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浙江工业大学硕士学位论文 基于弧形f p a 新型气动刚柔性关节的设计与实验研究 摘要 末端执行器作为机器人与外界环境互相作用的最后执行部件一直受到研究人员的关 注。随着服务型机器人的快速发展，柔性执行器( 或驱动器) 己成为机器人技术研究与开 发的热点之一。除了传统的刚性驱动和执行机构以外，气动人工肌肉作为一种新型执行器 ( 或驱动器) ，由于可以直接驱动、结构简单、动作灵活、易于控制、功率重量比大，尤 其是可以满足服务型机器人对安全性，柔软性和舒适性提出的更高要求的柔性性能等特 点，国内外众多学者对其进行了大量的研究工作，且在机器人领域的研究和应用有了较大 的进展，并取得了初步的成效。本文研究的弧形气动柔性驱动器f p a ，作为柔性驱动器， 可以构成各种关节。弧形气动柔性驱动器f p a 构成的关节除了具有典型人工肌肉驱动器的 特点外，还具有相对比较高的刚性的特点。 本文提出了气动柔性关节的模块化设计，利用弧形f p a 的数量和组合的不同设计并制 作了各类气动柔性关节；基于弧形f p a 的特性，对各类关节进行了实验研究，主要研究内 容有： 1 、本文首先介绍了已有的气动驱动器的研究状况，针对已往的直管式基于f p a 的各 类关节在受到较大外力易发生变形以及球关节在运动时的存在非球面性的缺点，提出了利 用弧形f p a 的伸缩特性来制作气动柔性关节的方案。 2 、对弧形气动柔性驱动器f p a 的静态模型和基本特性进行了深入的研究。通过受力 平衡原理建立弧形f p a 的静态模型，并基于气动系统动力学建立弧形f p a 充放气过程的 动态模型；通过仿真分析弧形f p a 基本参数变化对弧形f p a 特性的影响；制作弧形f p a ， 搭建实验平台，对弧形f p a 的模型和基本特性进行了实验研究。 3 、在弧形f p a 研究的基础上，提出并介绍了由两个弧形f p a 构成的气动刚柔性侧摆 关节的结构和工作原理；根据力矩平衡的原理建立并分析了侧摆关节的静态模型，建立关 节的动态模型；通过仿真分析弧形f p a 基本参数变化对弧形f p a 特性的影响；制作侧摆 关节，搭建实验平台，对侧摆关节进行模型和特性实验研究。 4 、提出并介绍了由三个弧形f p a 构成的气动刚柔性球关节的结构和工作原理：根据 力矩甲衡的原理求解出球关节的位置逆解方程；根据并联机构的特点，利用神经网络求解 浙江工业大学硕上学位论文 了球关节位置正解，并对球关节工作空间进行分析；搭建实验平台，制作球关节进行模型 和特性实验研究。 5 、在以上弯曲关节、侧摆关节和球关节的研究基础上，提出了三自由度手指、四自 由度手指、五自由度手指以及基于弧形f p a 的气动柔性灵巧手结构设计方案，并分析手指 的坐标变换。 6 、结果表明通过对输入关节腔室的气体压力控制，各关节的运动姿态即可得到控制， 各关节动作具有良好的重复性。设计制作的各类气动关节能够灵活自如地实现弯曲运动， 较之现有的拟人关节更加灵活，能够很好的模拟人手指的弯曲关节、侧摆关节和腕关节的 运动。接下来的研究除了对弧形f p a 制作工艺、关节控制进行深入研究外，还应进一步分 析采用大直径f p a 和小直径f p a 对关节运动的影响和输出力的特点，以便关节能够运用 于人的膝关节、臂关节等力距较大的场合。实现全气动机器人的设计制作。 关键词：弧形f p a ，弯曲关节，侧摆关节，球关节关，建模，气动柔性手指 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nn e wr i g i df l e x i b l e p n e u m a t i ct o i n tb a s e do nt h ea r c s h a p e d f p a a b s t r a c t a sf i n a le x e c u t i n gm a n i p u l a t o rf o rr o b o tt oi n t e r a c tw i t ho u t s i d ee n v i r o n m e n t ，t h et e r m i n a l a c t u a t o r sh a v eb e e np a i dm u c ha t t e n t i o n b e s i d e st h et r a d i t i o n a lr i g i dd r i v i n ga n de x e c u t i n gs e t s ， p n e u m a t i ca r t i f i c i a lm u s c l ep m a a san e wt y p eo fa c t u a t o rw h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yd i r e c t a c t u a t i o n ，s i m p l es t r u c t u r e ，f l e x i b i l i t y ，d e x t e r i t ya n dh i g hp o w