴向的缠绕圈数，b是位于两个钢箍之间的单根纤维长度， 为气动肌肉的有效长度，为纤维编织线与气动肌肉轴向之间的夹角。MAS系列三种气动肌肉的特征曲线 15在下图中分别给出，可以通过特征曲线来实现对气动肌肉的控制。但是显然这个控制曲线不是线性的，这就意味着要实现对气动肌肉的控制是非常复杂的过程。图1-5 MAS-10-的特征曲线图1-10 MAS-20-的特征曲线图1-9 MAS-10-的特征曲线81.2.2 高速开关阀1.2.2.1 高速开关阀特性介绍随着工业自动化的发展，气动技术与计算机技术和电子技术的结合
24、越来越紧密，数字式气动元器件的研发成为气动技术的一个重要发展方向。高速开关电磁阀就是一种数字式电气转换控制元件，采用脉冲流量控制方式，利用脉冲电信号进行开关动作。其与伺服阀、比例阀相比具有结构简单，价格低廉、抗污染能力强、可与计算机及 PLC 直接接口等特点，但控制精度和响应速度不如伺服阀和比例阀。与伺服阀和比例阀采用连续控制方式不同，高速开关阀采用脉冲流量控制方式，比较常用的是采用脉宽调制(PWM)方式。实验系统中使用的高速开关阀为FESTO公司的MH4型，是一个单电控的两位三通阀。工作电压是24V(DC),工作压力可以为0.98bar。气接口的连接方式为螺纹连接，可靠且精度较高。工作介质为
25、过滤压缩空气。特点主要有 16：(1)耐腐蚀能力较强：耐腐蚀等级为2级，即：要求元件具有一定的耐腐蚀能力，外部可视元件带有基本涂层，直接与工业环境或诸如冷却液或润滑剂等介质接触。图1-11 MAS-40-的特征曲线9(2)响应时间短，在带有快速切换电子元件的情况下，开/关响应时间分别为3/2.3ms。(3)最大切换频率有280Hz,可以满足实验的需要。1.2.2.2 高速开关阀脉宽调制控制脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。它的主要原理是通过改变占空比（即一定周期T内，高电平占据的时间Ton与总
26、的脉冲周期T的比值），来实现对电路的控制。在流体控制系统中，最普通的控制信号是连续变化的电压和电流。而对于工控机来说，只有控制信号在通或断的条件下，才能用调制脉冲宽度的方法对流体控制气动进行控制。因此，可以采用工控机来生成PWM波，并将至输入高速开关阀的控制电路，以控制电路的通/断电，并进而控制高速开关阀（二位三通）接入回路的位置，最终实现对气动肌肉的充气和放气过程。1.3 文章结构全文共有四章，结构如下：第一章是概述，主要介绍了课题背景，相关资料，并对系统所需要的重要元件做一个大概的介绍。第二章对气动肌肉并联系统作了系统结构的设计，包括机械结构的设计，系统所需元件的选型，设计及相关尺寸的确定
27、，对气动控制部分进行简单设计。图1-12 简单脉冲信号10第三章对系统的控制策略做了介绍。第四章主要总结了本篇文章所介绍的内容，并总结了个人做系统设计以来的一些心得2 系统结构设计2.1 系统机械结构2.1.1 整体设计思路整个系统由两组平台组成，上部分平台为运动模拟平台，下部分平台为稳定平台。实验时，由运动模拟平台产生模拟类似波浪的随机运动，平台的运动通过位移传感器，倾角传感器和位移传感器传至控制中心，只要有合适的控制策略和软件，就可以通过控制高速开关阀使下部肌肉产生相应的运动，与上部肌肉的运动叠加后最终使上平台保持稳定。2.1.2 气动肌肉的选型气动肌肉是整个系统的执行元件，而且也是需要直
28、接购买的元件，因此，首先应当选择气动肌肉的型号，尺寸。首先选择 FESTO 公司的气动肌肉，主要有三种型号 15 ：表 2-1 三种不同直径的气动肌肉比较型号 承受最大压缩力 压力范围 最大伸缩比MAS-10- 400N 08bar 20%MAS-20- 1200N 06bar 20%MAS-40- 4000N 06bar 25%设定平台所承受的力大约为 1000N，在所需的力相同的情况下，直径越大则长度越小，可以使用 FESTO 公司产品资料可知，得出在行程 120mm，压力设定 6bar，所需力 1000N 的情况下，直径 20mm 时额定长度为 1653mm，直径40mm 时长度为 48
