氣動(dòng)人工肌肉及其在雙足機(jī)器人中的應(yīng)用

1、氣動(dòng)人工肌肉及其在雙足機(jī)器人中的應(yīng)用,2012.4,主要內(nèi)容,仿肌肉驅(qū)動(dòng)器概述 氣動(dòng)人工肌肉介紹 PAM在雙足步行機(jī)器人中的應(yīng)用總結(jié)及發(fā)展趨勢(shì),,1、仿肌肉驅(qū)動(dòng)器概述,機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)等部分組成。對(duì)于仿生機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，電機(jī)、氣缸和液壓等常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)器，雖然可以實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，但存在諸多弊端，也制約著仿生機(jī)器人的發(fā)展。 目前，機(jī)器人已由單一的工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展到太空探

2、索、海洋開(kāi)發(fā)、軍事和反恐等領(lǐng)域。人們對(duì)于機(jī)器人的性能提出了更高的要求，驅(qū)動(dòng)作為機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分也面臨著重大挑戰(zhàn)，尤其是仿生機(jī)器人中的應(yīng)用。 驅(qū)動(dòng)裝置按照所使用的驅(qū)動(dòng)器一般分為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、氣壓驅(qū)動(dòng)裝置以及液壓驅(qū)動(dòng)裝置。,1.1 常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)裝置比較,表：常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)比較,正是由于現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)裝置存在上述的種種弊端，科研人員一直沒(méi)有停止研制新型驅(qū)動(dòng)器的研究工作，以克服現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)裝置的種種弊端。,對(duì)于仿生機(jī)器

3、人的驅(qū)動(dòng) ：1．電機(jī)、氣缸的剛性較大，不能良好的模擬生物的柔性運(yùn)動(dòng)；2．電機(jī)需要齒輪等傳動(dòng)裝置將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)，裝置較多，效率降低；氣缸的工作狀態(tài)有限；液壓驅(qū)動(dòng)器的體積過(guò)大；3．仿生機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展方向是微小型化，對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的要求也必然是微小化，而電機(jī)、氣缸和液壓驅(qū)動(dòng)器則難以達(dá)到這一要求；,1.2 生物肌肉的組成,人體全身有639塊骨骼肌，眾多肌束，約60億條呈圓柱形的肌纖維組成。每塊肌肉表面由稱(chēng)作“肌包膜”的結(jié)締組織包裹

4、著。肌肉內(nèi)分布著血管和神經(jīng)，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)肌肉的收縮和舒張。,圖 生物肌肉的結(jié)構(gòu)圖,骨骼肌對(duì)研制人工肌肉的幾點(diǎn)啟發(fā)： 1．肌肉直接驅(qū)動(dòng)骨骼運(yùn)動(dòng)，不需要減速裝置和傳動(dòng)元件，故傳動(dòng)簡(jiǎn)單，慣量小，工作輕便靈活；2．肌肉屬于單向力裝置，運(yùn)動(dòng)形式是直線往復(fù)式，肌肉總是處于部分收縮狀態(tài)以具有一定的承載能力，并有利于從“松弛”狀態(tài)向收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)化；3．不存在機(jī)械系統(tǒng)中常見(jiàn)的松弛或遲緩運(yùn)動(dòng)，從而可以提高靈活性和效率。,生物的驅(qū)動(dòng)裝置-骨骼和肌肉，與電機(jī)

5、等驅(qū)動(dòng)裝置相比較，具有柔韌性好、冗余度高、傳動(dòng)簡(jiǎn)單、力/自重比大、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)。而且生物肌肉具有將化學(xué)能等溫高效地直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的特性，其高效率、無(wú)噪聲、無(wú)污染、體積小、柔性機(jī)構(gòu)分布式直接驅(qū)動(dòng)及特殊地伺服性能等特點(diǎn)也十分引人注目。成為新型驅(qū)動(dòng)裝置的一個(gè)研究重點(diǎn)。 因此，上世紀(jì)60年代起，日本開(kāi)始研制仿肌肉驅(qū)動(dòng)器，美國(guó)海軍、NASA、DRAPA等機(jī)構(gòu)也紛紛開(kāi)展仿肌肉驅(qū)動(dòng)器的研究。,1.3仿肌肉驅(qū)動(dòng)器的分類(lèi),現(xiàn)

