（机械电子工程专业论文）基于气动人工肌肉机械手的研制.pdf

浙江理t 大学硕十学位论文 摘要 目前机械手上较为普遍使用汽缸 虽然可以实现对操作位置和作用力的有效控制 但 是汽缸响应速度慢 柔顺性差 不适合应用在遥控操作 医疗和福利领域 用柔性执行器 气动人工肌肉为新型执行器构建机械手系统 特别是多自由度的平台 是气动方向一项新 的研究方向 本文针对这种趋势 结合当前研究现状 采用气动人工肌肉设计了一个柔性的机械手 本文的主要研究内容和创新点如下 1 通过对气动人工肌肉机械手的结构和运动机理研究 提出了柔性机械手的设计 方案 设计加工了机械手的机械结构本体 同时对气动人工肌肉机械手控制电 路系统和气路通路系统进行了设计 2 对如何控制气动人工肌肉机械手进行了分析 并自行通过v i s u a lb a s i c 编程软 件设计控制软件 能够正确 稳定地完成机械手的过程控制 数据处理 数据 显示 分析和结果输出等功能 能够实现机械手的转动伸缩功能 3 为了深入地研究气动人工肌肉的驱动特性 本文对m c k i b b e n 气动人工肌肉的驱 动特性进行了研究 建立了气动人工肌肉力f 压强p 和收缩率e 三者之间的 关系表达式 接着在对机械手工作情况的深入研究基础上 建立了p 和口的简 化模型 将气动人工肌肉工作情况分成四个阶段 并进行动力学分析 4 在对机械手驱动特性进行理论研究的基础上 开展了实验研究 通过已经建立 的柔性气动人工肌肉机械手实验台 运用计算机进行测量和控制工作 得出了 开环控制的机械手的气动人工肌肉压强差和机械手手腕角度口之问的关系 同 时对比例压力阀的电压压力特性进行了实验分析 最后本文对气动人工肌肉机械手的进一步研究内容进行了分析和展望 关键词 气动人工肌肉机械手 塑垩望三查堂堡主堂堡堡茎 t h ed e s i g no fm a n i p u l a t o rb a s e do np n e u m a t i cm u s c l ea c t u a t o r a b s t r a c t c y l i n d e ri sc o m m o n l yu s e di nm a n i p u l a t o rn o w a d a y s i tc a l la c h i e v et h ee f f e c t i v ec o n t r o l t oo p e r a t i o n a ls i t ea n do p e r a t i n gf o r c e b u tt h er e s p o n s es p e e do fc y l i n d e ri ss l o w a n di t s c o m p l i a n c ei sp o o r i ti s n o ts u i t a b l ef o rt h er e m o t ec o n t r o l m e d i c a lt r e a t m e n ta n dw e l f a r e f i e l d s u s i n gf l e x i b l ep n e u m a t i ca c t u a t o rp m a p n e u m a t i cm u s c l ea c t u a t o r a san e wt y p eo f a c t u a t o ra n dc o n s t r u c tm a n i p u l a t o rs y s t e m i np a r t i c u l a r t h em u l t i p l ed e g r e e so ff r e e d o m p l a t f o r mi sa n e wr e s e a r c hd i r e c t i o no fg a sd y n a m i c s i na c c o r d a n c ew i t ht h i st r e n da n dc u r r e n ts t a t u s af l e x i b l em a n i p u l a t o rw a sd e s i g n e du s i n g p m a t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n di n n o v a t i o np o i n t si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s 1 b a s eo nt h er e s e a r c ho fs t r u c t u r ea n dm o t i o nm e c h a n i s mo ft i f f sp m am a n i p u l a t o r ad e s i g n s c h e m eo ff l e x i b l em a n i p u l a t o rw a sp r o p o s e d t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h em a n i p u l a t o r w a sd e s i g n e d w h i l et h ec o n t r o lc