Машиностроение и компьютерные технологии. 2018; : 20-34
Пневмомускул: геометрия цилиндрической мембраны и прогнозирование силовых характеристик.
https://doi.org/10.24108/0318.0001377Аннотация
Пневмомускул является пневмодвигателем возвратно-поступательного движения одностороннего действия и предназначен для создания тянущего усилия. Возврат пневмомускула в исходное положение обеспечивается упругой деформацией его оболочки. Основой пневмомускула является цилиндрическая мембрана с жестким дном и крышкой. Корд мембраны формируется в процессе перекрестного винтообразного плетения нитей из сверхтвердого синтетического волокна (например, кевлара). После заливки корда эластомером образуется прочная, деформируемая и упругая оболочка. При подаче во внутреннюю полость мембраны избыточного давления, в ромбовидной ячейке, образующейся в результате плетения нитей корда, происходит удлинение касательной диагонали и одновременное укорачивание осевой диагонали. Это приводит к сокращению пневмомускула до 25% его первоначальной длины, при этом создается достаточно большое усилие сокращения, которое существенно зависит от величины сокращения.
На примере структуры корда пневмомускулов серии MAS фирмы «FESTO» исследована деформация ромбовидной ячейки мембраны и установлена численная зависимость ее внутреннего диаметра и объема внутренней полости пневмомускула от величины сокращения, что позволило разработать математическую модель идеализированной цилиндрической мембраны, в динамике которой не учитывается усилие деформации эластомера, заполняющего ромбовидную ячейку.
В результате экспериментальных исследований промышленных образцов пневмомускулов серии MAS 10, выполненных на специально созданной установке, получены их силовые характеристики. В численном представлении эти характеристики оказались в 2,5…3 раза меньше силовой характеристики пневмомускула с идеализированной мембраной, что позволяет сделать выводы о существенном влиянии сил деформации эластомера. Влияние деформации эластомера на силовые характеристики пневмомускула предложено учитывать посредством корректирующего коэффициента, полученного в результате сравнительной оценки силовых характеристик идеализированной мембраны и нормализованных силовых характеристик пневмомускулов семейства MAS.
Результаты выполненных исследований позволяют прогнозировать силовые характеристики пневмомускулов на этапе их проектирования и в процессе эксплуатации.
Список литературы
1. Алыков А.Н., Драницкий И.О., Усачев К.А. Пневматические мускулы и их применение в робототехнических системах // Молодежный науч.-техн. вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана: электрон. журн. 2015. № 9. С. 6. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/801411.html (дата обращения 03.04.2018).
2. Эластичные механизмы и конструкции / В.Н. Шихирин и др. Иркутск: Изд-во Иркутского гос. техн. ун-та, 2006. 287 с.
3. Беляев А.Ю., Щукин Т.Н. ТРИЗ – анализ направлений проектирования искусственных мускулов. М., 2012. 32 с. Режим доступа: htpp://2045.ru/pdf/kopp_ Beliaev_ Schukin.pdf (дата обращения 03.04.2018).
4. Daerden F., Lefeber D. Pneumatic artificial muscles: actuators for robotics and automation. Режим доступа: http://lucy.vub.ac.be/publications/ Daerden_Lefeber_ EJMEE.pdf (дата обращения 04.04.2018).
5. Iancu A., Filip V. Experimental studies regarding the behavior of a mechanical system with pneumatic muscle driven by compressed air // The Scientific Bull. of Valahia Univ. Materials and Mechanics. 2011. No. 6 (year 9). Pp. 160-167.
6. Челпанов И.Б., Ле Дык Тхинь. Пневмодвигатели на основе армированных упругих оболочек // Вакуумная техника и технология. 2002. Т.12. № 4. С. 205-210.
7. Колесникова Е.Г., Савинская Е.А., Умнов В.И. Гибкие приводы в робототехнике // Молодежный вестник Иркутского гос. техн. ун-та (ИрГТУ). 2012. № 1. С. 2-11. Режим доступа: http://mvestnik.istu.irk.ru/journals/2012/01 (дата обращения 04.04.2018).
