（流体机械及工程专业论文）多自由度气动肌肉灵巧手的设计与运动控制实现.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 人手是世界上最灵巧的“机构”，是一个轻质量、高精度、柔顺性好的多关节体系。随 着工业技术的发展，人们对于仿人灵巧手的研究越来越深入，致力于不断提高仿人灵巧手 的仿生性能。同时，随着灵巧手的智能化发展，对其驱动器的性能要求也越来越高。传统 驱动器在灵巧手的应用上存在着各种各样不同的问题，对于灵巧手的发展存在一定的限 制，在此背景下，具有仿生学性能的气动肌肉越来越受到青睐。 气动肌肉是一种将气动力转化成输出力的气动驱动器，较传统气动执行元件有输出力 自重比大，柔顺性高，安全可靠等突出优势。将气动肌肉作为机器人驱动器可以实现直 接驱动，无需安装减速装置和传动机构，这一优点大大减轻了仿人机械手的重量和成本， 使灵巧手具有更好的仿生性和柔顺性，因此气动肌肉被大量运用于机器人臂以及灵巧手的 手指关节的驱动。 本文在此基础上，设计了一个尺寸和关节运动范围接近人手的类人灵巧手，该灵巧手 由气动肌肉驱动，包括三个类人手指，每个手指有多个关节，能够实现类人手的多自由度 运动，具有良好的仿生性。 本文的主要进行了如下工作： ( 1 ) 分析了气动肌肉常用数学模型，并通过实验对比的方法，提出了一种新型气动 肌肉的数学模型，该模型考虑了实际情况，与实验曲线比较吻合，能够很好的反应气动肌 肉本身的静态特性。 ( 2 ) 运用三维造型软件仿照人手的尺寸与功能设计了多自由度的气动肌肉仿人灵巧 手。该灵巧手包括三根手指各三个自由度，手腕部位两个自由度，其中三根手指的自由度 分别为：拇指近指关节横向摆动范围为6 0 0 - 6 0 0 ，中指节为6 0 0 - 6 0 0 ，远指节为0 - - - - 9 0 0 。 食指和中指近指节向外横向摆动范围为0 - - - 3 0 0 ，中指节和远指节运动范围均为0 - - 9 0 0 。 腕关节的两个自由度分别为横向的摆动3 0 0 - - - 3 0 0 ，屈伸的一3 0 0 - - 3 0 0 。 ( 3 ) 依据气动肌肉的驱动原理进行了气动肌肉灵巧手关节运动的控制研究，通过关 节的响应信号跟踪，验证了灵巧手关节运动控制系统的合理性及可靠性。 ( 4 ) 搭建了气动肌肉灵巧手的实验平台，并进行了灵巧手手指及手腕各关节的运动 控制实验，得到了灵巧手的多运动范围，验证了其仿生性。 关键词：气动肌肉；静特性模型；仿人灵巧手；关节运动控制实验 浙江理工大学硕士学位论文 m e c h a n i s md e s i g na n dm o t i o nc o n t r o lr e a l i z a t i o no f s e v e r a l f r e e d o m sd e x t e r o u sh a n dd r i v e nb yp n e u m a t i ca r t i f i c i a lm u s c l e s a b s t r a e t h u m a nb o d ya st h ew o r l d sm o s tf l e x i b l es t r u c t u r e ，i t sal i g h t - q u a l i t y , h i g h - p r e c i s i o n , g o o d f l e x i b i l i t ys y s t e mi n s i s t e db ym u l t i p l ej o i n t s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r y t e c h n o l o g y , t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fd e x t e r o u sh a n db e c o m e sv e r yp o p u l a ra tp r e s e n t p e o p l eh a v eb e e np u r s u i n gag o o db i o n i cp e r f o r m a n c eo f t h eh a n db yd o i n gd e e p l yr e s e a r c h i n t h eo t h e rh a n d ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l i g e n td e x t e r o u sh a n d ，t h ep r o p e r t ya n da c t i o n r e q u i r e m e n t st o t h ed r i v ei s b e i n gh i g h e ra n dh i g h e r , w h i l et h et r a d i t i o n a la c t u a t o re x i s t s d i f f e r e n tk i n d so fp r o b l e m si nt h ea p p l i c a t i o no ft