i r c u i t r ys y s t e ma n dg a sc i r c u i ts y s t e ma r ea l s od e s i g n e df o r t h i sp m a m a n i p u l a t o r 2 a n a l y z i n gh o wt oc o n t r o lt h ep m am a n i p u l a t o r u s i n gv i s u a lb a s i cp r o g r a m m es o f t w a r et o d e s i g nc o n t r o ls o f t w a r e i tc a nr e a l i z et h ep r o c e s sc o n t r o l d a t ap r o c e s s i n g d a t aa n a l y s i sa n d r e s u l t so u t p u tf u n c t i o n sa c c u r a t e l ya n ds t a b l y t h em a n i p u l a t o rc a nr e a l i z et h er o t a t i o na n d s t r e t c h i n gf u n c t i o nw i t ht h i sc o n t r o ls o f t w a r e 3 f o ra ni n d e p t hs t u d yo ft h ed r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp m a t h ed r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m c k i b b e np m ai ss t u d i e di n t h i st h e s i s t h er e l a t i o ne x p r e s s i o nb e t w e e nt h es t r c n g t hf p r e s s u r epa n dc o n t r a c t i o np e r c e n t a g e so f p m ah a sb e e ne s t a b l i s h e d t h e nd e p e n do nt h e i n d e p t hr e s e a r c ho fw o r ks i t u a t i o no ft h i sm a n i p u l a t o r as i m p l i f i e dm o d e lo f pa n dah a s a l s ob e e ne s t a b l i s h e d t h ew o r ks t a t eo fp m aa r ed i v i d e di n t of o u rs t a g e s e a c hs t a g eh a v e b e e na n a l y z e dw i t hd y n a m i c s 4 o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a ls t u d yo fd r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm a n i p u l a t o r t h e e x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u t o nt h eu s eo fe s t a b l i s h e dp m am a n i p u l a t o rs y s t e m w i t ht h ec o m p u t e rh a n d l et h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l t h i st h e s i sr e a l i z e dt h eo p e n l o o p 浙江理工大学硕士学位论文 c o n t r o lo fm a n i p u l a t o r t h ee x p e r i m e n t a lr e l a t i o nb e t w e e np m ap r e s s u r ed i f f e r e n c ea n d w r i s ta n g l e 口h a so b t a i n e d m e a n w h i l e t h ee x p e r i m e n to fp r o p o r t i o n a lp r e s s u r ev a l v eh a s b e e nc a r r yo u t w h i c ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f v p v o l t a g e p r e s s u r e f i n a l l y t h ef u r t h e rs t u d yo f p m a m a n i p