文章编号:1004-132 (2003)15-1347-03
一种新型气动执行元件——气动人工肌肉
杨 钢 博士研究生
杨 钢 李宝仁 刘 军
摘要:气动人工肌肉是一种结构简单、功率自重比大、有良好柔性、不会
损害操作对象的新型气动执行元件。概述了气动人工肌肉的研究现状,分析了气动人工肌肉的优缺点和应用中存在的问题。在此基础上,指出目前气动人工肌肉的研究尚处于起步阶段,并给出了其有待进一步研究的方向。介绍
了一些气动人工肌肉的应用实例。
关键词:气动人工肌肉;机器人;仿生机械;生物肌肉中图分类号:TH 138.51 文献标识码:A
收稿日期:2002—09—12
1 气动人工肌肉
自20世纪60年代第一台实用的工业机器人诞生以来,在短短的40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,由此组成的机器人已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已经限制了智能机器人的发展和扩大应用。
于是,许多国家纷纷开展新型机器人驱动装置——人工肌肉的研究。早在20世纪60年代,美国医生M cK ibben 发明了一种驱动假肢运动的气动执行元件,即M cK ibben 气动人工肌肉。气动人工肌肉是由内部橡胶筒套及外部纤维编织网构成,因此气动人工肌肉也称橡胶驱动器(rubber 2
tuato r ),结构简图和实物模型分别见图1a 、图1b ,其外部编织网是由刚度很大的纤维组成。当对橡
胶筒套充气时,橡胶筒套因弹性变形压迫外部编织网,由于编织网刚度很大,限制其只能径向变形,直径变大,长度缩短。此时,如果将气动人工肌肉与负载相联,就会产生收缩力;反之,当放气时气动人工肌肉弹性回缩,直径变细,长度增加,收缩力减小。但是,气动人工肌肉在无压状态下输出力为零,无承载能力。气动人工肌肉的运动方式和力 长度特性酷似生物肌肉。生物肌肉与气动人工肌肉特性的比较见文献[1]
。
(a )
气动人工肌肉结构简图
(b )FESTO 公司生产的气动人工肌肉模型
图1 气动人工肌肉
作为一种新型的拉伸执行元件,气动人工肌肉与其它执行元件相比较具有以下一些特有的优点:①结构简单,重量轻,易于小型化;②具有柔性,不会损害操作对象;③动作平滑,无相对摩擦运动部件;④输出力-自重比大,能量转换效率高;⑤在操作过程中产生的热、噪声小;⑥价格低廉,维护方便,应用领域广泛。
2 气动人工肌肉的研究现状
虽然于20世纪60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20世纪90年代以后。因此,目前气动人工肌肉的研究尚处在起步阶段。
1961年美国科学家Schu lte 撰文分析了M cK ibben 气动人工肌肉的特性。1988年日本B ridgestone 公司将其商品化,用作机器人的执行元件,标志着气动人工肌肉开始应用于工业领域。90年代中期美国的Chou 和H annafo r 根据能量
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7431?一种新型气动执行元件——气动人工肌肉——杨 钢 李宝仁 刘 军
守恒原理对气动人工肌肉建模为[2]
F =
ΠD 20P
4
(3co s 2Η-1)(1)
式中,D 0为加压前的气动人工肌肉直径;Η为气动人工肌肉外部编织网的编织角;F 为轴向收缩力;P 为充气气压。
并进行了大量实验,讨论分析了气动人工肌肉的静态特性和具体的气动执行系统的动态特性。
T sagarak is 等[1]和刘荣[2]
提出了一些新的分
析建模方法,对Chou [3]的研究成果进行了一些完善。然而由于在推导过程中进行了一些假设,使得由公式所得到的理想特性与实际特性存在偏差,于是有些学者将实验测得气动人工肌肉特性进行数学拟合,用拟合得到的模型来代替理想模型进行研究。如美国空军实验室的R epperger 等[4]将气动人工肌肉视为变刚度弹簧,认为气动人工肌肉的充气收缩过程为硬刚度弹簧,放气伸长过程为软刚度弹簧,所产生的力包括稳态和瞬态弹簧力,即
F to tal =F steady +F transient =K (x )x +B (x )
(2)
K (x )=a 2x 2+a 1x +a 0
B (x )=b 2x 2+b 1x 2+b 0
式中,a i 、b i (i =0,1,2)为实验拟合系数。
从20世纪90年代后期开始对M cK ibben 气动人工肌肉研究主要有两个方向,其一是以
K lu te 等[5]
为代表的从仿生学的角度研究气动人
工肌肉,致力于用气动人工肌肉模拟或代替生物肌腱,是对气动人工肌肉特性研究的继续与深入。其二主要致力于气动人工肌肉执行系统的设计及应用研究。其工作的重点与难点在于气动人工肌肉的位置与输出力控制。由于气动人工肌肉的非线性和自身的柔性,对其进行控制相当困难。