h ed e x t e r o u sh a n d ，w h i c hi sb e i n gab l o c kt o t h ed e v e l o p m e n t a n dt h ep n e u m a t i ca r t i f i c i a lm u s c l eg e t sd e v e l o p e di nt h i sc o n t e x t ，s i n c ei t s f l e x i b l ea n db i o n i c p n e u m a t i ca r t i f i c i a lm u s c l ei saa i ra c t u a t o rb yt r a n s f e r r i n ga i rf o r c ei n t oo u t p u tf o r c e ， c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a la c t u a t o r s ，t h ep n e u m a t i c m u s c l eh a sp r o m i n e n ta d v a n t a g e si nt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ：t h ef o r c e w e i g h tv a l u ei s m u c hb i g g e r , t h ea c t u a t o ri t s e l fi sm u c hm o r e f l e x i b l e ，s a f e ，a n dr e l i a b l e ，a sw e l la si t sa l s og o o de n o u g hf o rs u c haa c t u a t o rw h i c hc a nw o r k w i t h o u ta n yr e d u c t i o nd e v i c ea n dt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，b yw h i c hc a ni tr e d u c et h ec o s ta n d w e i g h to ft h em e c h a n i cs y s t e ma n dm a k et h es y s t e mb em u c hm o r es o f ta n df l e x i b l e t h e p n e u m a t i cm u s c l ei sb e i n gw i d e l yu s e d i nd r i v i n gt h e j o i n to fr o b o t t h ed e s i g no ft h ed e x t e r o u sh a n do fw h i c ht h es h a p ea n dm o t i o nr a n g eo ft h ej o i n ti sc l o s e t oh u m a n o i dh a n do ft h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ea c h i e v e m e n to fp r e v i o u sr e s e a r c h t h i s d e x t e r o u sh a n di sa c t u a t e db yp n e u m a t i cm u s c l e sa n dc a na c h i e v et h em o t i o na sg o o da sh u m a n b e i n g t h em a i nw o r k so ft h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w i n g s ： f i r s t l y , an e ws t a t i cm a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e db ya n a l y z i n gt h eb i a sb e t w e e nt h e c o m m o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp n e u m a t i ca r t i f i c i a lm u s c l ea n dt h ee x p e r i m e n tv a l u e ，a n dt h i s m o d e lh a sb e e np r o v e dt ob eg o o da tr e f l e c t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep n e u m a t i ca r t i f i c i a l m u s c l e 。 