u l a t o ri sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d k e yw o r d s p n e u m a t i cm u s c l ea c t u a t o r m a n i p u l a t o r 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 我恪守学术道德 崇尚严谨学风 所呈交的学位论文 是本人在导师 的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已明确注明和引用的内容外 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容 论文为本人亲自撰 写 我对所写的内容负责 并完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 金怨 日期 沙0 7 年3 月2 r 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 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 允许论文被查阅或借阅 本人授权浙江理工 大学可阻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 学位论文作者签名 保密口 在 不保密口 釜磐 日期 认d 1 年3 月 j 日 年解密后使用本版权书 厶 指导教师签名 拿 i 劳 日期 啊年于月彩日 浙江理丁人学硕 学位论文 1 1 气动人工肌肉概述 第一章绪论 自2 0 世纪6 0 年代第一台实用的工业机器人诞生以来 在短短的4 0 年间 机器人技 术经历了可编程序机器人 自适应机器人的发展阶段 正向着智能机器人方向发展 然而 目前的机器人仍然采用传统电气驱动的马达或气缸作为执行元件 它们结构复杂 体积庞 大 由此组成的机器人己暴露出许多明显的缺点 如输出力与自重比过小 效率低 难以 完成灵巧动作和高速步态等 可以说目前采用的执行元件己经限制了智能机器人的发展和 扩大应用 新颖 有效的驱动器的研究 开发及应用 是机器人技术研究的重要方向 一直受 到人们的关注 近年来 随着新材料 微细加工等技术的引入 出现了各种形式的新型驱 动器 如静电型 压电晶体型 形状记忆合金型和气动型等 各种驱动器具有不同的驱动 原理和各自的驱动特点 可用于各种各样的场合 其中 一类基于生物肌肉运动原理而设 计开发出来的驱动器 气动人工肌肉 近年来得到了广泛的研究与应用 同时也出现了各 种不同的名称 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 数字肌肉 d i g i t a lm u s c l e 空气压肌肉 a i rm u s c l e 橡胶驱动器 r u b b e ra c t u a t o r 人工筋 等 本文采用 气动人工肌肉驱动器 p n e u m a t i cm u s c l ea c t u a t o r 的称呼 简称为p m a 0 1 但到目前为止 p m a 中只有日本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 德国f e s t o 公司生产的f l u i d i cm u s c l e s 英国s h a d o w 公司生产的a i rm u s c l e s 得到比较广泛的推 广和应用 1 由于这3 种气动肌肉都是以m c k i b b e n 肌肉为原型进行设计的 被统称为 m c k i b b e n 气动肌肉 气动人工肌肉作为一种新型的拉伸执行元件 它模仿自然肌腱的运动 与常规气缸 相比 它有很大的初始拉伸力 当收缩运动时力减小 这使得它可以获得很大的加速度同 时又可以平稳地达到目标位置 气动肌腱的结构十分简单 一段加强的纤维管两端由连接 器固定 没有运动的机械零件和外部摩擦 3 利用p m a 丌发的气动机械手具有结构简单 紧凑 价格低廉 安装简便 压力等级 低 排气处理简单 输出力及工作速度的调节非常容易 响应快 可靠性高 可实现极慢 速运动 重量轻 输出力大 柔顺性好 安全性能高等优点 并且用空气作为驱动源 不 l 浙江理 大学硕十学位论文 污染环境 1 1 2 气动人工肌肉 1 2 1 气动人工肌肉的历史 2 0 世纪3 0 年代 俄国发明家s g a r a s i e v 首先提出气动人工肌肉的概念 到了5 0 年 代 美国医生j o s e p h l m c k i b b e n 发明了一种以其名字命名的气动人工肌肉 即m c k i b b e n 肌肉 1 早期的设计者首先对液压驱动方式作了周密详尽的考虑 但是由于人工肌肉的主 要特性是它的膨胀和变形 在轴向能够收缩产生拉力 同时它还应具有柔顺性 因此 人 工肌肉的材料和工作压力受到了一定的限制 最大工作压力范围为5 0 0 8 0 0 k p a 不能太 高 在此压力范围内若采用液压驱动 执行元件的功率 重量比值太低 实际上液压驱动 的方式是不理想的 所以人们以后设计流体驱动的人工肌肉时多采用压缩空气作为工作介 质 由于早期它总是带着一个又大又重的c 