e r w e i g h tr a t i o ，e s p e c i a l l yt om e e t t h es e r v i c e t y p er o b o tf o rs e c u r i t y ，f l e x i b i l i t ya n dc o m f o r tt h ei n c r e a s i n gd e m a n d sm a d eo n f l e x i b l ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，h a sa t t r a c t e dl o t so fr e s e a r c h e r s r e s e a r c ho ni th a sb e e n c a r d e do u tb ym a n ys c h o l a r sb o t ha b r o a da n da th o m e ，a n dap r i m a r yp r o g r e s sh a sa l r e a d yb e e n a c h i e v e di nb o t ha c a d e m i cs t u d i e sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h ea r c s h a p e df l e x i b l ep n e u m a t i c a c t u a t o rf p ad e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a st h ef l e x i b l ep n e u m a t i ca c t u a t o r ，w h i c hh a sa l lt h e a d v a n t a g e so ft y p i c a la r t i f i c i a lm u s c l ea n dc a nc o n s t i t u t eav a r i e t yo f j o i n t s f u r t h e rm o r e ，i th a s b e t t e rs t i f f n e s sc h a r a c t e r i z et h a nt h et y p i c a la r t i f i c i a lm u s c l ea c t u a t o r s t h ef l e x i b l ep n e u m a t i ca c t u a t o r ，t h ea r c s h a p e df p am o d u l a rd e s i g no ft h ef l e x i b l e p n e u m a t i ca c t u a t o ri sp r o p o s e dt h r o u g hu s i n gd i f f e r e n tn u m b e ra n dc o m b i n a t i o no ft h e a r c s h a p e df p a ，a n dd e s i g n e dav a r i e t yo ft h ef l e x i b l ep n e u m a t i ca c t u a t o r s r e s e a r c h e dv a r i o u s t y p e so ft h ef l e x i b l ep n e u m a t i ca c t u a t o r sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea r c s h a p e df p a ： 1 t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h er e s e a r c hs i t u a t i o na b o u tt h ee x i s t i n gp n e u m a t i ca c t u a t o r f o rt h ep a s ta l lk i n dt y p e so f j o i n t sb a s e do ns t r a i g h tt u b ef p ae a s i l yh a p p e nd e f o r m a t i o nw h e n b e a r i n gt h eg r e a te x t e r n a lf o r c e s ，a n dt h eb a l lj o i n t se x i s td i s a d v a n t a g eo fn o n s p h e r i c a lb e n d i n g e x e r c i s e ，t h e nt h ep r i n c i p l eo ft h ef l e x i b l ep n e u m a t i cj o i n tw i t h t h ea r c - s h a p e df l e x