i i 浙江理工大学硕士学位论文 s e c o n d l y , t h es t r u c t u r eo ft h ed e x t e r o u sh a n do fw h i c ht h es h a p ei ss i m i l a rw i t ht h e h u m a n o i dh a n dw a se s t a b l i s h e db yu s i n ga3 dm o d e l i n gs o f t w a r e t h ed e x t e r o u sh a n di n c l u d e s t h r e ef i n g e r so fw h i c ha r et h es a m es t r u c t u r e ，a n daw r i s tw h i c hi n s i s t so ft h r e ej o i n t s m m o t i o nr a n g e so ft h ed e x t e r o u sh a n da r ea sf o l l o w i n g s ：t h es w i n gk n u c k l e sr a n g eo ft h et h u m b n e a r l yh o r i z o n t a li s - 6 0o 一6 0 0t h em i d d l ek n u c k l ei s 一6 0o 6 0o ，鼬k n u c k l ei s0 9 0 o f o r e f i n g e ra n dm i d d l ef i n g e rt ot h en e a r l yk n u c k l e sl a t e r a lw o b b l e i s0t o3 0 om i d d l ef i n g e r s e c t i o na n df a rk n u c k l e sm o v e m e n ts c o p ei s0 9 0 ot h ef r e e d o mo f t w od e g r e e so ft h ew r i s t i s 一3 0o 3 0o - 3 0o 3 0 o rr e s p e c t i v e l y t h i r d l y , t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ep n e u m a t i ca r t i f i c i a l m u s c l ed r i v ep r i n c i p l e s i tw a sp r o v e dt ob er e l i a b l eb yt h ej o i n tr e s p o n s es i g n a lt r a c k i n g e x p e r i m e n t ，a sw e l la sw h i c ha l s op r o v e dt h er a t i o n a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed e x t e r o u sh a n d w a sv e r yg o o d l a s t l y , t h er e a ld e x t e r o u sh a n de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a se s t a b l i s h e dt h r o u g ht h ep r e v i o u s d e s i g n ，a n dt h ej o i n tm o t i o ne x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e do nt h i sp l a t f o r m ，b yw h i c hi tp r o v e d t h a tt h ed e x t e r o u sh a n do ft h i sa r t i c l ei sb i o n i c k e y w o r d s ：p n e u m a t i ca r t i f i c i a lm u s c l e ；s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ；d e x t e r o u sh a n d ；j 0 nc o n t r o l ； p i dc o n t r o l ；f u z z yp i dc o n t r 0 1 i i i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近年来随着微电子技术、p l c 技术、传感器技术等新兴电子技术的快速发展，工 业自动化已经成为一个大的趋势，而其中机器人的设计制造尤其热门。机器人的发展分为 工业机器人和智能机器人，应用范围广泛，从最开始的工业领域已经向医疗康复、家庭服 务、公共安全等多个领域发展。目前，工业机器人的发展已经成熟，广泛应用于制造领域 中。相比于工业机器人，具有局部自主功能的智能机器人具有灵活的操作能力，已然成为 当下各国学者和研究机构的重点研究对象。