0 2 储气罐和气动技术上的一些原因 六十年 代后它被电机所取代 8 0 年代 由于德国和r 本气动公司的努力 推出优秀的气动驱动 装置r u b b e r t u a t o r 和f l u i d i cm u s c l e s 气动人工肌肉开始重新得到世界上专家学者和厂家 的注意 并陆续被应用到很多领域 得到了广泛的应用 1 1 2 2 气动人工肌肉的分类 按结构形式可以将气动人工肌肉分为三类 编织式人工肌肉 网孑l 式人工肌肉和嵌 入式人工肌肉 编织式人工肌肉 编织式人工肌肉主要由气密弹性管和套在它外面的编织套组成 如图1 1 所示 编织套 气密弹性篱 图1 l 编织式人工肌肉 编织纤维沿与肌肉轴线成一定角度 0 和一e 编织 纤维丝是螺旋缠绕在气密 弹性管上 纤维丝与肌肉轴线所央的锐角称为编织角 当气密弹性管内加压时 气密弹性 2 浙江理i 大学硕十学位论文 管在内压的作用下发生变形 带动编织套一起径向移动 编织角增大 编织套轴向缩短 拉动两端的负载 与此同时编织套的纤维丝产生拉力 此拉力与气密弹性管内压相平衡 由于此种肌肉是由气密弹性管推压编织套来工作的 因此 这种肌肉不能在负压下工作 1 m c k i b b e n 肌肉 m c k i b b e i l 肌肉是当丽使用最广泛的一种气动人工肌肉 本文中使用的也是这种 现有公开发表的文献中关于它的介绍也最多 它是筒状编织结构 内部的气密弹性管两端 部和编织套的两端部一起与两端的连接附件相连 两端的附件的功能不仅用于传力 而且 也起密封作用 m c k i b b e n 肌肉采用的典型材料是橡胶和尼龙纤维 最大容积时编织角达 到最大 0 5 4 7 要想继续增大编织角 只能对肌肉两端在轴向进行压缩 但肌肉 的抗弯能力很差 是不稳定的 所以 气动人工肌肉只能承受拉力载荷 不能承受压力载 荷 当肌肉被拉伸时 编织角将达到一个最小值0 n 此值由纤维的直径 纤维丝编织 的疏密程度以及端部连接附件的直径等来决定 拉力大小受摩擦因素和橡胶变形的影响 摩擦包括编织套与气密弹性管之问的摩擦 纤维丝与纤维丝之间的摩擦 摩擦与橡胶的非弹性变形使肌肉表现出迟滞和压力死区 使 肌肉产生径向变形的初始压力不同 而弹性变形将减小有效拉力 m c k i b b e n 肌肉的功率 重量比很高 1 9 9 3 年c a l d w e l l 等人的研究结果为 范围从压力 在2 0 0 k p a 时的1 5 k w k g 到压力为4 0 0 k p a 时的3 k w k g 1 9 9 5 年h a n n a f o r d 等人的研究为 5 k w k g 1 9 9 0 年h a n n a f o r d a n 和w i n t e r s 研究甚至达到了1 0 k w a k g 2 套囊肌肉 这种肌肉的气密弹性管两端是封闭的 呈球囊状 且不与两端的连接附件相连 整 个气密弹性管处于浮动状态 只有编织套两端与两端的连接附件相连 传递拉力 承受负 载 这种结构意味着气密弹性管不承受负载产生的拉力 但是 在肌肉收缩过程中 橡胶 薄膜仍要储存一部分变形能 从而减小了肌肉的输出力 这种肌肉的优点是安装相当容易 网孔式人工肌肉 网孔式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 编织式肌肉的 编织套比较密 而网状肌肉的网孔比较大 纤维比较稀疏 网是系结而成的 因此这种肌 肉只能在较低的压力下工作 网状肌肉可分以下几种 1 y a r l o t t 型肌肉 这种肌肉是y a r l o t t1 9 7 2 申请的美国专利 现已公丌 它由一个长圆形的弹性球 外 面是粗纤维编织成的网 有经线和纬线 外形呈辐射状 在充分膨胀状态下呈椭球状 当 承受负载力时外形出现峰谷形状 表面积基本保持恒定 但随着肌肉的膨胀 表面积出现 3 浙江理 人学硕十学位论文 重新分布 由于表面积拉伸变形较小 所以更多的气压能转换成机械能 如果完全拉伸的 话 径向的纤维将能承受无穷大的拉力 但由于材料的原因 这是不可能的 y a r l o t t 肌肉 只能在低压下工作 y a r l o t t 给出的值为1 7 k p a 2 r o m a c 肌肉 r o m a c 是r o b o t i cm u s c l ea c t u a t o r 的缩写形式 是机器人肌肉驱动器的意思 这种 肌肉由g i m m e g a 和m k u k o l j l 9 8 6 设计的 i m m e g a 和k u k o l j 于1 9 9 0 年获美国专利 肌肉做成鞘壳状 它具有高强度 柔顺性好和气密性好等特点 织网由不能伸长但易 弯曲的粗纤维做成 节点处为四面钻石形 当肌肉径向膨胀 轴向收缩时 封闭体积发生 变化 鞘壳的面积不变 由于鞘壳的材料抗拉强度很高 这种肌肉可在高压下工作 工作 压力可达到7 0 0 k p a 工作负载达到1 3 6 0 0 n 收缩率达到5 0 3 k u k o l j 肌肉 这种肌肉是k u k 0 1 j 1 9 8 8 年申请的美国专利 与m c k i b b e n 肌肉结构相似 主要差别 在于它们的编织套 m c k i b b e n 肌肉的编织套编织的比较紧密 而k u k o l j 肌肉是网孑l 较大 的网 而且在自由状态下网与膜之间有一个间隙 