29、0mm，显然，应当选直径 40mm 的肌肉，此时的肌肉出厂时长度为 600mm，可伸缩的范围为-18150mm，即肌肉的最大长度为 618mm，最小长度为 450mm。可以选定 540mm 为肌肉安装在系统静止时的长度。在以11后计算时近似认为肌肉的长度变化范围为 ，即从 480mm 至 600mm。20%系统上平台的肌肉并不需要承受很大的负载，因此，从体积的角度考虑，可直接选取直径为 10mm 的小型气动肌肉。2.1.3 系统中气动肌肉的连接无论哪个平台都要与气动肌肉相连接，要使系统能随肌肉的伸长、缩短和转动而上下摆动，选择三自由度的球铰来进行连接。系统需要能够上下各 15转动，因此，要求球
30、铰可以旋转 30。查看 THK 公司的 TBS 型球绞(图 2-1)，共有四种型号17：TBS6、TBS8、TBS10、TBS12。考虑到肌肉的长度，下半平台选用 TBS12 型的球铰，它两边的螺纹分别是 M301.5 和 M121.75,而上半平台的球铰应略小于 TBS12 型的，由于 TBS10 型球铰的螺纹 M251.5 并非第一系列，因此，选用 TBS8 型球铰，两边螺纹分别是 M221.5 和 M81.25。图 2-1 球铰2.1.4 系统外形的设计上下两组平台形状基本一致，只是尺寸略有不同，按对称结构，动平台采12用圆形，三个铰支点沿同一圆周均匀分布，圆半径在 200mm250mm
31、 之间。为便于和电控柜（固定比例阀，气源处理单元等）的连接，系统下平台的下平台采用正方形，而下平台的上平台采用圆形，可以适当节省材料。系统上平台的下平台与系统下平台的上平台连接在一起，也为圆形，上平台同样为圆形。具体结构见图 2-2。2.1.5 球铰在系统中的应用在运动模拟平台由于尺寸较小，可以在平台上打螺纹孔，直接将球铰拧入螺纹孔中即可。而稳定平台的尺寸很大，应该采用一个平台与球铰的连接装置，如图 2-3 所示，左边有四个孔可以与平台用螺栓相连接，而右边凸出的部分中间有一螺纹孔，用来与球铰（图 2-1）的左半部分相连，这样可以有效的将平台与球铰连接起来。球铰与肌肉之间也要通过类似的元件相连接
32、，肌肉可以分为上下两部分，两部分的连接件是不同的，因为下部分在连接球铰和肌肉的同时也要连接给肌肉供气的气管，需要额外打孔来通气。以下平台为例， 肌肉上半部分的连接件如图 2-4 所示，左边有外螺纹，可以直接与肌肉相配合，而右边有螺纹孔，与球铰相配合。下半部分连接件如图 2-5 所示，与上半部分不同的是在中间开有一个螺纹孔，可以与气管相连接，气体可以通过球铰肌肉连接件进入气动肌肉，从而控制肌肉的伸缩。运动模拟平台的连接件与稳定平台相仿。图 2-2 平台示意图 图 2-3 平台球铰连接件132.1.6 中心立柱中心立柱在平时起着支系统的作用，并且当系统运动时是以立柱上面的球铰球心为中心点进行旋转的
33、，因此，立柱的长度是最为重要的一个尺寸，只有当长度选取合适时，才可以使系统能够达到理想的旋转角度。立柱长度应为从下平台到上平台中所有零件的长度之和减去相连接部分的长度。2.1.6.1 系统下平台中心立柱：平台球铰连接件的长度为 40mm，球铰长度 63mm，下部球铰肌肉连接件长度是 97mm，初始时气动肌肉的长度为 600mm，加上两端连接部分的总长度为 711mm，使用中取气动肌肉收缩 10%时的长度，即 540mm ，此时气动肌肉两端连接部分的总长为 651mm，上部球铰肌肉连接件长度为 67mm，球铰立柱连接件与立柱的连接长度是 26mm。平台球铰连接件与球铰连接的长度是 15.5mm，