i b l e p n e u m a t i cf p aa c t u a t o ri se x p l a i n e d 2 f i r s t l y ，t h es t a t i cm o d e la n db a s i c a lp r o p e r t i e so fa r c - s h a p e df p aa r ep r o f o u n d l ys t u d i e d t h r o u g ht h ef o r c eb a l a n c ep r i n c i p l et h es t a t i cm o d e li ss e t t e du p ，a n dt h ed y n a m i cm o d e li s s e t t e du pb a s e do nt h ep n e u m a t i cs y s t e md y n a m i c s t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i st h es t a t i cm o d e l a n dt h ed y n a m i cm o d e lo fc h a n gt h eb a s i cp a r a m e t e r so fa r c s h a p e df p a p r o d u c e da r c s h a p e d f p a ，t ob u i l dt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，o nt h ea r c s h a p e df p a m o d e la n db a s i cc h a r a c t e r i s t i c s ；i 浙江工业人学硕士学位论文 a r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y 3 b a s e do ns t u d i e dt h ea r c s h a p e df p a ，p r o p o s e da n di n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l eo fr i g i df l e x i b l ep n e u m a t i cs i d e s w a yj o i n tw h i c hc o m p o s e dw i t i lt w oa r c s h a p e df p a ； t h r o u g ht h ef o r c eb a l a n c ep r i n c i p l et h es t a t i cm o d e li s s e t t e du p ，a n dt h ed y n a m i cm o d e li s s e t t e du pb a s e do nt h ep n e u m a t i cs y s t e md y n a m i c s t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i st h es t a t i cm o d e l a n dt h ed y n a m i cm o d e lo fc h a n gt h eb a s i cp a r a m e t e r so fa r c s h a p e df p a p r o d u c e da r c - s h a p e d f p a ，t ob u i l dt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，o nr i g i df l e x i b l ep n e u m a t i cs i d e s w a yj o i n tm o d e la n d b a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y 4 p r o p o s e da n di n t r o d u c e ds t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fr i g i df l e x i b l ep n e u m a t i cb a l l j o i n tw h i c hc o m p o s e dw i t ht h r e ea r c s h a p e df p a t h et o r q u eb a l a n c ep r i n c i p l es e tu pa n d a n a l y s i so ft h eb a l lj o i n t s o ft h es t a t i cm o d e l i na c c o r d a n c ew i t hp a r a l l e lm e c h a n i s m c h a r a c t e r i s t i c s ，a