只有在较大膨胀时这个l 日j 隙才会消失 嵌入式人工肌肉 正如前面提到的那样 这种肌肉承受负载的构件 丝 纤维 是嵌入到弹性薄膜罩的 这类形式的肌肉多以发明人的名字来命名 1 m o f i n 肌肉 这是一种较早的气动人工肌肉 由m o f i n1 9 5 3 年设计的 这种肌肉的承载构件 丝 纤维 嵌入到弹性薄膜罩 它使用的纤维的强度很高 一般为棉线 人造丝 石棉或钢丝 等 纤维丝可以沿轴向御置 也可以左右旋双向螺旋缠绕 由两相材料制成的弹性管两端 固定在两端附件上 两端附件起密封及承载作用 它的工作介质可以是空气 水 油 甚 至水蒸汽 2 b a l d w i n 肌肉 这种肌肉是b a l d w i n1 9 6 9 在m o f i n 肌肉的基础上设计的 它由很薄的弹性薄膜 在 弹性薄膜内轴向布置玻璃丝 这样 弹性薄膜在轴向的弹性模量要比在周向的弹性模量大 由于去除了摩擦 再加之弹性膜很薄 所以 这种肌肉与编织肌肉相比有较小的迟滞 和较低的压力死区 但这种肌肉膨胀时径向尺寸相当大 工作压力低 b a l d w i n 在1 9 6 9 年实验时 压力为1 0 1 0 0 k p a 输出力为1 6 0 0 n 连续工作寿命为1 0 0 0 0 3 0 0 0 0 循环 3 负压工作的人工肌肉 u p a m u p a m 是u n d e r p r e s s u r e a r t i f i c i a l m u s c l e 的缩写 意思是由负压驱动的人工肌肉 它 4 浙江理一i 大学硕十学何论文 的结构与m o r i n 肌肉相似 工作时 弹性管内的空气从气孔吸出 管内产生负压 在大气 压的作用下弹性管径向收缩 从而引起轴向收缩 由于最大负压值为 1 0 0 k p a 所以这种肌 肉的驱动力不大 4 p a y n t e r 双曲面肌肉 双曲面肌肉是p a y n t e r 设计的一种肌肉 1 9 8 8 年申请了美国专利 它的外形是回转双 曲面 编织丝嵌入在弹性薄膜中 编织丝笔直地连接在两端的附件上 所以形成了回转双 曲面 同时 自由状念下肌肉的长度是最大值 当充气时 肌肉的外形接近于球形 编织 丝的材料可以是会属丝 合成材料等 此种肌肉可由压缩空气驱动 也可由液压油驱动 膨胀的直径可达到两端附件直径的二倍 最大收缩率约为2 5 1 3 国内外研究现状和发展趋势 在国外 虽然于2 0 世纪6 0 年代日本就有将气囊式人工肌肉应用于二足步行机器人 的尝试 但对气动人工肌肉真正引起重视 并进行系统的研究工作是在2 0 世纪9 0 年代以 后 因此 目前关于气动人工肌肉方面的研究尚处在起步阶段 气动人工肌肉的广泛使用与现代机器人技术的发展有密切联系 生物机器人 b i o r o b o t i c 的研究一直国内外气动人工肌肉研究的重心 美国华盛顿大学生化机器人实验室的k l u t e 教授在气动人工肌肉方面颇有研究 他设 计的一种由气动人工肌肉驱动的假肢装置 能模拟正常人的步伐 带动假肢上的踝关节 运动 从而帮助截瘫患者在行走时减少能量损耗 使他们走的更快更轻松 其外观结构如 图i 2 所示 图1 2 气动人工肌肉假肢装置图1 3h u t o p o d 六足行走机器人 1 美国六足行走机器人a u t o p o d0 3 3 上也采用了气动人工肌肉 这是首次将柔性气动 5 浙江理 大学硕十学位论文 执行元件应用于行走机器人5 1 如图1 3 所示 它主要被设计用束在危险环境下工作 比如地震或爆炸后在危楼中寻找幸存者 以及在易燃易爆气体勘探 英国s a l f o r d 大学的c a l d w e l l 等采用气动人工肌肉研制下一代机器人系统 他们 采用1 8 根气动人工肌肉设计了四手指机械柔性手 机械柔性手拇指具有3 个自由度 其它3 个手指具有2 个独立自由度和1 个关联自由度 可实现并拢和手指弯曲动作 图1 4a i r b u g 日本的y o k o h a m a 国立大学研制开发了一种采用p m a 人工肌肉的柔性机械手 按其手 指的数量可分为四指柔性机械手 五指柔性机械手两类 四指柔性机械手能实现讵 逆时 针旋转动动作 五指柔性机械手比较灵巧 可以握持轻巧易碎的物品 例如它可以拿起一 个水果 嘲 2 0 0 0 年 在汉诺威博览会上 德国卡尔斯鲁厄大学展出所设计的六足气动爬行机器 人a i r b u g 如图1 4 所示 该机器人有六条腿 每条腿有3 个自由度 用4 8 根f e s t o 公 司生产的长3 1 1m i l l 直径为2 0m m 的f l u i d i cm u s c l e s 驱动 机器人身长1 3m 宽1 8 m 高0 4 m 自重2 8 k g 载重2k g 爬行速度为1m s 其足底配备两种不同的脚 一种为 橡胶球 用于行走 另一种为吸盘 用于爬升 英国索尔福德大学设计了具有人形的两足气动机器人 该机器人与真人大小一般 整个机器人使用质量轻 且具有高强度和韧性的g r p 复合材料构成 其手臂有7 个自由度 总重量只有2 1 公斤 1 日本冈山大学用四块r u b b e r t u a t o r 构建了一个两自由度的理疗机器人 由于理疗机 器人要与人身体接触 所以要求它必须具有一定的安全性和柔顺性 并且可以针对病人的 身体状况 改变刚性 从而提供不同的理疗方式 在国内 我国在p