随着机器人的智能化，其对非结构性及不确定 性判断的能力越来越强，实际上是人类仿生学的一个分支，越来越多的仿生机器人设计制 造出来。结合人类肢体的运动特点，仿生机器人同样具备良好的感知及多自由度的运动， 甚至优于人类生理结构。仿生机器人的制造也被视为一个国家高新科技应用能力的一个重 要体现【1 1 。 人手是世界上最灵巧的“机构”，是一个轻质量、高精度、柔顺性好的多关节体系【2 】。 仿人灵巧手的设计制造变得十分的热门，人们致力于不断追求仿人灵巧手性能的提高，期 望能够达到人手的仿生性能。与传统机械手单纯追求承载力和运行位置的精确度不同，当 前灵巧手的研究在安全柔顺性方面的要求也在不断提高，甚至超越前两者【3 卅。因而，一 方面，灵巧手的设计要符合人手的尺寸形状；另一方面，灵巧手要具备人手的高灵活度， 必然要求其具有良好的柔顺性，灵巧手的机构的设计以及控制系统中控制元器件驱动器的 选择是灵巧手设计制造中的关键环节。 作为机器人运动的核心部件，驱动器在机器人的运动实现当中起着决定性的作用。随 着机器人的智能化发展，对驱动器的性能要求也越来越高。传统机器人常采用液压、马达、 电气等形式的驱动器，然而这类驱动器存在体积大、柔顺度低、功率重量比低等方面的因 素，必然对机器人精密性产生影响，限制机器人的发展。研制新型机器人驱动器已经成为 当下一大课题，气动人工肌肉便在这一背景下应运而生。 气动人工肌肉( p n e u m a t i ca r t i f i c i a lm u s c l e ) 是一种新型的气动执行器，通过内部气 压变化膨胀收缩变形产生拉力。由特殊的纤维格栅网包裹着内部橡胶管制造而成，两端连 接接头，如图1 1 所示。与电驱动和液压驱动相比，气动人工肌肉具有柔顺性好，质量轻， 浙江理工大学硕士学位论文 功率重量比大，使用安全方便等优点，在机器人，仿生医学，工业自动化的各方面应用越 来越广泛，应用前景良好。 鼍腔一歼- i 压鸭口一 图1 1 气动人工肌肉结构简图 1 2 气动人工肌肉概况及研究应用状况 随着对驱动器柔顺性的要求越来越高，人们开始着手研制各类执行器以期能够代替传 统的电驱动液压驱动等功耗大安全性能较低柔顺性较差的驱动器。气动肌肉作为一种新型 的柔顺性高功率重量比大的执行器，最早在1 9 0 0 年被机构学之父r e u l e a u x 7 j 提及，他在 关于生物机构学的研究中采用了橡胶管模拟生物肌肉：最早于二十世纪三十年代由俄国发 明家s g a r a s i e v 发明。1 9 5 3 年，m o r n f 8 】设计了m o 砌n 肌肉。它是一种能够将流体压力传 递到控制装备的膜片驱动器，这种膜片驱动器在结构上做了很大的简化，其采用高强度纤 维作为弹性层外部，高强度纤维沿轴向成一定角度缠绕，结构如图1 2 所示。为了克服气缸 活塞结构的大输出力需求下的不足，1 9 5 8 年，g a y l o - 9 1 在m o r i n 肌肉的基础上对肌肉 的连接部分和外围编织层的结构进行了改进，其外观与目前的气动肌肉产品已经非常接 近。以该肌肉作为驱动器，g a y l o r d 设计了开关门。美国医生j o s e p hl m c k i b b e n 发明研 制的m c k i b b e n 肌肉，是当今使用最多的气动肌肉的原型，堪称开创了气动肌肉的纪元i l 们。 这种m i c k i b b e n 能够驱动假肢运动，如图1 3 所示。 瓣 图1 2m o r i n j 日 肉m i e k i b b e n 肌肉由内部的橡胶管及围绕在外部的编织网构成，充气后可实现径向的膨胀以及轴向 的收缩。这一发明开创了气动肌肉应用方面的先河，但是由于该装置应用过程中总是需要 带有一个又大又重的c 0 2 储气罐，且当时气动控制技术发展还不够成熟，m i c k i b b e n 肌肉很 2 浙江理工大学硕士学位论文 快在二十世纪六十年代后被电机取代。1 9 7 2 年，y a r l o t t 研制了一种网孔式人工肌肉【l l 】，这 一o t t 型气动人工肌肉与编织式人工肌肉的区别在于编织套的疏密程度不同，其人工肌 肉编织纤维相对来说比较稀疏，因为肌肉只能在较低的压力下工作，其结构如图1 4 所示。 以上几类气动肌肉当中，编织式的m c k i b b e n 肌肉是当前应用最为广泛的一种气动人工肌 肉。 i 图1 3 驱动假肢运动的肌肉图1 4y a r l o t t 型气动人工肌肉 2 0 世纪6 0 7 0 年代开始，美国和日本的科学家也都对气动人工肌肉进行过研究。其 中日本的早稻田大学采用中间绳索限制型气动肌肉和扁平型旋转气动肌肉设计了一种仿 人步行机器人【1 2 】。1 9 6 1 年，美国科学家s c h u l t e 通过分析m i c l 【i b b e n 肌肉的特性，得到了气动 人工肌肉的一些基本特性。八十年代中期日本东芝公司开发了一种具有三个自由度的f m a ( f l e x i b l em i c r oa c t u a t o r ) 气动肌肉，与传统气动肌肉不同，该f m a 肌肉内部等分为三个 腔，呈扇形分布，每个腔由一个控制阀控制，如图1 5 示。