Air Muscle Actuator (G)

Линейный привод с силовыми характеристиками биологической мышцы

развернуть все на странице
  • Библиотека:

  • Simscape/Жидкости/Газ/Приводы

  • Air Muscle Actuator (G) block

Описание

Блок Air Muscle привода (G) моделирует популярный в робототехнике линейный привод за его характеристики, напоминающие биологическую мышцу. Привод содержит расширяемую перегородку в оплетённом интерпретаторе. Когда баллон герметизируется, пара расширяется и одновременно сокращается, создавая на их концевых прописных буквах сжимающую силу. Гидроемкость герметизируется в газовом порту A; сила прикладывается к портам R и C Mechanical Translational.

Воздушная мышца в расслабленном состоянии

Воздушные мышцы часто устанавливаются парами - одна мышца служит агонистом, другая - антагонистом. Пары такого рода распространены в организме человека, где бицепсы (в руке) сопровождают трицепсы, а квадрицепсы (в ноге) сопровождают подколенные сухожилия. Мышцы прикрепляются на одном конце к шарниру, но со смещением так, чтобы создать крутящий момент. Когда крутящий крутящий момент привода отличается от нуля, и если позволяют условия нагрузки, соединение вращается.

Сила привода

Масса и энергетический баланс привода являются такими, как описано для блока Translational Mechanical Converter (G). Сила привода, однако, основана на стандартном уравнении Чоу-Ханнафорда (с двумя коррекциями, сделанными для упрощающих допущений исходной модели). В своей первоначальной форме уравнение Чоу-Ханнафорда даёт:

FC-H=πDM2P4[3(Ll)2−1],

где:

  • F - сжимающая сила, приложенная приводом к его концам. Нижний индекс C-H обозначает теоретическое значение исходной модели Чоу-Ханнафорда.

  • D - диаметр блока перегородки и интерпретатора. Нижний индекс M обозначает его максимальное теоретическое значение - то, в котором косы интерпретатора находятся под прямым углом к ее продольной оси.

  • P - абсолютное давление в перегородке (измеряется по отношению к окружению, внешней по отношению к приводу).

  • L - длина привода (расстояние между механическими портами R и C.

  • l - естественная длина оплетки (прежде чем она растянется в герметичном баллоне). Косы, так как они намотаны вокруг продольной оси привода, всегда длиннее, чем сам привод).

Максимальный теоретический диаметр привода определяется как:

DM=lnπ,

где n - количество поворотов, которые оплетка делает вокруг продольной оси привода.

Неявными в уравнении Чоу-Ханнафорда являются предположения о бесконечно тонких мочевом пузыре и интерпретаторе и о неупругих косах, неспособных растягиваться. Оба предположения могут снизить точность модели и исправлены в этом блоке. Коррекция на растяжение в оплетке заменяет l постоянной длины на длину переменной l*:

l*=Cl+(Cl)2+12L2(C+1)2(C+1)+2nPD2Ed,

где l - естественная длина косы, используемой в исходном уравнении Чоу-Ханнафорда и:

  • C - коррекция термин для растяжения оплетки.

  • E - модуль упругости Юнга для материала косы.

  • d - диаметр пряди в оплетке (каждая оплетка является пучком плотно переплетенных прядей).

Термин коррекции растяжения оплетки определяется как:

C=n2π2Ed2NPlL,

где N - общее количество прядей в плетеном интерпретаторе. Коррекция на толщину перегородки и интерпретатора добавляет к общей силе привода коэффициент:

FT=πP[t(2D−DM2D)−t2]

где t - совокупная толщина перегородкиинтерпретатора и индекса T обозначает коррекцию для толщины. Общая сила привода составляет:

F=FH-F+FT,

где длина цепи, используемая в вычислении термина Чоу-Ханнафорда, является переменной l*. Эта сила противодействует в пределы расширения и сужения поступательными жёсткими упорами. Они моделируются как описано для блока Translational Hard Stop.

Допущения моделирования

  • Сопротивление потоку между входным отверстием газа (порт A) и внутренней частью привода отсутствует.

  • Отсутствует тепловое сопротивление между стенкой привода (порт H) и газом, который она окружает.

  • Привод герметичен и не течет.

  • Эффекты трения и инерции игнорируются.

  • Мочевой пузырь и интерпретатор идеально цилиндрические независимо от уровня инфляции.

  • Продольная упругость мочевого пузыря игнорируется.

Порты

Сохранение

расширить все

Открытие газа для герметизации привода. Подключите этот порт к источнику давления привода. Давление в этом порте управляет силой, создаваемой приводом.

Одна из двух торцевых прописных букв, на которые приложено усилие привода. Подключите этот порт к фиксатору, на котором должен быть установлен привод, или к нагрузке, на которую должен двигаться привод.

Одна из двух торцевых прописных букв, на которые приложено усилие привода. Подключите этот порт к фиксатору, на котором должен быть установлен привод, или к нагрузке, на которую должен двигаться привод.

