[发明专利]基于连通结构的人工肌肉气压供给结构及其设计方法

说明书

本发明提出了一种基于连通结构的人工肌肉气压供给结构及其设计方法，所述结构包括空心圆管、嵌套于外层的电磁铁和内置在圆管内径的磁性活塞，圆管的两端设计有软管接口连接人工肌肉的进气口，通过改变电磁铁的控制电流，改变电磁铁与磁性活塞的作用力和管内气压的变化规律，从而引起活塞的运动；由于圆管结构内部为密闭空间，磁性活塞在圆管内的运动将造成两端气体体积的改变，从而形成大小和方向不同的气压差，充分利用压缩气体存储的能量推动活塞产生往复运动，从而减少运动中所需要的外部能量输入，降低了系统综合能耗，因此能够利用这种具有特定震荡特性的供气方式提供给人工肌肉并产生预期的运动，应用价值更高。

技术领域

本发明涉及气动肌肉领域，具体涉及一种基于连通结构的气压供给结构及供压设计方法。

背景技术

气动人工肌肉由于其独特的结构和特性，并且与生物有更好的相容性，而被广泛应用与各个领域。但是目前传统的人工肌肉多采用空压机直接供压的方式，供压设备体积大，整体能耗高，不适用于户外供气，极大限制了应用场景。如果供气结构的质量和体积能够适于装配并携带，就能使载体能够在不增加极大负载的情况下正常运作。

目前对于人工肌肉的应用研究已经有了很大进展，但是对于其供气结构的研究尚欠缺，故而，亟待提出一种新的气压供给结构，以更好的适应人工肌肉的应用与发展。

发明内容

本发明为解决现有技术中人工肌肉供气方式的缺陷，提出一种基于连通结构的人工肌肉气压供给结构及其设计方法，能够通过充分利用压缩气体存储的能量推动磁性活塞产生往复运动，从而开发出可以减少外部能量输入、降低系统综合能耗的气压供给技术。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于连通结构的人工肌肉气压供给结构，包括空心圆管、磁性活塞和电磁铁，电磁铁由外部电路供电，空心圆管为封闭结构，其两端设计有软管接口，以通过软管连接被供气设备的进气口；电磁铁固定套设在空心圆管外侧壁上，磁性活塞设置在空心圆管内部并沿其左右滑动。

进一步的，所述磁性活塞的两端呈子弹头式的流线型结构，磁性活塞的最大外径小于空心圆管内径，磁性活塞与空心圆管间涂有润滑剂。

进一步的，所述软管与空心圆管之间通过连接丝帽固定连接。

本发明另外还提出一种基于连通结构的人工肌肉气压供给结构设计方法，包括以下步骤：

步骤A、对磁性活塞两端的气-力关系进行建模；

设磁性活塞位于空心圆管中间位置时的位移为0，向右侧运动为正，左侧运动记为负，得到磁性活塞左右两端的气体压力变化满足：

其中，p_l，p_r分别是磁性活塞左右两端的气体压力，V_l0，V_r0为磁性活塞位于零点时左右端容器体积，且V_l0≈V_r0，s为磁性活塞横截面积，x为磁性活塞位移，k_l(T_emp)＝n_airlrT，n_airl为容器左端空气物质的量，k_r(T_emp)＝n_airrrT，n_airr为容器右端空气物质的量，T_emp为体系温度，单位K，r是气体常量，单位是J/(mol·K)；

进而可以分析得到：

式中f_l，f_r分别为磁性活塞左右端气压施加在磁性活塞上的力，则其合力f即为磁性活塞在位移x处受到的气体压力大小：