当向f m a 的3 个气腔同时加入相 同的气压时，由于力平衡，它保持轴线方向；当调节送入各个空腔的压力时，力平衡发生 变化，f m a 就可以实现沿中心轴z 方向的伸缩、任意方向的弯曲和绕z 轴的扭转三个自由度 的运动。因此，f m a 既可以充当肌肉，又可作为关节使用【l 孓”】。 图1 5 三自由度气动肌肉 1 9 8 8 年同本b r i d g e s t o n e 公司专门生产应用于工业领域的机器人气动肌肉驱动器，这也 推动了气动肌肉在工业领域的应用1 6 l 。九十年代末，英 雪s h a d o w 公司设计了一种重量轻、 功耗小，可靠性高、输出力重量比大的气动人工肌肉，这种气动肌肉效仿m c k i b b e n 肌肉 制作而成，命名为a i r m u s c l e ，如图1 6 所示。a i r m u s c l e 肌肉在类人机器人、假肢研究方面 求誊桊蛰 - 浙江理工大学硕士学位论文 得到了一定范围的应用。随着现代气动技术的不断发展和广泛应用，2 0 0 0 年德国f e s t o 公 司为领先的气动产品公司大力发展气动人工肌肉，f e s t o 公司首先推出了一种称为f l u i d i c m u s c l e 的新型的气动肌肉，与常规气动肌肉不同的是，f e s t o 公司生产的气动肌肉将编织 网嵌入橡胶管的橡胶中，减少编织网与外界的摩擦接触，这样的设计构造大大增强了气动 人工肌肉的疲劳寿命和工作能力，其外观形状如图1 7 所示。之后德国的f e s t o 公司又相继 推出了成品化的m c k i b b e n 型气动人工肌肉，英国的s h a d o w 公司，加拿大的e p 公司等公司 也都研制了不同的气动人工肌肉。至此，气动人工肌肉的发展已经达到了一个高峰。 墨= 图1 6a i rm u s c l e 气动肌肉 图1 7f e s t o 公司气动肌肉 1 3 气动人工肌肉机器人国内外研究现状 1 3 1 气动人工肌肉机器人国外研究现状 随着气动人工肌肉应用越来越广泛，国内外学者对于气动人工肌肉的研究也越来越深 入，对气动人工肌肉机器人进行了大量的研究。 美国华盛顿大学由h a n n a f o r d 等人研制出一种仿人手臂，该仿人手臂由1 5 条 r u b b e r t u t a t o r 组成，其控制系统模拟人类脊髓神经设计而成，作为研究人类神经反射的模 型 1 7 , 1 8 】，如图1 8 所示。 美国华盛顿大学的k l u t e 教授从仿生学角度出发，对气动肌肉的基本特性作了深入分析 1 9 2 0 ，设计了一种假肢装置。这一装置由气动肌肉驱动，主要用于帮助残疾病人行走时减 少能量消耗及消除冲击力，其形态如图1 9 所示。 4 浙江理工大学硕士学位论文 图1 8 气动肌肉驱动仿人手臂图1 9 气动肌肉驱动假肢装置 美国纳什维尔大学的k a z u h i k o 等人用气动人工肌肉制造出一个6 自由度柔顺机器人手 臂，这一手臂可以带动其末端手爪，实现弹奏电子琴等动作 2 1 0 2 3 j ，得到了很大程度的应用， 其外观形态如图1 1 0 所示。 英国s h a d o d o w 公司效仿人手臂设计的仿生手臂，能实现人类手臂的所有动作，其驱动 器为数十条m e k i b b e n 人工肌肉，其外观如图1 1 1 所示。 日本冈山大学的t o s h i r o 研制出外形类似人的手臂的由气动人工肌肉驱动的康复机器 人，如图1 1 2 所示。该手臂采用闭环控制，可以实现两个自由度的运动，主要作用是带动 人手进行缓慢的恢复运动，从而恢复手臂功能运动功能 2 4 , 2 5 1 。 图1 1 1s h a d o d o w 公司仿人气动机械手图1 1 2 两自由度康复机器人 浙江理工大学硕士学位论文 图1 1 3 是由英国索尔福德大学的c a l d w e l ld q 等人制作的气动肌肉机械手系统，该系统 包括一个7 自由度的气动肌肉手臂和一个气动肌肉灵巧手。手臂的末端灵巧手指尖装上了 各种感觉传感器，能够通过接触反馈实现虚拟感觉【2 6 ，2 7 1 。这一仿人机械手被用作虚拟现实 和摇杆操作中的主机械手 图1 1 3 气动肌肉驱动灵巧手 德国f e s i o 公司用数十条设计的气动肌肉机器人包括一个仿人手臂和一个包括柔性 灵巧手。其中每根灵巧手手指均能独立实现三个自由度的运动，具有相当高的仿生程度。 通过安装在手上的触觉和感知传感器，机械手可以跟踪和感知人手动作，实现一系列动作 模拟。如图1 1 4 所示为机器人跟踪人手的动作实验。 图1 1 4f e s t o 气动人工肌肉驱动机器人 日本大阪大学采用气动肌肉对拉关节构造设计了两足行走机器人，该机器人具有三个 自由度 2 9 , 3 0 ，可实现平稳的行走，其外形如图1 1 5 所示。 美国华盛顿天主教大学设计了一个由气动肌肉驱动关节的多自由度平面机器人，该机 器人可以模拟多足昆虫的运动3 1 。3 1 ，形状如图1 1 6 所示。 譬 浙江理工大学硕士学位论文 图1 1 5 行走机器人 图1 1 6 机器昆虫 美国密歇根大学与华盛顿大学合作开发制作了一个由气动肌肉驱动的裸足矫形机器 人，该机器人使用时能产生主动的脚底屈肌力矩f 3 4 3 5 1 ，外观如图1 1 7 所示。 