34、球铰与下部球铰肌肉连接件的连接长度是 24mm，下部球铰肌肉连接件与气动肌肉的连接长度是35mm，上部球铰肌肉连接件与肌肉的连接长度是 33.5mm，球铰立柱连接件的长度是 66mm。由此可以得出立柱的总长度为：mm40639751625.43.5670l2.1.6.2 运动模拟平台立柱：球铰的长度为 41.5mm，下部球铰肌肉连接件的长度为 60mm，初始时气动肌肉的长度为 130mm，加上两端连接部分的总长度为 203mm，使用中取气图 2-5 下部球铰肌肉连接件图 2-4 上部球铰肌肉连接件14动肌肉收缩 10%时的长度，即 117mm ，此时气动肌肉两端连接部分的总长为190mm，上部
35、球铰肌肉连接件的长度为 45mm。下平台与球铰的连接长度为 11mm，球铰与球铰肌肉连接件的连接长度为12mm，下部球铰肌肉连接件与肌肉的连接长度为 15mm，上部球铰肌肉连接件与气动肌肉的连接长度为 15mm。所以，运动模拟平台的立柱长度为： 41.56094512583.l m中心立柱与两个平台的下平台连接主要是通过螺栓或者螺钉紧固。而与两平台上平台的连接则需要球铰立柱连接件（图 2-6） ，它的一端与球铰连接，而另一端则攻有外螺纹，可以在立柱上打一个螺纹孔，与之相连接。图 2-6 球铰立柱连接件2.1.7 系统上下层的连接由图 2-2 可以看出，两组平台是相连在一起的，连接时可以在两平台
36、的相同位置打直径一样的通孔，再用螺栓将这两组平台以及球铰立柱连接件同时连接起来。这样可以用四个螺栓来连接三个元件。2.1.8 系统上层旋转角度的验算平台要求旋转角度在 之间，因此，应对尺寸进行验算。15三根肌肉形成了一个以立柱为圆心的圆，圆的半径是 220mm，因此，相当于构成了一个等边三角形，这个三角形的每个顶点到形心的距离是 220mm。当15平台旋转 15时，相当于与肌肉相连的球铰球心绕着与立柱相连的球铰球心旋转 15。距离仍为 220mm 保持不变。此时构成了三角形 ABC。这是个等腰三角形，腰长 AB=AC=220mm，顶角是 15，可以得出第三边BC 的长度为： 22 2cos02
37、0cos153298.4BCABCA57.4m这条边与初始球铰间距和最终球铰间距共同构成了右边的三角形。可根据装配图求出初始球铰间距为 。08.5lm而这两个边的夹角 BCD 为：189072.BCD 所以，由三角形的余弦定理可以得出，最终的球铰间距为： 22 22cos57.480.57.480.cos17.5306BDCBCD84lm10.l这说明在肌肉的伸缩量仅为 57.4mm 时就可以达到 15的旋转，显然，此时的平台是符合要求的。2.1.9 防护罩的选择由于系统主要工作在海洋湖泊等环境下，气候极为潮湿，腐蚀也很容易发生，为了使得系统能够在潮湿环境下也正常的生存，因此需要防护罩来将肌肉
38、、位移传感器与外界相隔绝。防护罩首先应当与上下平台都紧紧的连接在一起，同时还能随肌肉的伸缩而轴向伸缩。因此，最简单的方法就是选用一个由橡胶制成的，可以轴向伸缩的元件（图 2-8） ，两边有两块板，分别有四个孔可以与系统上下层相连，中间是可以图 2-7 角度验算三角形16轴向伸缩的关节。这样的防护罩在肌肉运动时不会产生很大的阻力。要求关节处的最小直径也要大于肌肉和位移传感器的最大直径。这样才能保证两者互不接触，不会影响到肌肉的正常运动。同时，还需要最大拉伸量应大于 60mm，而最小压缩量也应大于 60mm。才可以保证在肌肉正常工作时防护罩也能正常伸缩。2.2 传感器的选择与安装2.2.1 位移传