n du s en e u r a ln e t w o r k st os o l v et h ep o s i t i v es o l u t i o n so fr i g i df l e x i b l e p n e u m a t i cb a l lj o i n t ，a n da n a l y s i s e dt h eb a l lj o i n tw o r k s p a c e s ；s t r u c t u r e dt h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r m ，t h em o d e la n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a l lj o i n ti ss t u d i e d 5 b a s e do nr e s e a r c ho nf l e x i b l ep n e u m a t i cb e n d i n gj o i n t ，f l e x i b l ep n e u m a t i cs i d e - s w a y j o i n t ，f l e x i b l ep n e u m a t i cb a l lj o i n tr e s e a r c hi nt h ea b o v e ，p u t t e df o r w a r df lt h r e e - d o ff i n g e r ， f o u r d o ff i n g e r ，f i v e d o ff i n g e r s ，a sw e l la sd e s i g n e dt h es n - u c t u r eo ft h ef l e x i b l ep n e u m a t i c d e x t e r o u sh a n dc o m p o s e d 、析t 1 1f o u r - d o ff i n g e ra n df i v e - d o ff i n g e r s a n da n a l y s i so ff i n g e r c o o r d i n a t et r a n s f o r i n a t i o n 6 r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ej o i n te x e r c i s ep o s t u r ec a nc o n t r o l e dt h r o u g ht h ei n p u tc h a m b e r g a sp r e s s u r ec o n t r 0 1 v 撕o u st y p e so ff l e x i b l ep n e u m a t i cj o i n t sh a sd e s i g n e dc a ne a s i l ya c h i e v e b e n d i n ge x e r c i s e ，a n db ea b l et os i m u l a t eav e r yg o o de x e r c i s eo fp e r s o n sb e n d i n gf i n g e rj o i n t s ， t h es i d e s w a yj o i n ta n dt h eb a l lj o i n t i na d d i t i o nt ot h ei n d e p t hs t u d yo fa r c s h a p e df p a p r o d u c t i o np r o c e s s a n dt h ej o i n tc o n t r o l ，f u r t h e ra n a l y s i ss h o u l da l s ot h ea r c s h a p e df p au s i n g l a r g e d i a m e t e ra n ds m a l ld i a m e t e ro ff p ao nt h ej o i n te x e r c i s eo fi n f l u e n c ea n dp o w e ro u t p u t c h a r a c t e r i s t i c s ，s ot h a tp e o p l ea p p l i e dt ot h ej o i n t si no r d e rt ok n e e ，a r mj o i n ts u c ha st o r q u e l a r g e ro c c a s i o n s t h ep n e u m a t i cr o b o tc a nb ed e s i g n e da tl a s t k e yw o r d s ：a r c s h a p e df p a ，f l e x i b l ep n e u m a t i cb e n d i n gj o i n t s ，f l e