范德比尔特大学设计了由气动肌肉对拉驱动关节的智能机器人，该机器人具有一个两 自由度的手臂，采用类似于人类手臂仿生学运动模型中的前馈压力模式来控制机器人的肌 肉【3 6 】，实现手臂运动，如图1 1 8 所示。 图1 1 7 裸足矫正器图1 1 8 智能软臂控制机器人 德国卡尔斯鲁厄大学信息研究中心开发研制了气动肌肉驱动的单腿哺乳动物类机器 人和六足昆虫机器人【3 7 - 3 9 1 ，分别如图1 1 9 和图1 2 0 所示。 图1 1 9 单腿机器人图1 2 0 六足昆虫机器人 比勒菲尔德大学丌发了由3 6 根气动肌肉驱动的包含有2 0 个自由度的仿人形机械手，该 7 浙江理工大学硕士学位论文 机械手可以实现人手相同的抓取动作 4 0 1 ，如图1 2 1 所示。柏林科技大学采用气动肌肉开发 研制了一个具有两个仿生手臂的类人机器人，每个机械手臂都带五根手指的机器仿人灵巧 手【4 1 1 ，其外观如图1 2 2 所示。 图1 2 1 人形机器人手图1 2 2 类人机器人 此外，法国国立应用科学学院、法国图卢兹国立大学【4 2 ，4 3 】等的一批学者利用m c k i b b e n 肌肉研发了一种三自由度机械手臂，手臂具有很好的灵活性和仿生性。比利时布鲁塞尔大 学的学者开发制作了一个两足步行机器人，对其进行了运动控制。日本的冈山大学h 5 1 、 立命馆大学 4 6 1 等也在进行相关气动人工肌肉机器人的研究。 1 3 2 气动人工肌肉机器人国内研究现状 相比于国外气动人工肌肉的研究进展，国内对于气动肌肉的应用研究起步相对较晚， 但近年来发展迅速。南京理工大学的卫玉芬h 7 1 博士设计了一个气动肌肉柔顺机器人手臂， 该手臂包括前臂、手腕和灵巧手三部分，能实现各关节的柔顺性运动。其中柔顺手爪外观 结构如图1 2 3 所示。 图1 2 3 气动肌肉驱动的柔顺手爪 北航的宗光华和刘荣【4 8 】等通过分析气动肌肉的非线性特性以及橡胶管弹性、自身摩擦 对肌肉数学模型的影响，得到了新的模型，并将其应用于五连杆并联机构，通过刚度调节 8 浙江理工大学硕士学位论文 实现关节的柔顺控制。 哈尔滨工业大学的隋立明设计了七自由度气动肌肉仿人手臂，该手臂由肩关节和肘关 节2 个部位组成【4 9 1 ，其结构如图1 。2 4 所示。 天津大学的郑奇在研究单根肌肉特性以及关节驱动原理的基础上，研制出了双自由度 气动肌肉类人上肢装置，并通过实验验证分析了类人上肢的静、动态特性5 0 1 。 浙江大学的朱笑丛设计了一个包含3 根气动肌肉的并联关节平台，如图1 2 5 所示，并对 关节平台的特性及控制进行了深入研究【5 1 1 。 嘎奠：冀，一一 ，宰洲榔。研7 剽 图1 2 4 七自由度仿人臂图1 2 5 气动肌肉驱动并联关节平台 华中科技大学的李宝型5 2 】将气动肌肉视为变截面积气缸进行建模，建立了单根气动肌 肉驱动带动负载运动的系统模型。 广东工业大学刘婧研制的下肢康复训练器包括膝关节和髋关节两部分，能帮助人实现 三个康复动作的训练。该机构由气动肌肉驱动，具有良好的仿生性和柔顺性【5 3 】。 此外，北京理工大学范伟【5 4 , 5 5 】等效仿人体手臂研制了七自由度气动肌肉机械手；上海 交通大学施光林【5 6 】等研制出了一种气动肌肉驱动的多自由度机器人平台，并对其非线性特 性做了深入研究；北京航天航空大学的宗光华【5 刀设计了一种人工肌肉加持机构，并对其控 制系统作了分析研究；浙江工业大学张立彬【5 8 】等研究的是气动柔性球关节以及其控制方 案。国内很多其它高校也都在研究气动肌肉及气动肌肉机器人，已经掀起了一股气动人工 肌肉研究热。 1 4 气动人工肌肉静态特性模型及驱动关节的控制方法研究现状 1 4 1 气动人工肌肉静态特性模型研究 目前最常用的是2 0 世纪9 0 年代中期，美国的c h o u 和h 锄a f b r d 【5 9 】从能量守恒的角度出 发，对气动人工肌肉的能量转化过程进行了模拟和分析，建立了气动人工肌肉理想模型。 9 浙江理t 大学硕士学位论文 另外，很多学者在c h o u 和h a n n a f o r d 的模型的基础上，提出了改进模型。 国p b k a n c h a n ac w 和t h a n a n c h a il 1 6 0 j 等通过实验拟合的方法得到了一种符合实际实 验值的模型，该模型加入理想模型的偏差因子，适应实际情况下产生的误差，能够很好的反 应气动肌肉的基本特性。 兰州理工的张远深【6 i 】等在原有模型的基础上加入误差因子，通过多次实验验证的方法 确定了该因子，得到一种符合实验数据的肌肉模型。 佳木斯大学的臧克江，王玉花【6 2 】等通过研究气动肌肉工作机理，建立了考虑端部有约 束的气动人工肌肉几何模型，能够更精确的描述其工作特性。 华中科技大学的李宝仁【6 3 】等将人工肌肉的工作过程分为等容充气、充气收缩、排气伸 长和等容排气，建立了完整的气动人工肌肉静动态特性数学模型。 哈尔滨工程大学的隋立明，张立勋1 6 4 】对气动人工肌肉的强度可靠性进行了研究，得出 一些设计和应用气动肌肉中应该注意的问题。 1 4 2 气动人工肌肉驱动关节控制方法研究现状 目前气动肌肉作为驱动器的使用方法最主要为模仿人类拮抗组织来对抗驱动关节。对 于肌肉的控制分为流量控制和压力控制。