39、感器选用 ASM 公司的 WS31-250-R1K-L35-1 型拉线式位移传感器，它结构紧凑，且具有可测量距离长，质量轻，精度高等特点。气动肌肉两端做安装板，将传感器安装在上面，即可测量出气动肌肉的位移量，并通过电路将其反馈至工控机中。传感器的具体参数如下表 18：表 2-1参数输出 R1K=电位器: 1k 分辨率 基本无限壳体: 塑胶 线盘: 铝材料测量钢丝: 不锈钢, 直径: 0.45mm输入电压： 电阻在 1k 时最大 32V DC(最大输入功率 1W) 电气数据 分压电阻： 1k 10%, 其它数值需提出要求图 2-8 防护罩17分压器可调范围： 大约 3% 97%温度系数 0.00
40、25% f.s. / K温度和湿度范围 15 +60 ; 相对湿度: 最大 95%不冷凝重量 约 60 克钢丝张力 1.5N位移传感器 WS31 的行程为 250mm，在传感器的电压是+12V 时，输出电压与位移呈线性关系：当系统处于静止状态时，已经有一定的位移，可以取为 80mm，由于三根肌肉静止时长度为 540mm，最小长度为 480mm，最大长度为 600mm。因此，可知在实际应用中的传感器最大位移是 140mm ，而最小位移是 20mm。则它的输出电压变化范围是： 60.245UkLmini 0.8()kVax136可见，传感器的输出电压范围为 0.483.6V 之间，将此电压输入 A
41、/D 中。A/D 的有效输入电压范围为-5+5V 。所以，在+12V 的电压下，该传感器完全可以适用于此电路。图 2-9 位移传感器 WS31 输出电压与位移图182.2.2 压力传感器压力传感器选择 FESTO 公司的 SDE-10-10V/20mA 型传感器，压力测量范围为 0-10bar，模拟输出 0-10V，0-20mA。它是压阻式压力传感器，测量的变量为相对压力，精度可达 1%，直线性和迟滞符合 DIN167005 标准，电连接为手头 M121，4 针，气接口是 G1/4 螺纹孔，重量仅有 120g，且有短路保护。工作介质是过滤压缩空气，润滑或未润滑均可，环境温度要求在 085之间
42、19。由图 2-10 可以看出，输出电压 U 与输入压力 P 成线性比例关系.比例系数 1UkP因此，只要传感器的输入压力小于 5bar，那么它的输出电压就可以达到限制在 5V 以内，可以直接输入至 D/A 中。2.2.3 倾角传感器倾角传感器选用北京通磁业传感技术有限公司的 WQH 型倾角传感器，采用高性能磁敏感元件，利用重力摆结构，可无电触点的测量倾斜角度，检测角度范围全。具有灵敏度高、分辨率高、寿命长、抗振动、耐环境污染，耐水、油、粉尘和各种恶劣环境等特点。特别适用于运动频繁场合中的姿态角度的测图 2-10 SDE10-10V/20mA 型传感器的输出电压与工作压力关系图19控，平面定位
43、、垂直定位 20。表 2-2 WHQ 型传感器基本性能产品型号 WQH90G -60D24N3I分别率 （理论上连续）0.1线性量程 0 回零重复精度 5工作电压 DC24V 1%阻尼方式 硅油输出信号 420mA 最大负载 20温度系数 0./C 使用温度 56C防护等级 IP65 角度方向 逆时针方向增大倾角传感器安装在波浪运动模拟平台上平台之上（见图 2-2） ，可以设计一个简易的安装板（图 2-11）将它与上平台连接在一起。后边的两个孔为安装传感器所用，用螺钉可以将安装板与传感器连接在一起，而下面的四个孔可以用螺栓将之与上小平台连接在一起。图 2-11 倾角传感器输出曲线202.3 气
44、动结构的设计与选型2.3.1 气源处理单元（三联件）本系统的动力传输介质是压缩空气，由气源（各种气泵）提供压缩空气来供给整个系统，以使执行器动作而达到预定控制。 空气中含有水分,油污,尘埃,铁锈颗粒。水以自然空气湿度的形式存在于空气中,在压缩空气冷却过程中,有大量的水分被析出。对压缩空气的干燥处理可防止对气动系统和设备的腐蚀及损坏。油污残渣不能起到驱动件的润滑作用,反而造成敏感部件的阻塞。尘埃等污染物会加速对滑动表面和密封件的磨损，影响气动元件功能和使用寿命 21。因此,压缩空气必须进行过滤除尘,去污净化,油雾润滑等处理。过滤器可以去除压缩空气中的固态颗粒，水滴和油雾等。油雾器可确保气动元件在