6、在國(guó)內(nèi)外廣泛研究使用的仿肌肉驅(qū)動(dòng)器一般可以分為材料類(lèi)、機(jī)械類(lèi)和生物類(lèi)。,材料類(lèi)仿肌肉驅(qū)動(dòng)器： 模擬動(dòng)物肌肉收縮產(chǎn)生力的特性，利用材料在不同的外部控制下，如電壓、電流、pH值等，材料內(nèi)部的成分發(fā)生物理變化，產(chǎn)生形變和力。機(jī)械類(lèi)仿肌肉驅(qū)動(dòng)器: 不同于材料類(lèi)仿肌肉驅(qū)動(dòng)器，機(jī)械類(lèi)仿肌肉驅(qū)動(dòng)器都是結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生收縮和力。 生物類(lèi)仿肌肉驅(qū)動(dòng)器: 目前尚處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，主要是利用動(dòng)物活體細(xì)胞

7、來(lái)充當(dāng)驅(qū)動(dòng)器。,,表 仿肌肉驅(qū)動(dòng)器的分類(lèi),雖然仿肌肉驅(qū)動(dòng)器種類(lèi)較多，但由于成本、實(shí)現(xiàn)難易程度等因素，投入實(shí)際應(yīng)用的主要有形狀記憶合金、電致收縮聚合物、壓電陶瓷和氣動(dòng)人工肌肉四種。,,,,,表：四種仿肌肉驅(qū)動(dòng)器與人類(lèi)骨骼肌的性能比較,SMA (Shape Memory Alloy)是一種新型的功能材料，具有能量密度較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集傳感、驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行功能于一體，與生物肌肉極為相似。但是輸出力較小和響應(yīng)頻率較低也成為SMA與動(dòng)物肌肉最為明顯的

8、差異。 EAP (Electro active Polymer) 的高柔韌性、很高的傳動(dòng)應(yīng)變和內(nèi)在減震能力等特性與動(dòng)物肌肉十分相似。但是輸出力較小，只適用于微小型機(jī)械的驅(qū)動(dòng)。 PZT (Piezoelectric Transducer) 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、驅(qū)動(dòng)力大、位移分辨率高、控制簡(jiǎn)單，頻率高等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是位移和輸出力較小。,2、氣動(dòng)人工肌肉介紹,早在20世紀(jì)50 年代，美國(guó)

9、醫(yī)生McKibben 出于幫助手臂有殘疾的人實(shí)現(xiàn)肢體矯正目的，發(fā)明了一種驅(qū)動(dòng)假肢運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)執(zhí)行元件, 即McKibben氣動(dòng)人工肌肉，(Pneumatic Artificial Muscle, PAM) 。 20世紀(jì)60年代開(kāi)始，電動(dòng)機(jī)技術(shù)由于不需要龐大的氣源供給裝置以及控制靈活、精度高而迅速取代了氣動(dòng)肌肉的應(yīng)用領(lǐng)域。 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)肌肉接近生物肌肉的特性非常

10、適合用于仿生機(jī)器人的執(zhí)行器。同時(shí)，隨著B(niǎo)ridgeStone、Shadow、FESTO 三家公司推出了商品化的氣動(dòng)肌肉產(chǎn)品，更加促進(jìn)了研究人員對(duì)氣動(dòng)肌肉進(jìn)行新的研究以及開(kāi)發(fā)氣動(dòng)肌肉新的應(yīng)用領(lǐng)域。,2.1 PAM分類(lèi),發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)形式的氣動(dòng)人工肌肉：編織網(wǎng)式氣動(dòng)人工肌肉、網(wǎng)孔式氣動(dòng)人工肌肉和嵌入式氣動(dòng)人工肌肉。其中，Mckibben型氣動(dòng)人工肌肉是將編織網(wǎng)式與嵌入式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，是當(dāng)前研究和應(yīng)用最廣泛的一種氣動(dòng)人工肌肉。,F

11、ig. Various types of PAMs: (a) McKibben Muscle/Braided Muscle, (b) Pleated Muscle, (c) Yarlott Netted Muscle, (d) ROMAC Muscle and (e) Paynter Hyperboloid Muscle.,2.2 PAM基本結(jié)構(gòu),Mckibben型氣動(dòng)人工肌肉呈筒狀編織結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部為圓柱狀的橡膠套筒，其外部為雙螺旋線編

