● 摘要
人工肌肉作为一种新型驱动器，其工作原理区别于传统缸体类作动器。因其具有结构简单、功重比高、工作过程柔顺的突出特点，非常适合在机器人和理疗器械上使用。当前人工肌肉产品的工作压力不高，阻碍了它在工业领域的推广。目前为止，对提高人工肌肉耐压值进行研究的课题非常少。本文从力学角度建立了McKibben型人工肌肉的数学模型，并对影响人工肌肉耐压值的因素进行分析。以正交各向异性材料的相关理论为基础，最大应力准则为失效判断依据，借助ANSYS有限元仿真软件对承压层结构进行仿真分析。提出了螺旋缠绕与轴向均布纤维相结合的编织方式，并使用层合单元对新型编织方式进行了仿真。仿真结果表明压力提升到18MPa时，碳纤维的性能可以满足要求，而随着压力的提升先面临失效的是橡胶。为提高人工肌肉接头的抗拔脱特性，借鉴高压油管接头的形式，并对两种常用结构进行分析，设计出了新型高压人工肌肉接头，将密封和抗拔脱问题分别对待。新型接头通过外套连接负载，流体在芯杆两端均有力的作用，平衡了流体向外推芯杆的作用力。接头上的压紧力可随驱动力的增加而增大，因而抗拔脱性能相应提高。最后，论证了高压人工肌肉更适合以液压油作驱动介质的原因，设计了高压人工肌肉的实验台并给出了指导实验的理论参考。