流量控制是通过高速开关阀以占空比的方式控制 肌肉内部的压力；压力控制则是直接通过比例压力阀的方式改变两根肌肉的压力，以压力 差的方式来实现关节的转动。 c a l d w e l ld 0 6 5 1 采用的是一种p i d 模糊整定的闭环控制方法，模糊控制器使用前馈控 制同零极点配置相结合的方法，减少了反应时间，提高了反应的精度；缺点是过程中存在 一定的压力波动。 m e d r a n oc e r d ag a 删设计了一种在线自适应的零极点控制器，能有效的抑制压力波 动，提高了控制的精度。 h e s s e l m i h ：、7 1 采用了训练神经网络的方法，对闭环跟踪响应采取模糊跟踪，取得了很好 的效果。 k o s u k a 6 8 1 将气动肌肉理想线性化，并采用增益自调整的方法解决了动态响应中外部 扰动及非线性性的问题。 日本则次俊郎和宇野元雄【6 9 】采用的是简单又经典的p 控制器，闭环跟踪控制取得了很 好的效果。 华中科技大学的杨钢【7 0 1 等进行的气动肌肉关节位置控制，采用的是基于c m a c 的神经 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 网络方法，控制精度相当高。 浙江大学的安育红等在简化气动肌肉的基础上，分析了系统在参数变化情况下的信 号跟踪效应，验证了变结构控制的可行性。 上海交通大学的阳社平【翻等运用零极点配置自适应预测控制、神经网络方法和非线性 逆系统控制用于实现一对气动肌肉自由度关节的快速、高精度位置控制。 另外，国内的其他高校也对气动肌肉驱动关节的控制方法进行了一定的研究，取得了 一些成果。但对很多问题仍然有待进一步研究。 1 5 论文的研究内容 本文的主要研究包括以下内容： ( 1 ) 首先对气动肌肉的发展及其结构原理进行分析，了解气动肌肉的特性及工作特 点，为后面对气动肌肉的应用打下理论基础。 ( 2 ) 气动肌肉静特性模型的建立一分析气动肌肉常用数学模型，并通过实验对比的 方法，提出一种新型气动肌肉的数学模型，使模型得到的气动肌肉与实验曲线相吻合，并 能够很好的反应气动肌肉本身的静态特性。 ( 3 ) 完成气动肌肉灵巧手的机构设计一运用三维造型软件参照人手的尺寸及机构功 能设计彩自由度气动肌肉灵巧手的结构。首先设计了手指及腕部的各关节，并依照人手尺 寸设计骨架；然后合理设计驱动方式，得到灵巧手的基本机构。该灵巧手要求具有较好的 仿生学特点，能够柔顺的实现各个关节的运动。 ( 4 ) 依据气动肌肉的驱动原理进行气动肌肉灵巧手关节运动的控制研究，其中包括 气路设计，硬件设计以及计算机软件驱动的设计。并通过关节的响应信号跟踪，验证控制 系统方法的合理性。 ( 5 ) 搭建气动肌肉灵巧手的实验平台，进行灵巧手手指及手腕各关节的运动控制实 验，验证灵巧手的可行性。 浙江理工大学硕士学位论文 第二章气动肌肉静态特性模型 气动肌肉灵巧手的研究关键在于气动肌肉驱动器的驱动原理的研究，即首先需要得到 气动肌肉的静态特性模型。本章在气动肌肉的基本构造及工作原理的基础上，分析对比了 气动肌肉静态特性常用数学模型。并在实验的基础上，对理想模型进行修正，得到一种新 的气动肌肉的静特性数学模型，通过对比发现，该拟合模型与实验数值吻合，能很好的反 应气动肌肉的静态特性。 2 1 气动肌肉简介 气动肌肉是一种直线驱动器，基于骨架腱肌肉的生物机理设计制造而成。内部的橡 胶套构成一1 、密闭的圆柱形橡胶空腔；橡胶管外围包裹纤维构成的编织网，编织网线之间 成一定的角度，能够在内部橡胶管膨胀形变时保护和限制其运动；两头通过接头密封连接， 从而在中间形成一个密封空间，其结构图如图2 1 所示。 f 、靠一一! 鼋。，：1 谚；o 蓦： 图2 1 气动肌肉结构简图 当橡胶管空腔内部气压发生变化时，气动肌肉径向产生形变，轴向伸缩变形，产生输 出力，工作示意图如图2 2 所示。 拉f 粤状态 怠由害嗒 收 拟枣 图2 2 气动肌肉工作示意图 气动肌肉与其他执行器相比，主要有以下特点： ( 1 ) 收缩位移大约在2 0 3 5 之间，与人类肌肉接近； ( 2 ) 重量轻、功率质量比很大； ( 3 ) 结构简单、系统设计方便、应用广泛； 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 无粘滑特性和爬行现象，可慢速运动； ( 5 ) 柔顺性好、空气消耗小、噪声低、使用安全。 当前气动肌肉的研究应用越来越广泛，正进入一个高潮阶段。 气动肌肉静态特性模型分析 2 2 1 气动肌肉一般性模型 气动人工肌肉( p m a ，以下简称气动肌肉) 根据人类肌肉运动原理设计，是具有人 类肌肉输出特性的柔性执行器，主要由橡胶管和编织网制成。 本文选用的m c k i b b e n 型气动肌肉，与普通气缸相比，具有自身的独特特性。一方 面，m c k i b b e n 型气动肌肉具有气动驱动器的一些一般特征，另一方面在力输出上又具有 自己的特性。普通气缸效截面保持恒定，只有气体压力一个变量，其输出力通过输入气缸 气体的压力一个参数就可以确定；m c k i b b e n 型气动肌肉的输出力并不是由一个变量确 定，而是需要通过有效收缩长度( 或外层纤维编织角) 以及气体压力两个主要因素来确定。 