12、織的纖維編織層，橡膠套筒和纖維編織層的兩端部與兩端的連接附件相連，兩端附件的功能不僅用于傳力，而且起密封作用。,圖 Mckibben型氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)圖,圖 FESTO公司研發(fā)的氣動(dòng)肌肉結(jié)構(gòu),2.3 PAM工作原理,當(dāng)對(duì)橡膠套筒充氣時(shí)，橡膠套筒因彈性變形壓迫外部纖維編織層，由于纖維編織網(wǎng)剛度很大，限制其只能徑向變形，直徑變大，長(zhǎng)度縮短。若將氣動(dòng)人工肌肉與負(fù)載相連，就會(huì)產(chǎn)生收縮力；當(dāng)放氣時(shí)，氣動(dòng)人工肌肉彈性回縮，直徑變細(xì)，長(zhǎng)度增加，收縮

13、力減小；但是，氣動(dòng)人工肌肉在無(wú)壓狀態(tài)下輸出力為零，無(wú)承載能力；,圖 PMA工作原理示意圖,圖 PMA在恒定負(fù)載下工作,圖 PMA在恒定氣壓下工作,PMA運(yùn)動(dòng)的基本原理可分為兩種情況：1)恒定負(fù)載，氣壓變化情況下工作2)恒定氣壓，負(fù)載變化情況下工作,2.4 PAM建模及特性分析,氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)特性的研究實(shí)質(zhì)是建立其輸出力F、充氣壓力P以及長(zhǎng)度L三者之間的數(shù)學(xué)模型。 但是，氣動(dòng)人工肌肉的數(shù)學(xué)模型的建立比較困難：氣動(dòng)人工肌肉主要

14、由橡膠與纖維組成，影響氣動(dòng)人工肌肉的輸出力與許多參數(shù)有關(guān)，比如橡膠的彈性力、橡膠與纖維編織網(wǎng)的內(nèi)摩擦力、端部圓弧、溫度變化以及加載的重復(fù)次數(shù)等。氣動(dòng)人工肌肉的傳動(dòng)介質(zhì)為可壓縮的氣體，其位移和輸出力與充氣壓力以及外負(fù)載等為非線性關(guān)系，這對(duì)氣動(dòng)人工肌肉的精確控制增添了難度。 目前，國(guó)內(nèi)眾多外學(xué)者所建立的各種PAM模型，大多是在Chou的理想模型的基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的改進(jìn)模型。,Chou的理想

15、模型 20世紀(jì)90年代，美國(guó)的Chou和Hannaford根據(jù)熱力學(xué)第一定律的能量守恒原理，假設(shè)氣動(dòng)肌肉是工作在理想狀態(tài)下，即氣動(dòng)肌肉在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有能力損失，建立了氣動(dòng)人工肌肉的理想模型。（1）氣動(dòng)人工肌肉無(wú)限長(zhǎng)；（2）纖維剛度足夠大，氣動(dòng)人工肌肉的在工作過(guò)程中纖維無(wú)伸長(zhǎng)；（3）忽略橡膠的彈性；（4）忽略橡膠與編織網(wǎng)的摩擦；,圖 氣動(dòng)肌肉理想幾何模型,參數(shù)說(shuō)明：b：纖維長(zhǎng)度；n：編織纖維的圈數(shù)；

16、θ：氣動(dòng)人工肌肉編織角；D ：加壓前氣動(dòng)人工肌肉直徑；,氣動(dòng)肌肉長(zhǎng)度L：氣動(dòng)肌肉初始直徑D：由幾何關(guān)系，氣動(dòng)肌肉體積V：根據(jù)能量守恒原理，壓縮空氣的輸入功完全等于氣動(dòng)肌肉收縮產(chǎn)生的輸出功，即,,,,,,,,,,,p：氣動(dòng)人工肌肉容腔內(nèi)絕對(duì)壓力與環(huán)境大氣壓力差；F：為氣動(dòng)人工肌肉軸向收縮力；,(1),研究學(xué)者在Chou理想模型的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行了修改 ，即,式中： ε 氣動(dòng)人工肌肉的收縮率： A

17、 與氣動(dòng)人工肌肉有關(guān)的常數(shù)： B 與氣動(dòng)人工肌肉有關(guān)的常數(shù)：,基于上述的數(shù)學(xué)模型，研究人員以McKibben型氣動(dòng)人工肌肉為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)氣動(dòng)人工肌肉的特性進(jìn)行分析。,(2),實(shí)驗(yàn) McKibben型氣動(dòng)人工肌肉的參數(shù)：（1）軸向長(zhǎng)度為340mm；（2）直徑為2.5mm~2.6mm（徑向形狀誤差0.1mm之內(nèi)）。其中，橡膠套筒具有一定的厚度，外徑為1.3m，內(nèi)徑為0.9mm；（3）纖維編織角為2