45、必需时有足够的润滑。减压阀可保持恒定的工作气压（出口） ，与系统（进口）的压力变化和空气消耗无关。安全阀能限制系统压力不致过高，在系统突受高压冲击时起到保护系统的作用。上述各单元可以根据需要自由选择组合。对本系统，采用气源处理单元为D 系列气源处理单元，型号为 LFR-1/4-D-MINI-KG。图 2-12 倾角传感器安装212.3.2 阀的选择由于系统下平台为实际运用中所需要的稳定平台，因此对阀的要求很高，需要以极快的速度来适应上平台的变化，从而使中间平台能够得以保持稳定。另一方面，因为系统主要工作在海洋环境中，非常潮湿，因此，需要阀具有较强的抗污染能力。由于高速开关阀的抗污染能力很强，而
46、且响应很快，与电脑接口也很容易，因此，应选用高速开关阀来控制气动肌肉。选用 FESTO 公司的MHP4 和 MHA4 两种类型的阀 16。这两种型号的主要区别仅在于口的位置不同，他们都是两位三通阀，有编号为 1、2、3 的三个口，1 口即为图 2-13 中的左下角的口，2 口是左上角的口，3 口是右下角的口。MHA4 型阀的三个口均在阀体的下部，MHP4 型的阀 1、3 两个口在阀体的下部，而 2 口则位于阀体的上部。因此，为了阀块的设计简单，应选择两种阀来组成控制部分。这两种阀的响应时间可以达到 210Hz，完全能够实现系统的要求。工作电压是 24V(DC),工作压力可以为0.98bar。响
47、应时间快且耐腐蚀能力较强，正好适用于海洋潮湿腐蚀大的环境下。对一根肌肉的控制是通过两个阀来实现的，如图 2-13 所示，左阀的下部分接三联件，而上部分接气动肌肉。两个阀共同控制一个肌肉的运动。它们的通电时间刚好相反，当左阀通电时，即左边接入回路，右阀处于断电状态，此时肌肉充气，开始收缩。反之，当左阀断电时，右半部分接入回路，右阀处于通电状态，左半部分接入回路，压缩气体会通过阀进入大气，从而实现放气的过程。22实际中有三根肌肉，因此应有三组，共六个阀来对肌肉进行控制，为了更容易的将这六个阀集中起来进行控制和防护，可以设计一个阀块。2.3.3 阀块的设计前面提到控制一个肌肉需要用到两个阀，一个 M
48、HA4 型和一个 MHP4 型号的。可以使用 MHA4 型来作为图 2-13 中的左阀，而 MHP4 型来作为右阀。因为右阀的 2 口是要接大气的，通常是通过一个消声器与大气相连通，如果使用MHP4 型的阀，那么这个消声器就可以直接接在阀的上部，而不需要再在阀块上来设计结构，这样就大大简化了阀块的设计，也减小了阀块的高度。阀块的设计主要是孔与孔之间的关系。从图 2-13 可以看出，拿一组阀为例，左阀的 1 孔与气源相通，2 孔接肌肉，同时为了测定输入的压力，还应在接肌肉的同时接一个压力传感器，3 孔则与右阀的 1 孔相通，右阀的 2 孔可直接接消声器与大气相通，3 孔则没有实际用途。(1) 根据对六个阀进行定位，选定第一个的位置后，即可以确定定位螺钉孔、定位销孔和阀的三个通气孔的位置，这样依次排列至第六个阀即可。(2) 在所有阀定位完成之后，首先对内部的孔要进行分层，由高向低算起：最高层的孔是第一组阀的连通 3 孔与 1 孔的孔，还有第三组阀的连通 3孔与 1 孔的孔，因为这两组可以从阀块的两个方向打孔.(3) 低一层的是第二组阀的连通 3 孔与 1 孔的孔，因为这个孔必然要和最高层的孔打在一个面上，所以只有低一层才能互不干扰。(4) 再低一层的孔是每组阀的与气源相通的孔，可以从阀块的侧面打通孔，再从每组阀的 MHA4 型阀 1 孔打通下去与通孔连通，以实现供气的目的。