m a 方向的研究起步较晚 在使用气动人工肌肉即p m a 方面做的研 究不多 一般仅限于理论的研究 其工作开始于8 0 年代末9 0 年代初 上海交通大学根据 m c k i b b e n 型p m a 建立了一个基于弹性力学的新型串联模型 北京理工大学s m c 气动中 浙江理 大学硕b 学位论文 心对气动人工肌肉驱动器在六足步行机器人中的应用进行了研究 同时他们对气动人工 肌肉驱动球面并联机器人也做了研究 浙江大学对气动人工肌肉伺服平台的建模也进行 了一定的研究 3 浙江工业大学对基于气动柔性驱动器的气动柔性关节及其应用进行了研 究 南京理工大学对m c k i b b e n 气动人工肌肉及在爬升和爬行机器人中的应用进行了研 究 1 郑州大学对气动人工肌肉驱动的类人关节进行了研究 1 哈尔滨工业大学对气动肌 肉驱动人工关节进行了建模研究 此外华中科技大学对气动人工肌肉系统控制性能也做 了实验研究n 随着现代气动技术在工业自动化领域的广泛应用 气动人工肌肉作为一种崭新概念 的气动执行元件也越来越受到气动技术界的重视 2 0 0 0 年 f e s t o 公司推出了m a s m u s c l e a c t u a t o rs i n a l e 仿生气动人工肌肉系列以及相应的应用解决方案 正式宣告气动人工肌 肉成为一种标准的气动执行元件 其应用范围可以被推广应用于工业自动化 注塑加工 潜水器以及健身器材等众多领域 而不再仅仅局限于仿生机器人o 1 4 本课题研究的意义 现如今很多企业广泛使用的驱动装置 功能也很完善 但是由于使用汽缸的缘故 其 体积庞大 结构复杂 力大而灵活性差 不能够应用于对灵活性和体积大小有较高要求的 场合 随着技术的发展 已经可以生产出小尺寸的机械零件 再按照大型机械的驱动装 置结构 将这些小尺寸的零件组成微型驱动装置 虽然可以减小体积 但是由于机构上的 限制 其灵活性还是不够理想 1 同时 老龄化已成为全世界面临的一个难题 对人口庞大的中国来说 尤其是难题 于是在医疗和福利领域 人们迫切需要寻找一种新型的机器人技术做的助手设备 这种设 备必须有安全操作性 灵活性和人类友好性 而气动人工肌肉因为它的柔性和轻盈 使得 它对人类来说相比其他的驱动器更安全 这样在一些接触性的任务中它更适合人类使用 基于气动肌肉的机械手可以操作建筑机械工作 这样就可用于灾害的恢复工作 比如 城市大地震灾害的清理工作 泥石流灾害后的清理工作 对污染敏感的行业等等 出于远 端控制机械手运动来操作机械运动 所以能够保证操作员的安全 因此 气动人工肌肉以其良好的灵活性 简单的结构 柔性和轻盈等等优点 萨在日 益成为各国研究人员研究的一个热点领域 这也是本项目的意义所在 浙江理 大学硕士学仿论文 1 5 论文的主要内容 本文主要工作是基于气动人工肌肉的机械手的研究 最终实现对机械手的控制 论 文的具体研究内容如下 第二章系统方案设计 对以气动人工肌肉作为驱动器的机械手的整体设计规划的研究 从选取气动人工肌肉 的型号丌始 选择一系列机械手所需部件 同时对气动人工肌肉机械手的控制进行研究 包括单个p m a 和多支p m a 的研究 并设计控制软件 可以利用软件各种模块 通过改 变输入气动人工肌肉的气压压强来控制气动人工肌肉的收缩 最后实现控制机械手的动作 功能和实现对机械手的监控功能 第三章气动人工肌肉静态特性研究与运动学分析 本章首先对m c k i b b e n 人工肌肉的驱动特性进行研究 对气动人工肌肉的力f 与压强 p 和收缩率e 的关系进行了简单的分析 得出了关于三者之间的表达式 得到了理想情况 下的气动人工肌肉的数学模型 接着在对机械手工作情况进行深入研究 将气动人工肌肉工作情况分成四个阶段 并 进行动力学分析 第四章气动人工肌肉的实验研究 利用前面章节得到的模型和控制方法 并继续对机械手驱动特性进行理论研究的基础 上 开展了实验研究 得出了开环控制的机械手的气动人工肌肉压强差和机械手手腕角 度口之问的关系 同时对比例压力阀的电压压力特性进行了实验分析 实验表明 本文所 设计的实验台可实现 1 0 的转动角度 第五章总结与展望 根据已完成工作和不足 对未来继续研究的方向进行展望 1 6 本章小结 本章叙述了气动人工肌肉的历史 对气动人工肌肉的分类进行了阐述 同时对国内外 研究现状和发展前景进行了分析 指出了本课题选题的意义 最后对本课题的研究内容做 了概括说明 浙江理i t 大学硕 学侍论文 第二章系统方案设计 在机械手的结构设计中 手腕关节的设计至关重要 手腕关节需要实现转动功能 本 章对气动人工机械手的机构原理进行研究 并设计实验平台 将气动人工肌肉应用于气动 人工肌肉机械手中 2 1 气动人工肌肉结构与工作原理 本文使用的气动入工肌肉采用f c s t o 公司的m a s 一2 0 1 9 3 n a a m c o 如图2 1 所示 图2 1f e s t o 气动人工肌肉 其各种技术指标如表2 1 所示 2 3 规格指标 m r s 一2 0 一1 9 3 n h am c 一0 t 作介质干燥的乐缩空气 润滑或朱润滑 产品结构高强度纤维收缩系统 安装方式与f e s t o 公司m x a d t 1 0m 1 0 x1 2 5 和m x a c r 1 6m 1 6 x 1 5 连接 最人输出力 1 2 0 0 n 长度 1 9 3 m m 最人供给气压 6 