18、1°；（4）纖維編織層與橡膠套筒的間隙很小，可以忽略不計(jì)；,圖 McKibben型氣動(dòng)人工肌肉實(shí)物圖,Fig. Relationship between pneumatic pressure and contraction ratio,從上圖表可以直接看出，氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器具有非線性位移、滯后等特性。 P=0.5MPa，ΔL=97mm，收縮率ε=97/340=0.29由公式 (2) 知，氣動(dòng)人工肌肉收縮力F一定時(shí)，壓力

19、與收縮率成非線性二次關(guān)系。,,,在收縮力F測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，固定氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器兩端以保持長(zhǎng)度不變，即收縮率ε=0。通過(guò)改變充氣壓力，使用測(cè)壓表測(cè)量收縮力F。,Fig. Experimental setup for force measurement,Fig. Relationship between pneumatic pressure and contraction force,由于PMA驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有發(fā)生形變，所以幾乎不存在滯后特性。P=0

20、.5MPa，收縮力F=14.8N由公式(2)可知，收縮率一定時(shí)，氣動(dòng)人工肌肉的收縮力與充氣壓力成正比關(guān)系。,,,,,,ΔF,通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理想模型在數(shù)值上存在較大偏差，但趨勢(shì)上基本一致，說(shuō)明理論模型只是較定性地表明氣動(dòng)肌肉輸出力的影響因素及關(guān)系。在數(shù)值是上出現(xiàn)上述偏差，原因在于理想模型忽略了下列因素：橡膠的彈性力橡膠與纖維編織網(wǎng)的摩擦力端部圓弧多次運(yùn)動(dòng)之后溫度的變化系統(tǒng)建模和控制器設(shè)計(jì)中，必須基于實(shí)

21、驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)理論公式進(jìn)行定量修正。,Klute首次將橡膠彈性應(yīng)變能的概念引入到氣動(dòng)肌肉能量守恒方程中， 使得氣動(dòng)肌肉的數(shù)學(xué)模型中加入了橡膠內(nèi)筒的彈性變形項(xiàng)。即：式中： dV-肌肉橡膠筒內(nèi)部容積的變化； Vb-肌肉橡膠材料本身所占的體積； dW-是橡膠應(yīng)變能密度的變化，即單位體積橡膠材料存儲(chǔ)的能量；,,,在Toudu研究中，他還對(duì)Chou 的模型方程進(jìn)行了修正， 引入了系數(shù)k來(lái)說(shuō)明肌肉末端弧度對(duì)其收縮力

22、的影響，即 當(dāng)F=0時(shí)，最大收縮量,,PAM模型的發(fā)展,3、PAM在雙足步行機(jī)器人中的應(yīng)用,氣動(dòng)人工肌肉是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的一種，氣動(dòng)人工肌肉與普通的氣缸不同，它是一種新型的拉伸型氣動(dòng)執(zhí)行元件。它不僅具有氣壓驅(qū)動(dòng)器的一些本質(zhì)特征，而且還具有自己獨(dú)特的力輸出特性。輸出力/自重比大，10倍于相同直徑氣缸所產(chǎn)生的力，相同直徑氣缸重量的1/8，適合作為運(yùn)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)器；較高的動(dòng)態(tài)特性，由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)(最大可達(dá)

23、500m/s2和3m/s，依賴(lài)于壓力、負(fù)載和固定裝置)；定位方便，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力可輕松實(shí)現(xiàn)工況過(guò)程中定位；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，易于小型化；柔性好，不會(huì)損害操作對(duì)象；工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱、噪聲等有害物質(zhì)少，且適合惡劣的工作環(huán)境，包括在水下工作；價(jià)格低廉，維護(hù)方便；,表 McKibben型肌肉與生物肌肉的比較,從科學(xué)研究應(yīng)用角度來(lái)看，高功率/重量比和高功率/體積比是氣動(dòng)肌肉相比較于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器最明顯的優(yōu)點(diǎn)，其次它具有柔性結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能與生