x i b l ep n e u m a t i cs i d e s w a y j o i n t ，f l e x i b l ep n e u m a t i cb a l lj o i n t ，m o d e l i n g ，f l e x i b l ep n e u m a t i cf i n g e r s 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 名：兹河压、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签 导师签 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保姆 ( 请在以上相应方框内打“、”) 够蓦群主孑： 磁醐：汐弋年厂形日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源 本课题是浙江省自然科学基金资助项目“基于气动柔性驱动器f p a 的柑橘采摘末端执 行器关键技术研究 ( y 1 0 8 0 4 8 5 ) 、国家自然科学基金资助项目“基于气动柔性驱动器f p a 的气动柔性灵巧手研究”( 5 0 5 7 5 2 0 6 ) 的一部分。 1 2 课题背景 美国u n i m a t i o n 公司的第一台机器人u n i m a t e 于1 9 6 2 年在通用汽车( g m ) 公司投入 使用，成为第一代机器人诞生的标志。此后的4 0 多年时间里，伴随着计算机技术、智能 控制技术、通信技术以及先进制造技术的发展，机器人技术得到了飞速的发展，经历了可 编程机器人和自适应机器人阶段，正向着智能机器人方向发展。机器人的应用已经从单纯 的工业生产线发展到农业、服务业、宇航、医疗等领域，世界各国有众多的科研机构从事 机器人技术的研究、寻找机器人设计的新思路新方法、研制适合不同要求的机器人。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着机器人应用领域的不断扩大，智能机器人获得了较为 迅速的发展，并成为机器人领域研究的热点【1 ，2 1 。一般认为，作为自主型的智能机器人应具 有以下功甜3 l ：( 1 ) 手功能；( 2 ) 足功能；( 3 ) 感知功能：( 4 ) 记忆功日- 匕t - ；( 5 ) 思考功能。 服务型机器人不但要具备智能机器人功能的同时，因为机器人本身不仅要和人类同处在日 常生活的环境下工作，且频繁地和人类接触、为人类提供各种辅助服务1 1 - 3 1 ，因此机器人意 外地与环境或人碰撞时应该是安全的，对人类要具有良好的柔顺性和亲和性，使人类自身 具有安全感和柔软、舒适感。这样就对机械系统的安全性和柔软性提出了更高的要求。 进行机器人执行器设计主要考虑的是驱动问题。模拟人类关节功能是自主型智能机器 人的重要部分和执行部件。在智能机器人应用领域中，理想的执行器应具有以下特点：高 功率重量比和高功率体积比；响应速度快；准确的可重复性控制；良好的可靠性和鲁棒 性；在恶劣环境下的稳定性；清洁和高效；可携带的、轻便的动力源；低成本。由于气压 传动具有高功率重量比、价廉、无污染、特别是柔软和安全的特点，所以气压驱动型服务 机器人的研究与开发再度受到了研究者的重视。随着人类进入2 l 世纪，我国也将步入老 龄化社会的行列。国际上解决老龄化社会带来的老年人数的增多和年轻劳动力的严重不足 1 断江工业大学击灾士字位论文 问题，是大力发展能与人和谐共处、为人类服务的服务型机器人。服务型机器人的发展， 不仅可解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，还可开辟新的产业，创造新的就业 机会，因此服务型机器人己成为国际机器人技术研究与开发的热点之一。 从机器人关节驱动器的类型看，早期的机器人采用液压驱动，液压驱动的特点是控制 相对简单，可以获得很高的功率重量比。但存在油液泄漏、成本高、安全性差等问题，并 且需要压力油供应系统；电机的出现给机器人提供了新的驱动方式，并逐步取代了液压驱 动方式。电机驱动的优点是控制简单、洁净、噪音低、成本相对较低。不足之处在于功率 体积重量比小、刚性强，而且在某些( 如易燃易爆) 场合同样存在安全隐患。灵巧手的设 计需要大量的小巧灵活的驱动器，很显然，传统的液压驱动、电机驱动方式不能满足要求。 于是人们将目光转向一些新的驱动技术，如：微型电机、压电驱动器、形状记忆合金驱动 器、聚合材料人工肌肉驱动器、磁致伸缩驱动器以及气动刚柔性驱动器。其中气动刚柔性 驱动器具有结构简单、使用方便、清洁无污染、柔性较强等优点，在仿生机器人的研究中 已经得到广泛应用。 1 3 研究现状 气动刚柔性驱动器出现于2 0 世纪5 0 年代，但是当时并没有引起研究人员的关注，直 到2 0 世纪9 0 年代，美国、日本、德国的大学和科研机构以及t o s h i b a 、b r i d g e s t o n e 、f e s t o 、 i m a g e s c o 、w e s t g r o u p 等公司开始进行有关气动刚柔性驱动器的研究，取得了一定的成果， 并实现了一些气动刚柔性驱动器的商品化；国内在这一领域的研究开始于2 0 世纪9 0 年代 末，研究水平与国外相比还有相当的差距。