b a r t 作温度范围范闱 5 6 0 收缩2 0 额定k 度 重复精度 3 颥定k 度 直径扩张6 b a r 时人约为4 3 m m 滞后 未充气状态 b 充气状态 图2 2 工作示意图 由图2 2 可以知道 当气动人工肌肉未充气时 它处于自 然状念 橡胶管长度最长 如 a 所示 当气动人工肌 肉充气后 它径向收缩 轴向膨胀 产生收缩力 气动人工肌肉的剖视图如图2 3 所示 气动人工肌肉的气 流可以由两个方向的任何一个方向流进 另一个方向流 出 也可以在一个方向流进 流出 本文设计中 采用一 侧流进 流出 气动人工肌肉属于低压型气动产品 它对气源提供的压缩 空气的压力有一定的要求 具体要求详见表2 1 另外 由于气动人工肌肉要求压缩空气清洁干燥 因此在设计气 动通路时 要附加气动三联件装置 纤维网 图2 3 气动人工肌肉的结构 2 2 气动人工肌肉机械手的结构设计 人的腕关节非常灵活 这与手腕处的肌肉结构是密不可分的 人的手腕处肌肉有很多 对肌腱 这样人的手腕可以进行屈与伸 内转与外转等各种动作 从而使手腕可以完成各 种复杂的任务 从图2 4 可以看出 分别在腕关节左侧和右侧的肌腱对腕关节的运动有密 切相关 腕关节的运动离不开这些肌腱 本文在设计柔性气动人工肌肉系统时 只设计了 手腕关节到肘关节部分 同时 本文设计的腕关节可以实现上下和左右的旋转 但本文仅 对左右旋转进行分析 l o 浙江理 大学硕士学位论文 图2 4 人体腕关节系统的生理结构 本文中的机械手系统 它的设计示意图如图2 5 所示 其中相对腕关节而言 左右各 有两个气动人工肌肉 并对称放置 此机械手系统可以实现腕关节的转动和腕关节与肘关 节之间的移动 肘关节 2 4 气动人工肌肉1 2 3 4 1 3 图2 5气动人工肌肉机械手设计示意图 图2 6 气动人工肌肉机械手机械结构图 1 1 腕关节 连接轴 浙江理l 人学硕士学位论文 从图2 6 可以看出 柔性气动人工肌肉机械手系统具体构建方式为 将肘关节固定为 财基座 腕关节是可滑行并且可以转动 p m a 跨接于手腕关节和肘关节上 实现了肘关 节和腕关节的力的联系 通过p m a 对腕关节产生转矩的作用 柔性气动人工肌肉机械手的具体运动情况为 左侧气动人工肌肉l 和2 一起运动 右 侧气动人工肌肉3 和4 一起运动 当l 2 相对于腕关节的力矩大于3 4 相对于腕关节的 力矩时 腕关节做左转的动作 反之 腕关节做右转的动作 气动人工肌肉机械手的机械结构部分包括以下部分 1 手腕部分 包括手腕块 手腕块连接方块 手腕处转换块 2 p m a 部分 包括与手腕手肘接触的f e s t o 公司产品 3 手肘部分 包括手肘上块与手肘下部 4 平台部分 包括支架 支架平台 垫脚片 详细参考附录 2 3 气路通路设计 本文采用的气动人工肌肉是一种低压气动执行器 由表2 1 可以看出 它的供气气压 最大不能超过6 b a r 否则将极有可能发生损坏 同时气动系统也必须考虑安全性的问题 因此 气路通路的设计必须遵守以下原则 4 0 l 整个系统的最大工作压力和气动人工肌肉的最大工作压力不能超过6 b a r 空气压缩机输出的气体必须经过气动三联件处理 确保输出的空气清洁无油 互则 将会腐蚀气动人工肌肉 影响气动人工肌肉的 f 常使用 气路通路的设计图如图2 7 所示 2 3 1 空气压缩机 本系统采用的空气压缩机是日豹的v 0 1 7 7 排气压力0 7 m p a 排气量0 1 7 m 3 r a i n 功率1 5 k w 2 3 2 气动三联件 气动三联件是气动系统不可缺少的辅助装置 其作用在于将压缩空气中的油和水分离 出来 从而保证供给气动人工肌肉的压缩空气清洁干燥 达到保护气动人工肌肉的目的 本系统采用的是f e s t o 公司的f r c 一1 4 一d m i n i 浙江理f 人学硕士学位论文 1 气动三联件2 气源3 减压阀4 管接头5 手肘6 手腕 7 气动人工肌肉8 比例压力阀9 电磁阀1 0 消声器1 1 气压传感器 图2 7 气路通路 2 3 3 其他气动元件 减压阀安装在气动三联件之后 采用f e s t o 的l r 1 4 一d m i n i 通过减压阀的减压作 用将气动回路中的压力调整到合适压力 可避免输入的压力过大而损坏器件 比例压力阀采用s m c 的v y l l 0 0 一o l 比例压力阀的作用是控制气压输入 从而可以 控制输入到气动人工肌肉中的气体压力 电磁阀采用s m c 公司的v t 3 0 7 5 g 一0 l 电磁阀的作用是控制气动人工肌肉排气 一目i k j l扣 一 i r1擂l一 殳l珥烈 j 一 一 一 一 1 浙江理1 人学硕十学何论文 2 4 机械手的电路系统设计 图2 8 系统电路设计流程图 本系统的电路设计流程图如图2 8 所示 这里的数据采集卡表示数掘采集卡和端子板 的整体 有两条线 一条是模拟信号输 k 输出引线 一条是丌关量输入 输出及8 2 5 4 接 口引线 2 4 1 系统组成 本系统采用的数据采集卡是阿尔泰u s b 2 0 1 3 它的具体性能指标如表2 2 模拟蕈输入1 6 路单端或8 路般端输入 a d 采样率 1 0 0 k h z a d 通道 1 6 路 1 2 b i t d a 通道4 路 1 2 b i t 模拟输入电压范围 5 v 4 1 0 v o 1 0 v 模拟输出电厍范围 