24、物肌肉相似，這使得氣動(dòng)肌肉在仿生機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)、工業(yè)工程、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域具有十分良好的應(yīng)用前景。,,A. Biorobotic Applications,Shadow Biped Walker A pioneering PAM–actuated robot has been the Shadow Biped Walker by Shadow Robot Co., a life–size humanoid robot

25、that has been in development since 1988. Twenty–eight PAMs (fourteen on each leg) were acting across the eight joints of the robot, enabling a total of twelve Degrees of Freedom (DOF).,3.1 氣動(dòng)人工肌肉的應(yīng)用領(lǐng)域介紹,The Airic’s"

26、 Robotic Arm Festo AG & Co. constructed the ―Airic’s" robotic arm, which is depicted in with artificial bones and muscles. In this robot the bone structure was moved via 30 PAMs with the use of very small

27、valves based on piezo technology.,The ―”Aqua ray” robot Festo AG & Co. introduced the ―”Aqua ray" robot, a remotely controlled fish using six PAMs in three antagonistic pairs that move the two wings and the

28、 tail with the help of artificial tendons.,B. Medical Applications,A PAM–actuated isokinetic equipment The development of a PAM–actuated isokinetic equipment, designed for recovery exercises of the hip and knee join

29、ts.,A wearable power assist glove driven by rubber PAMs has been described. This device was able to assist the bending motion and increase the grasping force of the fingers through the installation of curved rubber PAMs.

30、,C. Industrial Applications,A two–DOF planar robotic manipulator that assisted in handling of heavy loads and was actuated by Pleated Pneumatic Artificial Muscles.,In the gripping process, the pneumatic artificial muscle

31、 was being fitted sufficiently close to the center of rotation of the finger, while this short muscle was being adequate to execute the clamping motion.,D. Aerospace Applications,PMAs have primarily been used in parachut

32、e system for soft-landing and steering control. While the parachute system is dropping, a ground proximity sensor continually monitors the distance between the ground and the payload . When the gas pressurizes the PMA, i

33、t contracts strongly and exerts a tension force between the suspension lines and the payload. To initiate a steering maneuver, the PMA on one side is deflated. Its length is elongated causing the parachute canopy to tilt

34、.,3.2 PAM關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式分析,PAM驅(qū)動(dòng)器可以構(gòu)成多種形式的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，不需要減速裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。PAM只能產(chǎn)生收縮力，從根本上講是一種由氣壓控制的具有單向運(yùn)動(dòng)特性的直線驅(qū)動(dòng)器。因此使用PAM驅(qū)動(dòng)一個(gè)類(lèi)似人的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，需要將PAM構(gòu)成對(duì)拉機(jī)構(gòu)，才能把PAM的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)為人工肌肉-彈簧組合結(jié)構(gòu)、一對(duì)氣動(dòng)人工肌肉對(duì)拉結(jié)構(gòu)。,圖 PAM驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)方式的對(duì)比,第一種驅(qū)動(dòng)方式采用1根PAM拉1根彈簧

35、驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，由于只需要采用 1 根氣動(dòng)人工肌肉，較為經(jīng)濟(jì)；只使用 1 根氣動(dòng)人工肌肉拉動(dòng)關(guān)節(jié)時(shí)，達(dá)到同樣的旋轉(zhuǎn)角度所需的氣動(dòng)人工肌肉長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般為第二種方式中所需氣動(dòng)人工肌肉長(zhǎng)度的兩倍，這就增大了機(jī)構(gòu)的尺寸，降低了整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊性；因?yàn)閺椈傻目煽匦圆?，所以拉?dòng)時(shí)可能存在抖動(dòng)問(wèn)題；此外，由于彈簧只能被拉長(zhǎng)，使得關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向性較差；第二種驅(qū)動(dòng)方式采用2根PAM組成對(duì)拉機(jī)構(gòu) 2根PAM通過(guò)對(duì)拉組成單自

36、由度的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，可以獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩，其原理類(lèi)似于生物醫(yī)學(xué)中的二頭肌-三頭肌模型。,,目前，又出現(xiàn)了采用多根PAM并聯(lián)構(gòu)成多自由度平臺(tái)，其姿態(tài)由改變氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。,韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)研究所研制的雙足步行機(jī)器人,基于PAM驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人存在的問(wèn)題基于PAM驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),3.3 PAM在仿雙足步行機(jī)器人中的應(yīng)用實(shí)例分析,雙足行走是步行方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，因而也一直是仿生機(jī)器人的研究熱點(diǎn)

37、之一。由于雙足步行仿生機(jī)器人的質(zhì)量較大，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力也較大。PAM類(lèi)型仿肌肉驅(qū)動(dòng)器的輸出力大，使其成為此類(lèi)機(jī)器人的常用驅(qū)動(dòng)器。,基于PAM驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人存在的問(wèn)題？,PAM的尺寸及空間布置,PAM最大直徑：Dmax=41mm;2根PAM間的最大距離：smax=70mm，鉸鏈半徑 r=35mm；PAM 長(zhǎng)度L=200mm，ΔL=20%L； ΔLmax=40mm，偏轉(zhuǎn)角θ＜60°； 通常機(jī)

38、器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為120°時(shí)才能避免行走過(guò)程中的障礙，150°時(shí)才能實(shí)現(xiàn)起坐運(yùn)動(dòng)。,圖 PAM驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)基本結(jié)構(gòu),基于PAM驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人存在的問(wèn)題？,PAM控制器尺寸大小,12個(gè)控制閥，總體積約9000cm3。比例減壓閥實(shí)現(xiàn)了壓力反饋控制，簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但體積大、成本高、響應(yīng)帶寬受限。采用高速開(kāi)關(guān)閥替代比例減壓閥，高速開(kāi)關(guān)閥的閥芯質(zhì)量和行程都很小，因此響應(yīng)速度很快，壓力損失小，便于實(shí)時(shí)控制，同時(shí)制造成本低，適合用于

39、PWM方式控制。,圖 比例減壓閥尺寸：62mm×117mm× 67mm (width× height× depth),基于PAM驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),每條腿有6個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)3個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)2個(gè)。因此，機(jī)器人雙腿共有12個(gè)自由度。由于PMA的尺寸及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，髖關(guān)節(jié)無(wú)法達(dá)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的緊湊結(jié)構(gòu)，而是將髖關(guān)節(jié)的3個(gè)自由度進(jìn)行分解，如圖所示。,,,Fig. The DOF of PMR,,,

40、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),位置信息由傳感器（編碼器）測(cè)定，PMR共配置12個(gè)編碼器；主控器通過(guò)位置反饋編碼器動(dòng)態(tài)地控制機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置；由于機(jī)器人在步行過(guò)程中，不需要快速移動(dòng)及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角較小，系統(tǒng)配有1或2個(gè)空氣壓縮機(jī)，可提供最大氣壓值為6bar，足以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；,圖 機(jī)器人控制系統(tǒng)原理框圖,控制算法有待于進(jìn)一步研究！Hesselroth等采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制氣動(dòng)人工肌肉，通過(guò)訓(xùn)練之后，可以達(dá)到較好的跟蹤性能。K.Osuka將氣動(dòng)人工肌肉線

41、性化后，采用H∞理論設(shè)計(jì)了氣動(dòng)人工肌肉控制器。日本科學(xué)家宇野元雄和則次俊郎對(duì)氣動(dòng)人工肌肉位置控制系統(tǒng)的研究則表明，采用經(jīng)典的P控制器，氣動(dòng)人工肌肉控制系統(tǒng)也可以獲得較好的控制效果。 由于氣動(dòng)人工肌肉具有非線性及自身的柔性，對(duì)其進(jìn)行精確控制比較困難。以上算法大多是基于建立的仿真模型，應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)中的機(jī)器人系統(tǒng)，仍然存在很大問(wèn)題。,日本大阪大學(xué)研制的雙足步行機(jī)器人,日本大阪大學(xué)的Koh Hosoda等研制的雙足

42、機(jī)器人，選用McKibben 型PAM作為該雙足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的行走、跑、跳三種運(yùn)動(dòng)模式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)氣壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)行走-開(kāi)關(guān)閥操作方式規(guī)劃動(dòng)態(tài)跑步-開(kāi)關(guān)閥操作方式規(guī)劃,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),Fig. Mechanical design of a 2D biped robot that can walk, jump, and run: it has 1 hip joint, 2 knee joints,

43、and 2 ankle joints. All the joints are antagonistically driven by elastic pneumatic actuators.,機(jī)器人踝關(guān)節(jié)處有4根PAM，分為2組，膝關(guān)節(jié)處各有2根PAM，髖關(guān)節(jié)有2根PAM，總共14根PAM 。,氣壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),Fig. A pneumatic actuator and air design for the biped robot; the