目前在该研究领域出现的名称较多，如：编织 带人工肌肉( b r a i d e da r t i f i c i a lm u s c l e ) 、空气肌肉( a i rm u s c l e ) 、橡胶驱动器( r u b b e r a c t u a t o r ) 、人工筋、柔性微驱动器( f l e x i b l em i c r o a c t u a t o r ) 、气动肌肉驱动器( p n e u m a t i c m u s c l ea c t u a t o r ) 、柔性驱动器( s o f ta c t u a t o r ) 、人工橡胶驱动器( r u b b e r a r t i f i c i a la c t u a t o r ) 等，为了表述方便并综合考虑该类驱动器的共同特点，本文统一使用“气动刚柔性驱动器” ( f l e x i b l ep n e u m a t i ca c t u a t o r ) 这一名称。 虽然气动刚柔性驱动器的出现已有半个多世纪，在这方面的广泛深入研究也有1 0 多 年的时间，但是气动刚柔性驱动器的种类并不多，国内外学者基本上都是针对几种典型的 气动刚柔性驱动器进行研究。 1 3 1m c k ib b e n 型p m a 2 0 世纪5 0 年代，美国原子物理学家j o s e p hl m c k i b b e n 设计出最早的气动人工肌肉驱 - 2 一 浙江工业大学硕士学位论文 动器【4 1 ，被称为m c k i b b e n 型p m a ( p n e u m a t i cm u s c l e a c t u a t o r ) ，如图1 1 所示。其结构为： 内层为橡胶管，橡胶管外面用纤维编织蚓套住，两端用金属挟箍密封。当向橡胶管内腔充 入压缩气体时，随着内腔气体压力上升，橡胶管沿径向膨胀，膨胀的橡胶管撑起外层纤维 编织网，使得径向膨胀力变为轴向收缩力，其运动形式酷似生物肌肉。 美国w a s h i n g t o n 大学的c h i n g p i n gc h o u 、b l a k eh a n n a f o r d 等人详细地研究了 m c k i b b e n 型p m a 的静态特性【5 ，引。他们基于能量守恒定律推导了m c k i b b e n 型p m a 的静 态模型，并选用不同参数结构的p m a 进行静态特性测试，发现p m a 的非线性及迟滞特性， 给出了简化的静态模型；他们把m c k i b b e n 型p m a 与生物肌肉进行对比分析，发现它们在 力一长度特性上的相似性和力一速度特性上的差异性。英国s a l f o r d 大学的t s a g a r a k i s 和 c a l d w e l l l 7 1 ，美国的r o b b w 【8 1 以及国内相关学者也对m c k i b b e n 型p m a 的建模问题进行了 研究，用不同方法建立其数学模型。在控制方面，c a l d w e l l 等人提出了基于反馈p i d 调节 器的适应控制算法【9 】，c a i 和y a m u r a 研究了滑模控制在p m a 控制中的应用【1 0 】，o s u k a 等 采用h 。控制1 1 1 、h a m e r l a i n 应用变结构控制方法【1 2 1 对p m a 进行控制研究。 矧励 、一， 充气编织橡胶 初始状态 充气收缩 图1 - 1m c k i b b e n 型p m a 日本b r i d g e s t o n e 公司生产的r u b b e r t u a t o r t l 3 1 ，德国f e s t o 公司生产的f l u i d i cm u s c l e 1 4 1 以及英国s h a d o w 公司生产的s h a d o wa i rm u s c l e i ”1 等气动刚柔性驱动器的构造原理与 m c k i b b e n 型p m a 极其孝甘似，并且其特性也基本相同。 1 3 2 三自由度f m a 2 0 世纪8 0 年代，t o s h i b a 公司开发出三自由度f m a 16 1 ( f l e x i b l em i c r o a c t u a t o r ) ，其结 构如图1 2 所示。其主要部分为硅橡胶制成的橡胶管，橡胶管芯部均匀分布3 个气室，橡 胶管外壁内的尼龙纤维起加强作用，两端由两个端盖封住，由通气管从一端分别把橡胶管 一3 - 浙江工业大学硕士学位论文 内部的3 个气室与外界相通，图1 2 中口为尼龙纤维走向与圆周方向的夹角。当口= 0 。时， 这种类型的f m a 具有三个自由度，当充入3 个气室的气体压力相同时，整个驱动器会沿 着轴向伸长；当充入3 个气室的气体压力不等时，整个驱动器会发生弯曲偏转，调整3 个 a a 变形后 图1 3 没有尼龙纤维的三自由度f m a 变形图 气室的气体压力可以使得驱动器向任意方向弯曲。当口0 0 ( 5 0 o cs2 0 0 ) 时，向3 个气室 内充入压缩气体，f m a 除了具有伸长、偏转、弯曲等运动形式外，驱动器还可以绕中心轴 做旋转运动。