5 v 4 1 0 v 0 1 0 v o 5 v 数字量输入 1 6 数字量输出 1 6 2 4 2 接口电路 表2 2 数据采集卡性能指标 电路设计图共分为电路设计图1 电路设计图2 电路设计图3 包括全部整体的电 路线路安排 电路设计图1 主要是从整体角度观察电线排布 电路设计图2 是从电源角度 2 4 v 5 v 观察电线集点 即多根电线汇集点 电路设计图3 是从电磁阀驱动电路角度 观察电线排布 图中所示的数字代表线路 总共有3 6 条线路 均用标签标志 以下会有 一张表格说明线路 浙江理i 人学硕士学位论文 d a l 2 4 v 一1 比例压力阀l 一3 2 4 v 里一 7 一 一比例压力l l l 4 2 8 1 y i j 1 d a 2 厂一一 1 1 4 2 4 v 电磁阀接口电路 一 了i j 电磁阀1 d a 3 一 q j t2 4 v 一 一 1 j j 电磁阀2 h 0 2 l 一 1 丽司1 一 z oi2 4v 气压传感器 l 一列 图2 9 电路设计图i 2 3 2 4 v 图2 1 0 电路设计图2 1 5 数据采集 浙江理t 大学硕十学付论文 本系统采用数掘采集卡驱动 由于数据采集卡i o 通道的最大下拉电流2 0 m a 本课 题设计中 开始是由数据采集卡i 0 通道直接控制继电器 然后继电器控制电磁阀工作 但是继电器工作需要的电流很大 很明显 无法直接使用数据采集卡i o 通道来控制继电 器开关 在数据采集卡i o 口与电磁阀之间必须设计一个电磁阀丌关电路 使电流得到匹 配 电磁阀丌关电路如图2 1 1 所示 电磁阀工作的电源电压是2 4 v 一1 5 r 1 0 其内 阻为1 2 2q 继电器采用h k e 的h r s 4 h s d c 5 v 其工作电压是5 v 数掘采集卡i o 通道控 制对电流要求比较低的三极管 三极管采用c 9 0 1 3 i o 通道电压的变化控制三极管接通 与关闭 三极管接通与关闭来控制继电器外接电源 5 v 的接通与关闭 从而控制继电器 的接通与关闭 最终达到控制电磁阀的目的 g n d 图2 1 1 电路设计图3 下面表格2 3 是对线路 线路所在范围和作用的说明 可供查找使用 6 浙江理i 大学硕十学位论文 罂 线路 线路所在范围 一 作瞒一 1 2 4 v 电源 比例阀1比例j k 力阀12 4 v 电源线 2d a 0 比例f l l 4 1比例压力阀1 信号线 3比例阀l 一 地比例压力阀1 接地 4 接口电路 电磁阀1电磁阀l 止极 5电磁阀1 地电磁阀1 负极 6 2 4 v 电源一比例阀2 比例压力阀22 4 v 电源线 7 d a l 比例阀2比例压力阀2 信号线 8 比例阀2 地比例压力阀2 接地 9 接口电路 电磁阀2电磁阀2 止极 1 0 电嵫瓶j 2 一地 电磁阀2 负极 l l d a 2 接口电路数据采集膏模拟信号控制电磁阀l 1 2三极管 接地接地 1 3 5 v 电源 继电器提供继电器r 作电压 1 4 2 4 v 电源 继电器 2 4 v 1 5 d a 3 一接口电路 数据采集i 模拟信号控制电磁n 2 1 6二极管 接地 接地 1 7 2 4 v 电源 继电器 2 4 v 1 8 二极管 继电器控制电路 1 9 二极管 继电器控制电路 2 0 2 4 v 一气压传感器1 2 4 v 2 1 c h 0 一气压传感器1 气压信号0 输入 2 2 气乐传感器1 接地 接地 2 3 2 4 v 一气压传感器2 2 4 v 2 4 c h 卜一气压传感器2气压信号1 输入 2 5气压传感器2 接地接地 2 6 c h 2 旋转编码器信号线 2 7 c h 3 一旋转编码器 信号线 2 8 c h 4 旋转编码器信号线 2 9 5 v 电源 编码器 5 v 3 0旋转编码器 接地接地 3 l 5 v 电源 止极电线点 5 v 3 25 v 电源 负极电线点接地 3 32 4 v 电源 止极电线点 2 4 v 3 4 2 4 v 电源 负极电线点接地 3 5 5 v 电源一继电器 提供继电器i 作电乐 3 6 a g n d 一接地 接地 表2 3 线路说明 7 浙江理r 大学硕 学侮论文 2 5 机械手控制的研究 2 5 1 系统控制的对象 本文所设计的机械手平台 其动力来源是4 个气动人工肌肉 所以要对机械手进行控 制 首先 要对单个气动人工肌肉进行控制 然后再实现多个气动人工肌肉的控制 同时 单个p m a 与手腕转动的角度口有密切的关系 对于角度口 由提供动力的气动人工肌肉的收缩状况和提供的力决定 可经过角度传 感器测量得到 因此 对机械手平台的控制设计就由以下两部分组成 一是对单个气动人工肌肉的控 制 二是对四个气动人工肌肉同时工作时的控制和转动角度的控制 2 5 2 单个气动人工肌肉的控制 对单个气动人工肌肉来说 改变其内部压力 可以改变气动人工肌肉的输出力 所以 可以通过外部控制回路来控制其内压 从而实现不同的输出力 其具体控制回路如图2 1 2 所示 图2 1 2 气动人工肌肉外部硬件回路 气动人工肌肉工作气压由空气压缩机自带的储气罐提供 当气体从储气罐向气动人工 j 肌肉流动时 首先到减压阀 将压力降低至所需要的压力 然后经过比例压力阀 最后进 入气动人工肌肉 由于压力变化使得气动人工肌肉伸展或收缩 从而输出力 气动人工肌 肉的内部气压由气压传感器测得 将测得的数