Mięsień pneumatyczny - wyniki pomiarów oraz modele symulacyjne

In the paper the advantages of pneumatic muscle are described. In the article are also presented: Measurement stand for determine the static and dynamic characteristic pneumatic muscle MAS-10-88N (Festo manufacture). Mathematical model of pneumatic muscle for static and dynamic simulations. Results of the simulations for differents conditions pressures supply.W pracy przedstawiono wyniki pomiarów dla stanu statycznego i dynamicznego mięśnia pneumatycznego. Mięsień pneumatyczny zaliczany jest do klasy aktuatorów jednostronnego działania (tzn. o jednym ruchu roboczym). W rozdziale 1 omówiono krótko budowę mięśnia. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że jest to element o konstrukcji membranowej. Ściślej jest to giętki, podatny przewód opleciony podatnym, rozciągliwym materiałem o strukturze romboidalnej. W rezultacie daje o strukturę trójwymiarowej siatki. Elementy wykonawcze cechują się szeregiem zalet. Najważniejsze z nich to: odporność na zanieczyszczenia zewnętrzne i wewnętrzne (jakość zasilającego czynnika), duża dynamika odkształcenia, możliwość przenoszenia dużych obciążeń. W rozdziale 2 przedstawiono zbudowane stanowisko pomiarowe, na którym przeprowadzono badania pomiarowe. Do pomiaru skrócenia mięśnia oraz zmiany jego średnicy wykorzystano czujniki zegarowe o dokładności pomiaru 0,01 mm. Jako obciążenie dla badanego mięśnia zastosowano sprężyny o różnych stałych (c1 = 10 N/mm; c2 = 18 N/mm; c3 = 35,8 N/mm oraz c4 = 66,22 N/mm). Stanowisko zaprojektowano w programie Inventor. W rozdziale 3 przedstawiono i omówiono wyniki przeprowadzonych pomiarów. Pierwsza część dotyczy pomiarów statycznych. Na rys. 3a zamieszczono rodzinę charakterystyk (dla ciśnienia zasilania 1, 2, ..., 6 bar) przyrostu promienia zewnętrznego mięśnia w funkcji jego długości. Na rysunku widoczne są punkty pomiarowe oaz linią ciągłą oznaczone funkcje aproksymujące te wartości. Rysunek 3b przedstawia procentową kontrakcję - daną zależnością (1) - w funkcji różnych wartości ciśnienia zasilania mięśnia. Kolejne krzywe odnoszą się do różnych wartości obciążenia mięśnia. Na podstawie przeprowadzonych badań pomiarowych oraz uzyskanych z nich wyników opracowano modele służące do wyznaczania charakterystycznych dla mięśnia pneumatycznego wielkości (wymiary - średnica, skrócenie oraz siła) w funkcji wielkości wejściowych (siła obciążenia, ciśnienie zasilania mięśnia). Pierwszy z przedstawionych modeli (rys. 5b) to model pozwalający wyznaczyć skrócenie wyrażone w procentach oraz w milimetrach, wartość siły, z jaką działa mięsień. Wielkościami zadanymi jest ciśnienie powietrza oraz stała sprężyny. W dalszej części przedstawiono model dynamiczny mięśnia pneumatycznego zaimplementowany w środowisku Matlab/Simulink bazujący na wyprowadzonym równaniu ruchu oraz charakterystyce izobarycznej mięśnia (model na rys. 8). W dalszej części przedstawiono wyniki symulacji - czasowe charakterystyki skrócenia, prędkości i przyspieszenia mięśnia. Artykuł podsumowano wnioskami w punkcie 5