8. Лощицкий П.А., Шеховцова Е.Е. Перспективы применения силовых оболочковых элементов в манипуляционных системах // Робототехника и техническая кибернетика. 2014. № 4(5). С. 68-72.
9. Ле Дык Тхинь. Промышленные роботы с новыми типами пневмоприводов и вакуумными устройствами: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб., 2003. 18 с.
10. Szepe T., Sarosi J. Model based open looped position control of PAM actuator // 8th IEEE intern. symp. on intelligent systems and informatics: SISY 2010 (Subotica, Serbia, Sept. 10-11, 2010): Proc. N.Y.: IEEE, 2010. Pp. 607-609. DOI: 10.1109/SISY.2010.5647177
11. Rus D.L., Tolley M. Design, fabrication and control of soft robots // Nature. 2015. Vol. 521. No. 7553. Pp. 467-475. DOI: 10.1038/nature14543
12. Пильгунов В.Н., Ефремова К.Д. Пневмомускул: физика, характеристики, применение // Гидравлика. 2017. № 3. С. 102-126. Режим доступа: http://hydrojournal.ru/images/JOURNAL/NUMBER3/PilgunovEfremova.pdf (дата обращения 04.04.2018).
13. Ефремова К.Д., Пильгунов В.Н. Технические средства пневмоавтоматики: пневмомускул // Машиностроение и компьютерные технологии МГТУ им. Н.Э. Баумана: электрон. журн. 2017. № 10. С. 36-56. Режим доступа: http://www.technomagelpub.ru/jour/article/view/1315/1166 (дата обращения 04.04.2018).
14. Каталог продукции фирмы «FESTO». Режим доступа: https://www.festo.com/cat/RU_RU/products (дата обращения 04.04.2018).
Mechanical Engineering and Computer Science. 2018; : 20-34
Pneumatic Muscle: Geometry of the Cylindrical Membrane and The Power Characteristic Prognostic
https://doi.org/10.24108/0318.0001377Abstract
The pneumatic muscle is a pneumatic motor of the single-acting reciprocating motion. It is designed to create a pulling force. Return of the pneumatic muscle to its original position is provided by elastic deformation of its shell. A cylindrical membrane with the hard bottom and the lid provides the basis of the pneumatic muscle.
The membrane cord is formed in the process of helically shaped CU-braid of the threads made from the super-hard synthetic fibres (for example, Kevlar). After the cord is filled with an elastomer, a strong, deformable and elastic shell is formed. An excessive pressure applied to the internal cavity of the membrane arises an extension of the tangent diagonal and a simultaneous shortening of the axial diagonal in the diamond-shaped cell, which is formed as a result of braid of cord threads. This results in pneumatic muscle’s retraction up to 25% of its original length, while creating a sufficiently large contraction force, which depends significantly on the contraction value.
Using the cord structure of the MAS series pneumatic muscles of the company “FESTO” as an example, we have investigated a diamond-shaped cell deformation of the membrane and have defined a numerical dependence of its internal diameter and the volume of the internal cavity of the pneumatic muscle on the contraction value. This allowed us to develop a mathematical model of an idealized cylindrical membrane whose dynamics does not take into account a deformation force of the elastomer, filling a diamond-shaped cell.
The experimental studies of industrial samples of the MAS 10 family of pneumatic muscles, carried out using a specially designed unit, allowed us to obtain their force characteristics. In the numerical representation, these characteristics turned out to be 2.5 ... 3 times less than the force characteristics of the pneumatic muscle with an idealized membrane, thereby allowing us to draw conclusions that the elastomer deformation forces have a significant influence. There is a proposal to take into account the elastomer deformation effect on the force characteristics of the pneumatic muscle by dint of the correction factor available from a comparative estimate of the force characteristics of the idealized membrane and the normalized force characteristics of the pneumatic muscles of the MAS family.
The results of the performed studies allow us to predict the force characteristics of pneumatic muscles at the stage of their design and in-service.