Тепловое граничное условие между объемом газа привода и его окружающей средой. Соедините этот порт с блоками в тепловой области, чтобы захватить теплопередачу проводимостью, конвекцией или излучением, например, или изолировать привод от окружения.

Параметры

расширить все

Расстояние между торцевыми прописными буквами привода в расслабленном состоянии при разгрузке и разгерметизации. Надувание привода во время симуляции заставляет его расширяться и одновременно сокращаться. Привод короче, чем его косы, что означает, что его начальная длина должна быть меньше, чем параметр Unstretched braid length.

Длина оплетки, измеренная с выпрямленными поворотами и снятыми любыми нагрузками. Если косы являются упругими, их (общая) длина будет изменяться в течение симуляции давления и нагрузки. Когда косы намотаны вокруг продольной оси привода, их длина всегда больше, чем параметр Initial actuator length.

Количество витков, которые оплетка делает вокруг продольной оси привода от одной торцевой прописной буквы ко второму.

Выбор модели растяжения косы. Опция по умолчанию, Inelastic braids, рассматривает косы как гибкие, но нерастягиваемые. Это предположение неявно в исходном уравнении Чоу-Ханнафорда. Длина косы в этом случае постоянна во время симуляции.

Альтернативная опция, Elastic braids, позволяет оплеткам проходить с нагрузкой и давлением привода. Длина оплетки затем рассматривается как переменная во время симуляции. Это изменение добавляет коррекции в уравнение Чоу-Ханнафорда для силы.

Сумма толщин плетеного интерпретатора и мочевого пузыря внутри нее. Конечная толщина складывается в уравнение Чоу-Ханнафорда для силы члена коррекции. (В исходном уравнении Чоу-Ханнафорда интерпретатор и мочевой пузырь приняты бесконечно тонкими.)

Площадь, нормальная к потоку в газовом порту привода.

Количество косы в интерпретаторе, окружающей мочевой пузырь. Поскольку каждая из косичек представляет собой пучок переплетенных прядей, количество косичек обычно не совпадает с количеством прядей.

Зависимости

Этот параметр активен, когда опция Braid stretching установлена на Elastic Braids.

Количество прядей в оплетке. Продукта этого количества и параметра Total number of braids дает общее количество цепей в интерпретатор.

Зависимости

Этот параметр активен, когда опция Braid stretching установлена на Elastic Braids.

Средний диаметр пряди по длине.

Зависимости

Этот параметр активен, когда опция Braid stretching установлена на Elastic Braids.

Модуль упругости Янга для материала прядей. Этот параметр определяет степень, до которой нити проходят под давлением.

Зависимости

Этот параметр активен, когда опция Braid stretching установлена на Elastic Braids.

Давление условия в непосредственной близости от привода. Абсолютное давление в приводе получается относительно этого давления. Выберите Atmospheric pressure использовать атмосферное значение, заданное в блоке Two-Phase Fluid Properties (2P) или Specified pressure использовать другое давление.

Абсолютное давление в непосредственной близости от привода. Привод сжимается, когда абсолютное давление в порту A (измеренный относительно этого значения) больше нуля.

Зависимости

Этот параметр активен, когда опция Environment pressure specification установлена на Specified pressure.

Коэффициент жесткости для силы контакта в пределах области значений движения привода. Эта сила контакта препятствует выдвижению привода или сужению привода за его физические пределы. Моделирование силы контакта осуществляется с помощью пружинно-демпферной системы. Пружинный элемент добавляет восстанавливающую силу, которая тянет концевые прописные буквы назад, когда они достигают любого предела движения.

Для получения дополнительной информации о модели силы см. Translational Hard Stop блок.

Коэффициент демпфирования для силы контакта в пределах области значений движения привода. Эта сила контакта препятствует выдвижению привода или сужению привода за его физические пределы. Эта сила моделируется с помощью системы пружин-демпферов. Демпфер добавляет вязкую силу к торцевым прописным буквам, когда они достигают предела движения, заставляя их замедляться до упора.

Для получения дополнительной информации о модели силы см. Translational Hard Stop.

Примеры моделей

Antagonistic McKibben Muscle Actuator

Антагонистический привод мускулатуры МакКиббена

Эта демонстрация показывает приведение в действие мышц, основанное на двух приводах воздушных мышц (или искусственных мышц Маккиббена) в антагонистической связи. Приводы воздушной мышцы соединены с противоположными сторонами рычага. 4-сторонний направленный клапан управляется электромеханическим приводом клапана. В 4-стороннем направлении, когда пути высокого давления P-A и возврата линия B-T открыты, верхний привод воздушной мышцы сжимается и заставляет нижний привод воздушной мышцы с противоположной стороны продолжаться. Точно так же, когда путь P-B высокого давления и линия A-T возврата открываются, нижний привод воздушной мышцы начинает сжиматься и заставляет вытягивать верхний привод воздушной мышцы. Колебательные движения мышц преобразуются в угловое вращение выходной нагрузки, соединенной с механическим редактированием, смоделированным кривошипами ползунка.

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ Simulink ®

.

См. также

| |

Введенный в R2018b

Документация Simscape Fluids

Поддержка

Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте