创新研修课1课件

基于气动仿生肌肉的 气动机器人设计 （一） 2014.03 创新研修课 0. 课程说明 0.1 课程要求 掌握一种 3维制图软件： ProE 或 SolidWorks 了解气动仿生肌肉的原理及其基本特性 了解利用气动仿生肌肉的关节的特性 了解机器人的关节构成及运动范围 初步掌握关节动作的力学计算方法 完成初步设计计算、绘图及设计报告 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 0.课程说明 0. 课程说明 0.2 课程表 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 0.课程说明 1.第 4周周六（ 3月 15日） 9-10节 2.第 6周周六（ 3月 29日） 9-10节 3. 地址： 科学园 2F栋 227室 0. 课程说明 0.3 考核方式 累加式计分 （满分 100分）： （ 1）课堂讨论报告 1： 20% （ 2） 课堂讨论报告 2： 20% （ 3）设计图及其报告： 60% 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 0.课程说明 1. 气动仿生肌肉 1.0 关于气压传动的工作原理 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 1. 气动仿生肌肉 1.0 关于气压传动的工作原理 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 1. 气动仿生肌肉 1.1 气动仿生肌肉概述 背景： 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 在许多场合（例如行走机器人，服务机器 人，医疗器械等），希望所采用的驱动器 具有重量轻，柔性好，安全等特点，而传 统的驱动器并不具备这些特点。 目前各种仿生机械成为研究的一个热点， 而要想充分发挥仿生机械的优点，需要驱 动器具有仿生的功能。 1. 气动仿生肌肉 1.1 气动仿生肌肉概述 柔性驱动器（仿生肌肉） ： 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 1. 气动仿生肌肉 1.1 气动仿生肌肉概述 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 气动肌肉的基本原理 由编织网和橡胶管组成，充气压力升高 ，编织网和橡胶管紧密接触，径向膨胀，纵 向产生收缩。 气动人工肌肉驱动 器（ PMA， Pneumatic Muscle Actuator） 1. 气动仿生肌肉 1.1 气动仿生肌肉概述 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 Mckibben仿生肌肉 1. 气动仿生肌肉 1.1 气动仿生肌肉概述 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 气动肌肉的基本特点 重量轻、出力大、出力 -重量比高 具有一定的柔性和柔顺性，使用安全 抗污染、抗灰尘、无泄漏 运动平稳，低速无爬行 结构简单，容易制做，安装方便 1. 气动仿生肌肉 1.2 气动仿生肌肉的特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 气动肌肉几何关系图 b 单根编织网线的长度，常 量（ m）； 编织网线的编织角； n 单根编织网线在气动肌肉 表面的缠绕圈数，常量； L 气动肌肉可变形部分的长 度（ m）； D 气动肌肉的直径（ m）。 气动肌肉的基本模型 1. 气动仿生肌肉 1.2 气动仿生肌肉的特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 基本假设： （ 1）气动肌肉的形状为理想圆柱体； （ 2）编织网线不产生变形，橡胶管壁厚为 零； （ 3）气动肌肉变形过程中没有摩擦力和弹 性力作功。 1. 气动仿生肌肉 1.2 气动仿生肌肉的特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 基本方程 1. 气动仿生肌肉 1.2 气动仿生肌肉的特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 以张力、压力和编织角为变量的模型 其中： D0 气动肌肉初始直径； 收缩比 1、 2 系数 0 气动肌肉初始编织角 1. 气动仿生肌肉 1.2 气动仿生肌肉的特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 以张力、压力和收缩比为变量的模型 1. 气动仿生肌肉 1.2 气动仿生肌肉的特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 (1)等压特性 基本静态特性 在某一 压力下，气动肌肉长 度随负载力增加而变长 1. 气动仿生肌肉 1.2 气动仿生肌肉的特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 (2)等长特性 在某一 长度下，气动肌肉 张力随压力增加而增加 1. 气动仿生肌肉 1.2 气动仿生肌肉的特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 (3) 等 张 特性 在某一 负载下，气动肌肉 长度随压力增加而缩短 1. 气动仿生肌肉 1.2 气动仿生肌肉的特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 （ 4）刚度特性 刚度定义：气动肌肉单位长度的改变而引起 张力变化的大小。 当压力保持不变时，刚度为 1. 气动仿生肌肉 1.2 气动仿生肌肉的特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 (5)基本特性实测结果 等压 特性 等 长特性 1. 