k o i c h is u z u m o r i 等人基于微元弹性变形理论分析了这种f m a 的静态特性和 动态特性【1 7 】。 t o s h i b a 公司研制的三自由度f m a 尺寸很小，最小的可以做到直径为l m m ，长度为 7 m m 。在这样小的结构里边设置3 个气室、嵌入尼龙纤维，加工工艺相当复杂、技术难度 高，成本昂贵。为此，k o i c h is u z u m o r i 等人于2 0 世纪9 0 年代提出了没有加强尼龙纤维的 三自由度f m a ，并进行了仿真和实验研究【1 8 】，结果发现在没有尼龙纤维加强的情况下， 驱动器在充气时会有很大的膨胀变形，如图1 3 所示，这在实际应用中会造成彳 利的影响。 日本冈山大学的g o f u k u 和t a n a k a 研制了一种类似于三自由度f m a 的气动刚柔性驱 动器，称为抓指( g r a s p i n gf i n g e r ) 。抓指也是由橡胶管和周向的约束纤维构成，只是橡胶 管内部仅有一个气室，并且在橡胶管一侧多了一条约束纤维。 1 3 3 旋转型气动刚柔性驱动器 日本冈山大学的t o s h i r on o r i t s u g u 等开发了一种旋转型气动刚柔性驱动器【1 9 】 ( p n e u m a t i cr o t a r ys o f t a c t u a t o r ) ，其结构如图1 4 所示。 这种旋转型驱动器由两个边板和中间的可伸缩部分组成，如图1 - 4 ( a ) 所示。这些组成 部分皆由硅橡胶制成，其中可伸缩部分厚度为0 5 m m ，在其内部沿径向设有加强纤维；两 侧的边板厚度为3 m m ，在驱动器充气运动过程中，可以保持原状不变形，在一侧的边板上 4 一 浙江工业大学硕士学位论文 连接通气管，以便控制驱动器内部气体的进出，如图1 - 4 ( b ) 所示。当向驱动器内部充入压 缩气体时，边板由于厚度较大不会变形，加强纤维的作用使得可伸缩部分不会发生径向变 形，所以整个驱动器会围绕其中心轴线发生旋转运动，如图1 - 4 ( c ) 所示。 橡 强纤 ( a ) 径向、垂直方向的加强纤维( b ) 初始状态( c ) 充气状态 图1 4 旋转型气动柔性驱动器 t o s h i r on o r i t s u g u 等人详细研究了旋转型气动刚柔性驱动器的各种特性，如压力一 输出转矩关系、静态特性和动态特性。由于硅橡胶的粘弹性和嵌在可伸缩部分中加强纤维 的作用，驱动器在充气过程中存在一定的滞后，如：在内部气体压力达到5 k p a 之前，驱 动器几乎没有发生旋转：相应的，驱动器对于给定的旋转角度的响应类似于一阶滞后系统。 1 3 4 柔性流体驱动器 德国k a r l s r u h e 计算机科学应用研究中心研制的柔性流体驱动器【3 0 1 ( f l e x i b l ef l u i d i c a c t u a t o r ) ，如图l - 5 ( a ) 所示。 利用一个气囊和两个夹板组成一个关节驱动器，两个夹板形成一个铰链。充入压缩气 体( 或者液体) 时气囊膨胀鼓起，将两侧的夹板推开一定的角度，实现关节的驱动动作， 如图1 5 ( b ) 所示。该中心的研究人员详细分析了柔性流体驱动器的数学模型，并利用这种 驱动器成功研制了灵巧手。 夹板 ( a ) 驱动器合拢状态( b ) 驱动器张开状态 图1 5 柔性流体驱动器 浙江i n 大学砸学位论文 1 3 5 弯管驱动器 h i d e y u k i t s u k a g o s h i 等人提出了一种新型的驱动器模型 弯管式驱动器o ”( w o u n d t u b e a c t u a t o r ) ，其结构原理如图1 - 6 芒丘磐部分= = = _ = l k 三互i ：j 删苎j 墨笔享塑蹇妻 图】- 6 弯管式驱动器 每个弯管都有受限制和不受限制的两部分组成，这种组成是周期性。受限制的部分占 2 3 ，不受限制的部分占剩下的1 3 。受限制的部分不膨胀，不受限制的部分膨胀。如图 l 一7 ，当只有管1 冲入压力空气时，在整个圆周上只有1 2 0 度范围内的弯管膨胀。从而使整 个单元发生弯曲变形。通过控制三个弯管的气压可以实现在一定角度内的自由弯曲。实验 表明在相同的占空比( 弹性气管占用的空间与剩下的空间之比) ， 甘同的情况下，要达到相 同的弯曲程度，风箱驱动器( b e l l o w a c t u a t o r ，一种f m a ) 比弯管驱动器( w o u n da c t u a t o r ) 需要更大的弯矩。 研究人员将多个这样的驱动器通过骨架串联起来，对各级驱动器分别控制，设计出用 于在废墟中救生的“象鼻子”软管，通过在气管之外的剩余空间传送救援物品( 空气、水“) 。 另外，加拿大k i n e t i cs c i e n c e s 公司制造了一种基于风箱式驱动器0 2 i 的柔性操作手，具 有7 个自由度( 加上底座的旋转运动) ，配合鹰眼系统，动作十分灵巧，最大伸长可达收 缩时的5 倍，该操作手已实现商品化。