44、actuator is controlled by a 3-position solenoid valve with a closed center position.,控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),Fig. Configuration of the 2D biped robot driven by pneumatic actuators,Mckibben型PAM，共需14根PAM， L=0.2m，D=0.04m P=0.7Mpa時(shí)F=80

45、0N高速開(kāi)關(guān)閥VQZ1000(SMC)，重量0.84Kg，共需14個(gè)高速開(kāi)關(guān)電磁閥。主控制器采用Renesas Technology公司生產(chǎn)的H8微處理器芯片，接收和處理傳感器傳送的信號(hào)，并控制高速開(kāi)關(guān)閥的通斷。氣源為兩瓶CO2氣體，每一瓶重量為0.7Kg，氣壓為1.2MPa。機(jī)器人配置的電源質(zhì)量為0.1Kg。在機(jī)器人足部底部安裝有接觸開(kāi)關(guān)來(lái)監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式。,動(dòng)態(tài)行走-開(kāi)關(guān)閥操作方式規(guī)劃,Fig. Proposed va

46、lve operation scheme for dynamic walking. The knee and ankle extensor muscles of the swing leg are filled with a certain amount of air at the commencement of the walking trial, and are not operated during the experiment

47、. The muscles of the stance leg are also not operated as well. Valve operation is initiated by the touch signal from the sensor embedded on the sole. stance leg swing leg,,,,,,,,,,,Fig. A walking sequ

48、ence: the average walking cycle, the average stride, and the average velocity were 1.38 (s), 0.35 (m), and 0.51 (m/s), respectively. Air pressure was 0.6 (MPa). The robot could walk more than 30 steps.,工作氣壓：P=0. 6 MPa行走

49、一個(gè)循環(huán)平均時(shí)間：t=1.38s平均步幅：s=0. 35 m平均行走速度：v=0. 51m /s,動(dòng)態(tài)跑步-開(kāi)關(guān)閥操作方式規(guī)劃,Fig. Proposed valve operation scheme for running,跑步運(yùn)動(dòng)的開(kāi)關(guān)閥的操作方式規(guī)劃相比于行走運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)較復(fù)雜。其中，髖關(guān)節(jié)的肌肉運(yùn)動(dòng)和行走方式中的肌肉運(yùn)動(dòng)相同。,,,,,,,,,,,Fig. A running sequence: the flight time

50、and speed were 0.12 (s) and 1.13 (m/s), respectively. Air pressure was 0.6 (MPa). It could run at most 5 steps.,工作氣壓：P=0. 6 MPa空中停留時(shí)間：t=0.12s跑步速度：v=1. 13m /s,4、總結(jié)及PAM發(fā)展趨勢(shì),與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器相比較，氣動(dòng)人工肌肉具有功率/重量比大、功率/體積比大較為顯著的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其柔性結(jié)

51、構(gòu)、力學(xué)性能與生物肌肉相似，使得其廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，尤其是在仿生機(jī)器人中的應(yīng)用。 氣動(dòng)人工肌肉也存在一些缺點(diǎn)，如：氣動(dòng)人工肌肉與傳統(tǒng)氣動(dòng)執(zhí)行元件相比較，行程較?。粴鈩?dòng)人工肌肉的變形為非線性環(huán)節(jié)，具有時(shí)變性。且其傳動(dòng)介質(zhì)為可壓縮的氣體，其位移和輸出力與充氣壓力以及外負(fù)載等為非線性關(guān)系，準(zhǔn)確控制其位移較困難；,發(fā)展趨勢(shì)：基本特性和模型研究 氣動(dòng)肌肉的基本特性和模型

52、是控制和應(yīng)用的基礎(chǔ)，雖然它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是內(nèi)部機(jī)理卻十分復(fù)雜，這是由于氣動(dòng)肌肉工作過(guò)程中存在非彈性變形和摩擦力影響，導(dǎo)致精確建模十分困難。新型結(jié)構(gòu)和相應(yīng)元件的研究 目前的氣動(dòng)人工肌肉仍然存在著一些不足之處，為了進(jìn)一步改善氣動(dòng)人工肌肉的性能，很多學(xué)者從不同的應(yīng)用角度做了改進(jìn)，包括降低摩擦力、雙作用驅(qū)動(dòng)、多自由度、小型化、集成化、便攜驅(qū)動(dòng)源等方面?？刂撇呗匝芯?由于氣動(dòng)肌肉自身的非線性