气动仿生肌肉 1.2 气动仿生肌肉的特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 (6)简化模型 压力二次拟合： 简化模型与实验的对比 系数 数值 系数 数值 a0 -83 b0 485 a1 -2.8910 -3 B1 2.73210 -2 a2 1.77510 -9 B2 -1.69310 -8 1. 气动仿生肌肉 1.3 使用气动仿生肌肉的关节特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 关节的基本原理 肌肉 1压力升高，产生收缩，肌肉 2压力 降低，被拉伸，关节在转矩的作用下运动 ，在新的位置达到力矩平衡。 1. 气动仿生肌肉 1.3 使用气动仿生肌肉的关节特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 关节的状态图 1. 气动仿生肌肉 1.3 气动仿生肌肉的关节特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 1、压力同时反向变化相同数值时的模型 初始位置方程： 气动肌肉张力 转矩 平衡方程 停止位置方程： 气动肌肉张力 转矩 平衡方程 1. 气动仿生肌肉 1.3 气动仿生肌肉的关节特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 1、压力同时反向变化相同数值时的模型 压力关系 肌肉伸长 （转角）关系 1. 气动仿生肌肉 1.3 气动仿生肌肉的关节特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 关节静态模型方程 1. 气动仿生肌肉 1.3 气动仿生肌肉的关节特性 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 简化后的关节模型方程 力 -压力系数 力 -长度系数 典型肌肉的规格 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 美国华盛顿大学利用多根气动 肌肉组成了和人的手臂解剖结构相 同的仿人手臂 ,并利用它进行人类低 级神经反射及脊髓姿态控制反射等 运动控制研究。 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 英国 Shadow Robot公司的仿人手臂。 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 气动肌肉驱 动的手臂实验台 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 气动肌肉驱 动的上臂 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 气动肌肉驱 动的手臂实验台 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 美国 Case Western Reserve University 气动肌肉驱动的腿部 实验台 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 气动肌肉驱 动的上臂及手掌 实验台 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 气动肌肉驱 动的手掌 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 美国 Vanderbilt大学智能机 器人学实验室研制的智能手臂 系统 。 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 气动肌肉驱动的 医疗辅助机械手 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 华盛顿大学设计了一种由气动肌肉驱 动的动力假肢。 这种假肢可以带动踝关节运动，帮助 截瘫截瘫 患者走路时减少能量损耗，变传统 假肢的被动行走为主动行走。 意大利学者制作了一种帮助老人或者 残疾人站起来的辅助装置。 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 Autopod 爬行机器人 Robin 爬壁机器人 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 仿 昆虫爬行机器人 气动昆虫机器人 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 英国 Shadow Robot公司 研制的两足机器人。 其中采用了 28根气动肌 肉作用于 8个关节组成了总 共有 12个自由度的两腿，其 肌肉的布置完全模仿人类肌 肉。 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 气动肌肉驱动 2足机器人 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 布鲁塞尔自由大学的 步 行机器人 Lucy，高 1.5m，采 用网状 PMA，模块化结构，比 起经典的 Mckibben具有压力 与干摩擦的更高阈值，使用 轻型结构实现稳定动步行从 而减小能耗，并降低人为控 制力 。 视频 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 韩国科技发展部（ KAIST） 的 PMA机器人，采用 4个 PMA组 成万向节，控制 Pitch和 Roll 向的旋转，髋关节 Yaw轴采用 分层 PMA实现。 1. 气动仿生肌肉 1.4 气动仿生肌肉的应用例 基于气动仿生肌肉的气动机器人设计： 1.气动仿生肌肉 日本东京大 学开发的 PMA驱动 仿人机器人 Kenji