比利时和英国的有关学者也对气动驱动器、气动人 工肌肉、气动人工手进行了有关研究。 1 36 新型气动刚柔性驱动器f p a 浙江工业大学的阮健教授曾提出了一种柔性气缸，并应用于驱动器和关节的设计研究 l 。该柔性气缸由端盖、套圈、螺旋刚丝、橡胶壁组成。套圈通过螺钉与端盖连接通过 套圈紧固螺钉将橡胶壁夹紧于端盖头所形成的锥面中，螺旋剐丝埋在橡胶壁内。与传统气 所扛i 业大 目学位* 文 缸相比这种柔性气缸具有无摩擦、无泄漏的优点；但该柔性气缸的套圈与端盖之间通过 螺钉连接，结构复杂，不易于小型化：同时端盖、橡胶壁之间固定麻烦、安装不方便；而 且橡胶壁用螺旋刚丝加强，弹性不足，整个结构的刚性差。 近年来浙江工业大学机电研究所在气动柔性驱动器以及机器人多指灵巧手方面进行 了大量的基础研究工作。针对多指灵巧手关节驱动器向小型化、柔顺性、灵活性方向发展 的特点，在柔性气缸的基础上，提出了一种新型的气动柔性驱动器f p a ( f l e x i b l e p n e t a n a t i c a c t u a t o r ) 2 4 - 2 ”，如图l 一7 示。 管接头：2 , 5 端盖，3 橡胶管4 弹簧 图1 7f p a 结构 f p a 由管接头、两端端盖和嵌有弹簧的弹性橡胶管组成。主要部分是弹性橡胶管，弹 簧镶嵌在橡胶管壁中间，与橡胶管一起硫化处理，弹簧可以约束橡胶管的径向膨胀变形， 同时具有加强整个驱动器刚度的作用；橡胶管两端与端盖连接，通过强力胶密封：在一侧 的端盖上安装管接头，压缩气体可以由此进出驱动器内部。当通过管接头向f p a 内腔充入 压缩气体时由于弹簧的约束作用，弹性橡胶管只能沿轴向伸长变形，整个驱动器在轴向 发生直线位移：释放f p a 内腔的压缩气体，由于橡胶管和弹簧的弹性作用，驱动器恢复到 初始状态。 23456 管接头，2 螺钉，3 端盂，4 约束钢丝；5 弹簧：6 橡胶管 图i 8 柔性气动弯曲关节 新江n 太 学位* z 对f p a 进行深入的研究后，浙江工业大学分别提出了基于f p a 的气动柔性弯曲关节 和气动柔性球关节并进行了研究实验， 柔性气动弯曲关节脚l 的结构原理如图1 - 8 示该关节与f p a 相比，唯一的差别就是 在橡胶管壁内又嵌入了一条轴向的约束刚丝并且约束刚丝的两端通过螺钉与端盖固定。 当向弯曲关节充入一定压力的压缩气体时，除约 束刚丝一侧的橡胶管壁不发生变形外，其余部分将沿轴向伸长，使得整个关节发生 弯曲变形，弯曲的角度随着压力的增大而增大：释放关节内腔的压缩气体，在橡胶管和弹 簧的弹性力的作用下，弯曲关节又恢复到初始状态。 图卜9 柔性气动球关节 柔性气动球关节口1 主要有橡胶壳体、上下端塞、上下端盖、气管接口组成，如图1 - 9 ， 壳体的中间层是紧密缠绕着的细铜丝，它们能有效地限制壳体的径向变形。端塞与端盖之 问螺纹连接，端塞与橡胶壳体之间用枯胶剂粘结，标准的快速气管接口与下端盖用螺纹连 接。在各个弹性壳体中分别通入压缩空气，关节会发生变形这种变形不是单一的伸缩、 弯曲、偏转，而是三者的随意组合。 1 0 基于气动柔性驱动器f p a 的多指灵巧手和五自由艘手指 浙江工业大学硕士学位论文 在以上两种气动关节基础上，浙江工业大学重点实验室还分别设计研究了基于气动刚 柔性驱动器f p a 的多指灵手和五自由度手指犯8 1 ，如图1 1 0 。 1 3 7 各种气动刚柔性驱动器的比较分析 上述六种气动刚柔性驱动器的原理基本一致：都是以压缩气体作为动力源，利用橡胶 的弹性，进行适当的约束以后形成具有特定运动形式的柔性驱动器。这种类型的驱动器最 大的特点就在于其柔顺性，适用于对柔性要求高的场合，如医疗、服务、农业果实采摘等， 但是它们也各有其自身的特点。 六种驱动器都是利用橡胶材料制成，橡胶的老化和疲劳破损是不可避免的。m c k i b b e n 型p m a 结构相对简单，制作技术成熟并已经商品化，在膨胀变形过程中，端部存在弧形 的过渡变形，不易于建模和控制，编织网容易受到破坏，一旦破坏，内部的橡胶管会冲破 编织网，甚至爆破。另外，由于外层纤维编织网与内层橡胶管在收缩膨胀过程中存在相对 滑动和摩擦，会造成能量损失。三自由度f m a 、弯管驱动器和旋转型气动刚柔性驱动器结 构复杂且尺寸较小，对制造工艺要求非常高，制作成本昂贵，建模较困难。对于三自由度 f m a 在充气弯曲时，压力高的气室膨胀，压迫压力低的气室变小，如果外壁没有加强纤维， 则压力高的气室会严重变形，压力低的气室也会因被压迫而变形，而既使其外壁有加强纤 维的作用，其内部三个气室之间的隔膜也会因为两侧压力的不同而发生变形，所以整个结 构不稳定，难以建立准确的数学模型并实行控制。另外，因为三自由度f m a 都用纤维对 橡胶的变形进行约束，但是纤维的柔性使得这种约束效果不是很理想。柔性流体驱动器不 用约束纤维，充分利用气囊的柔性和弹性，但是驱动器的刚性较差。柔性流体驱动器的气 囊完全由橡胶制成，充气时气囊存两侧夹板之间自由膨胀，驱动器在不同角度时，气囊与 夹板的接触面积不同，文献 2 0 】给出了该驱动器的数学模型，并进行实验验证，实验结果 与模型曲线基本吻合。 新型气动柔性驱动器f p a 结构简单，易加工，普通的橡胶厂和机械厂即可生产，由于 采用弹簧是嵌在橡胶内部，使得在充气过程中不