第39卷第7期
2003年7月
,
.《二
机械工程v.1.39No.7 CHINESEJOURNALoFMECHANICALENGINEERINGJu1.2003
气动人工肌肉系统建模与仿真
李宝仁刘军杨钢
(华中科技大学FESTO气动技术中心武汉430074)
摘要：建立了气动人工肌肉系统完整的静动态特性数学模型，提出气动人工肌肉系统的工作过程可以分为等容充
气，充气收缩，排气伸长和等容排气四个部分.并通过仿真分析了气动人工肌肉系统的工作特性，为控制策略的
选取以及试验研究打下基础.
关键词：气动技术人工肌肉静动态特性数学模型仿真
中图分类号:TP27
0前言
气动人工肌肉作为一种新型的气动执行元件,
主要由内部橡胶筒及外部纤维层构成.充气后，气
动人工肌肉可以实现径向膨胀和轴向收缩.在收缩
运动过程中，其拉伸力逐步减小，使得气动人工肌
肉最终能够平稳地达到期望位置.由于气动人工肌
肉结构和工作原理的特殊性，其具有常规气动执行牛顿物理仿真
元件难以比拟的优点，如输出力一自重比大，柔性
好，动作平滑，噪声低，重量轻和维护方便等，因
此，气动人工肌肉在加工制造业，电子装备，半实
物仿真和医疗器械等领域具有广阔应用前景.
气动人工肌肉静动态特性分析是研究气动人工
肌肉控制系统的基础，许多学者在此方面进行了研
究[1~10】，建立了描述气动人工肌肉静动态性能的数学模型，但这些模型忽视了气动人工肌肉是一种气
动元件的事实，没有考虑压缩空气的流动以及流动
中的热力学过程对系统的影响，缺乏严格的理论基础，并不能准确的反映气动人工肌肉的实际运动情况.
提出将气动人工肌肉系统作为一种气压传动系
统来研究的观点，并基于流体力学和热力学理论建
立了描述气动人工肌肉系统动静态特性的数学模型，同时应用此模型对气动人工肌肉系统进行仿真
研究，得出了一些有益结论，为进一步分析研究气
动人工肌肉控制系统打下了基础.
1气动人工肌肉的结构特性
气动人工肌肉的工作特性与其独特的结构特点
是密不可分的.在气动人工肌肉的工作过程中，其20020925收到初稿.20030120收到修改稿
我的团长我的团评论纤维层起到了至关重要作用.当气动人工肌肉充气
后(图1和图2)，橡胶筒开始膨胀，由于纤维层对
橡胶筒运动的约束，橡胶筒的径向膨胀力被转换为
气动人工肌肉的轴向收缩力，从而使气动人工肌肉
产生径向膨胀运动和轴向收缩运动，这就是气动人
工肌肉充气后收缩运动的原因.
图1气动人工肌肉结构简图
图2纤维层几何参数关系示意图
由于纤维层的刚性远远大于橡胶筒的刚性，因
此，可以认为单根纤维的长度.Z在气动人工肌肉运
动过程中保持恒定.根据图2，可得纤维层中的各
一汽佳宝6371几何参数的函数关系为
L=lcos0(1)
nlgD=lsinO(2)
式中三——气动人工肌肉实际长度
24机械工程?第39卷第7期
D——气动人工肌肉的直径
卜一单根纤维长度
,l——纤维缠绕圈数
——
纤维与轴向之间的夹角
2系统组成及其数学描述
气动人工肌肉系统是一种气压传动系统.如图
3所示，其主要由气动人工肌肉，小车，负载气缸
和气源等部分组成.这里采用负载小车模拟惯性负
气≮—一
载，负载气缸模拟力负载.
为方便推导出描述气动人工肌肉系统动静态特
性的数学模型，特作如下假设.
(1)在工作过程中，气动人工肌肉腔室内的气
体与外界无热交换.
(2)气源压力恒定，气体温度为环境温
度.
(3)气动人工肌肉腔室内的气体热力学过程为
准静态过程.
(4)气动人工肌肉无泄漏.
图3气动人工肌肉系统
1.减压阀
2.压力表
3.负载小车
4.负载气缸
火地人
5.气动人工肌肉
6.换向阀7，储气蕾
2.1充放气能量方程
如图4所示，气动人工肌肉腔室的充，放气过
程为一变质量系统的热力学过程.
图4气动人工肌肉充放气简化物理模型
根据有限容积绝热充气的能量守恒方程【ll1,
可得气动人工肌肉充气过程的能量守恒方程为
一
kRT,q幼dV一='__________.一
(1f(1f
式中P——腔室内压力
R——气体常数
七——气体绝热指数
——
气源温度
g～进入腔室的气体质量流量
腔室工作容积
将式(1)和(2)代入式(3)，可得
=
(R一p)一==—--———--——?——---———-—-————---一I,r，一,l一一l(1f 一)一缸,l'I|缸,l(1fJ
式中——橡胶筒体积
同样，根据有限容积绝热放气的能量守恒方程
可得气动人工肌肉放气过程的能量守恒方程为
史:～k.Rrg.1望r5，一=～——__一l,l
(1f(1f
式中卜腔室内气体的温度
qml——腔室排向大气的气体质量流量
将式(1)和(2)代入式(5)，可得
一
邮购目录
cRTq~l+p171112
)一=一?____-?-_____-_____________-?.一IⅣ一一I(1f(f一)一缸'缸,ldfJ (6)
2.2充放气流量方程
气体进入腔室的质量流量方程【ll1为
gm
∞(cr,6I)=
国(,61)
=旦≤6l
p
tlr：卫>6-
式中广一充气上游压力
.拉面人生
——
进，排气管道系统的总有效面积
6l——临界压力比
腔室向大气排气的质量流量方程为【ll1
2003年7月李宝仁等：气动人工肌肉系统建模与仿真
‰=
I?=詈≤
cr'.1：詈
式中——橡胶筒的横截面积
(9)卜表面有编织纤维层的橡胶筒的弹性模量
假设橡胶筒套的体积在气动人工肌肉运动
(1O)
式中p0_一大气压力
考虑到排气过程中腔室内气体温度的不断变
化，假设排气过程为绝热等熵过程，写出温度随
压力P的变化关系式【ll】为
k-I
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