References
1. Alykov A.N., Dranitskii I.O., Usachev K.A. Pnevmaticheskie muskuly i ikh primenenie v robototekhnicheskikh sistemakh // Molodezhnyi nauch.-tekhn. vestnik MGTU im. N.E. Baumana: elektron. zhurn. 2015. № 9. S. 6. Rezhim dostupa: http://sntbul.bmstu.ru/doc/801411.html (data obrashcheniya 03.04.2018).
2. Elastichnye mekhanizmy i konstruktsii / V.N. Shikhirin i dr. Irkutsk: Izd-vo Irkutskogo gos. tekhn. un-ta, 2006. 287 s.
3. Belyaev A.Yu., Shchukin T.N. TRIZ – analiz napravlenii proektirovaniya iskusstvennykh muskulov. M., 2012. 32 s. Rezhim dostupa: htpp://2045.ru/pdf/kopp_ Beliaev_ Schukin.pdf (data obrashcheniya 03.04.2018).
4. Daerden F., Lefeber D. Pneumatic artificial muscles: actuators for robotics and automation. Rezhim dostupa: http://lucy.vub.ac.be/publications/ Daerden_Lefeber_ EJMEE.pdf (data obrashcheniya 04.04.2018).
5. Iancu A., Filip V. Experimental studies regarding the behavior of a mechanical system with pneumatic muscle driven by compressed air // The Scientific Bull. of Valahia Univ. Materials and Mechanics. 2011. No. 6 (year 9). Pp. 160-167.
6. Chelpanov I.B., Le Dyk Tkhin'. Pnevmodvigateli na osnove armirovannykh uprugikh obolochek // Vakuumnaya tekhnika i tekhnologiya. 2002. T.12. № 4. S. 205-210.
7. Kolesnikova E.G., Savinskaya E.A., Umnov V.I. Gibkie privody v robototekhnike // Molodezhnyi vestnik Irkutskogo gos. tekhn. un-ta (IrGTU). 2012. № 1. S. 2-11. Rezhim dostupa: http://mvestnik.istu.irk.ru/journals/2012/01 (data obrashcheniya 04.04.2018).
8. Loshchitskii P.A., Shekhovtsova E.E. Perspektivy primeneniya silovykh obolochkovykh elementov v manipulyatsionnykh sistemakh // Robototekhnika i tekhnicheskaya kibernetika. 2014. № 4(5). S. 68-72.
9. Le Dyk Tkhin'. Promyshlennye roboty s novymi tipami pnevmoprivodov i vakuumnymi ustroistvami: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk. SPb., 2003. 18 s.
10. Szepe T., Sarosi J. Model based open looped position control of PAM actuator // 8th IEEE intern. symp. on intelligent systems and informatics: SISY 2010 (Subotica, Serbia, Sept. 10-11, 2010): Proc. N.Y.: IEEE, 2010. Pp. 607-609. DOI: 10.1109/SISY.2010.5647177
11. Rus D.L., Tolley M. Design, fabrication and control of soft robots // Nature. 2015. Vol. 521. No. 7553. Pp. 467-475. DOI: 10.1038/nature14543
12. Pil'gunov V.N., Efremova K.D. Pnevmomuskul: fizika, kharakteristiki, primenenie // Gidravlika. 2017. № 3. S. 102-126. Rezhim dostupa: http://hydrojournal.ru/images/JOURNAL/NUMBER3/PilgunovEfremova.pdf (data obrashcheniya 04.04.2018).
13. Efremova K.D., Pil'gunov V.N. Tekhnicheskie sredstva pnevmoavtomatiki: pnevmomuskul // Mashinostroenie i komp'yuternye tekhnologii MGTU im. N.E. Baumana: elektron. zhurn. 2017. № 10. S. 36-56. Rezhim dostupa: http://www.technomagelpub.ru/jour/article/view/1315/1166 (data obrashcheniya 04.04.2018).
14. Katalog produktsii firmy «FESTO». Rezhim dostupa: https://www.festo.com/cat/RU_RU/products (data obrashcheniya 04.04.2018).