建立由输出力、输入气体压力和长度这三个参数组成的数学模型是对m c k i b b e n 型气动 肌肉进行驱动特性研究的前提。充分了解与掌握m c k i b b e n 型气动肌肉的工作特性以及 其与数学模型之间的相互关系，为基于气动肌肉机械手的设计、控制与改进提供理论依据 与设计参考。 对气动肌肉的静态特性的分析当前采用的建模方法主要有两种：第一种是利用能量守 恒定律建立数学模型；第二种主要是通过对气动肌肉的受力分析确立气动肌肉的工作特 点，建立数学模型。 2 0 世纪9 0 年代中期，美国的c h o u 和h a n n a f o r d 从能量守恒的角度出发，对气动肌 肉的能量转化过程进行了模拟和分析，建立了目前最常用的气动肌肉数学建模，其表达式 如式2 ( 1 ) 所示。 f = 石寺p ia ( 1 一占) 2 一bl 2 - ( 1 ) 其中口2 丽3，6 2 而1 ；f 为气动肌肉的静态输出压力；r o 为m c 飚b b e n 型气动 肌肉半径，即气动肌肉中心轴线与外围人工纤维编织网之间的距离；p 为气动肌肉内部的 气压；占为气动肌肉的收缩率。由于式2 ( 1 ) 在推导过程中忽略了气动肌肉端部影响、橡 胶弹性力、摩擦力等因素，与实际过程中所测得的气动肌肉特性值存在着较大误差。 浙江理工大学硕士学位论文 也有其他研究者在考虑气动肌肉内部摩擦力、橡胶弹性力以及肌肉端部摩擦力影响的 情况下对该公式进行了改进，建立了更完善的肌肉模型，如式2 ( 2 ) ： f = k p a ( 1 一s ) 2 - b 一只一e 2 - ( 2 ) 式中k 为气动肌肉端部影响的修j 下参数，e 为橡胶弹性力，e 为肌肉内部的摩擦力。 尼：喜f 丝黑n 2 - ( 3 ) 7 d 2 li2 7 c o s p + s i n 0 ， 4 驴啪鼢陇器 2 ( 4 ) c 叩砷吨) 扣训岛- 2 厨】嚣+ 2 厨 2 - ( 5 ) 尽管上式2 ( 2 ) 得出了较为完整的气动肌肉静态特性数学模型，但是由于气动肌肉的许 多结构参数例如纤维编织线与气动肌肉轴向的夹角0 、纤维线长度b 、纤维层的圈数n 、 气动肌肉橡胶管的弹性模量e 、气动肌肉橡胶管的壁厚t 、气动肌肉橡胶管和纤维编织网问 的摩擦系数等在实际应用过程中很难测得，这也大大限制了公式2 ( 2 ) 的可用性。在气动肌 肉的实际应用当中，需要建立更为合理可行的气动肌肉的数学模型。 2 2 2 气动肌肉静特性实验测试 为了建立一个合理的气动肌肉数学模型，本文选用f e s t o 公司生产的m a s 型肌肉进行 气动肌肉静态特性测试实验。其实验原理为：在保持气动肌肉内部压力为某个额定值不变 的情况下，通过外力改变肌肉长度，得到气动肌肉输出力与长度变化之间的关系。实验装置 基本结构图如图2 3 所示，测试台硬件组成如表2 1 示。 图2 3 气动肌肉静态特性试验台 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 1 气源2 减压阀3 压力表4 比例压力阀15 比例压力阀2 6 压力传感器1 7 压力传感器2 8 m c k i b b e n 气动肌肉9 位移传感器1o 拉力传感器1 1 负载气缸 依据上述原理，我们搭建了如图2 4 所示的气动肌肉静特性测试台。 1 负载气缸2 拉力传感器3 气动肌肉4 拉力传感器5 实验台 图2 4 气动肌肉静态特性测试实物图 气动肌肉静态特性测试的具体实验测试过程为： ( 1 ) 将气动肌肉及气缸固定于实验台上，人为调节气动肌肉和负载之间的距离，使 气动肌肉的长度处于不输出力的初始位置；打开空气压缩机，减压阀控制气压大小为额定 工作气压0 0 6 m p a ，比例压力阀控制供给气动肌肉及气缸内的气压大小。 ( 2 ) 通过数据采集卡向比例压力阀发送一个数字信号，数据采集卡的d a 模块转换为 比例压力阀识别的电压信号( 比例压力阀为电压与压力值呈线性关系) ，比例压力阀向气 动肌肉供给一个定值的气压，并保持不变； ( 3 ) 由零开始由小到大到向负载气缸加压。此时气缸膨胀向气动肌肉施加一个拉力， 处于收缩状态的气动肌肉在外力的作用下开始被拉伸，当气动肌肉回复到初始长度 时，停止向负载气缸加压，并缓慢减小气缸内部压力直至为零，至此为气动肌肉在额定压 力下静态特性的一个循环。在这个过程中，通过平行安装在气动肌肉两端的位移传感器以 及安装于气动肌肉一侧的拉力传感器分别记录下实验过程中气动肌肉的长度变化及输出 力的变化，两数据通过数据采集卡的a d 通道采集回计算机，得到该压力下气动肌肉长度 输出力的关系曲线。 ( 4 ) 调节比例压力阀电压信号大小，改变气动肌肉内部的压力大小并重复上述实验， 得到不同压力值下气动肌肉长度输出力关系曲线。将各压力值下气动肌肉长度输出力曲 线用m a t l a b 软件绘制于同一个坐标系下，得到气动肌肉的静态特性曲线，如图2 5 ( 为方便 看出输出力与长度变化之间的关系，将肌肉长度变化换算为气动肌肉的收缩率) 浙江理工大学硕士学位论文 表2 1 气动肌肉静态特性测试台硬件组成 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 图2 5 气动肌肉收缩率输出力关系曲线 由图2 5 中气动肌肉长度与输出力的关系曲线可知，随着肌肉内部压力的增加，曲