R epperger 等[4]
设计了增益调节非线性反馈控制
器对单根气动人工肌肉和弹簧组成的系统进行控
制。Caldw ell 等[6]
在这方面做了大量工作,设计了
带前馈参量的离散P I D 控制器对一组对抗性气动人工肌肉驱动关节进行控制,通过反复试验调整控制器来获得超调量小的合适的闭环带宽。但是由于气源压力的波动、管道长度、温度变化以及人工肌肉本身的特性的影响,使得控制效果对前馈参量的变化非常敏感。为了克服参数变化的影响,文献[7]采用非线性极点配置自适应控制方法,在每次采样中断时,根据采样数据利用参数估计算法进行控制器的参数计算,并根据控制器参数计算的结果,修改控制器的参数,再通过控制器输出控制信号对被控对象施加控制,以达到消除被控对象参数变化对系统性能的影响,其控制精度可达到±2°。H esselro th 等[8]使用神经网络系统控制气动人工肌肉,通过训练之后,可以达到较好的跟踪性能。Cai 等[9]使用滑模控制理论设计了控制器。
气动人工肌肉在我国的研究始于20世纪90年代末期。宗光华[10]最早开始气动人工肌肉的控制理论研究,应用气动人工肌肉驱动关节采用变结构系统理论实现了机械手指夹持力控制。其后,刘荣[2]研究了气动人工肌肉驱动特性,考虑橡胶弹性力和摩擦力的影响,对Chou 所建立的模型进行了完善。田社平等[11,12]进行了气动人工肌肉的静态分析,采用的控制方法主要是极点配置自适应预测控制。目前,国内有关气动人工肌肉的研究与国外还有相当的差距。
到目前为止,对气动人工肌肉已经取得一定的研究进展。但气动人工肌肉作为一种气动执行元件,却很少有人用流体力学和热力学理论对它建立动态的数学模型。笔者在此方面做了一些工作,得出了其动态数学模型[13]。气动人工肌肉的研究仍然有许多空白尚待填补。
3 气动人工肌肉的应用
世界著名气动公司德国FESTO 公司认为气
动人工肌肉的出现是气动技术的一场革命,它具有广泛的应用前景,可应用于工业自动化、注塑加工、机器人技术、仿生机械、潜水器以及健身器材等众多领域。
由于气动人工肌肉在收缩方向产生作用力,因而可以用两根气动人工肌肉组成类似一对人类“颉颃肌”驱动的单自由度关节。气动人工肌肉应用中有代表性的四种驱动方式见图2。
目前,气动人工肌肉主要应用于机器人和仿生机械驱动装置,美国V anderb ilt 的智能机器人实验室已经研制的检测用机器人RoBo tic 检测器的移动是由气动人工肌肉来实现的,该机器人可对桥梁、建筑、船只以及飞机等设备进行检测。
英国Salfo ld 大学的Caldw ell 采用18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。
此外,基于重量、输出的考虑,Caldw ell [7]还在机器人手臂的设计中采用气动人工肌肉作为肘关节和腕关节的驱动装置,并指出气动人工肌肉本身的柔性对于该系统来说并不是缺点,而是更好地模拟生物手臂的特性。
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8431?中国机械工程第14卷第15期2003年8月上半月
(a )
直线运动
(b )
直线运动
(
c )旋转运动
(d )旋转运动
图2 气动人工肌肉驱动方式
美国华盛顿大学的K lu te 教授在采用气动人
工肌肉的仿生机械方面做了很多工作。他设计了一种由气动人工肌肉驱动的假肢装置,能模拟人的步伐,带动假肢上的关节运动,从而帮助截瘫患者在行走时减少能量损耗。
4 结语
气动人工肌肉作为一种新型的气动执行元
件,在特性分析、控制方法以及实际工业和医学等领域的应用与试验已经取得了一定的进展,其结构简单、动作灵活、功率自重比大、具有柔性、不会损害操作对象等优点也得到进一步认识,但也有一些缺点:①气动人工肌肉与传统气动执行元件相比行程小(气动人工肌肉空载时可达20%,有载时只可达到10%;而有的传统气缸可达到40%);②气动人工肌肉的变形为非线性环节,具有时变性,使准确控制其位移十分困难;③在工作过程中,气动人工肌肉自身温度会发生变化,随着温度的变化,其性能也会改变。这给高精度控制带来困难。
因此若使气动人工肌肉实用化,还需要解决
许多问题,例如研究简便通用的分析方法、简单高效的控制算法等。
参考文献:
[1] T sagarak is N ,Caldw ell D G .
I mp roved M odeling
and A ssess m ent of Pneum atic M uscle A ctuato rs .P roceedings of the 2000IEEE Int .Conf .
on
Robo tics &A utom ati on ,San F rancisco ,2000[2] 刘荣.人工肌肉驱动特性研究.高技术通讯,1998
(6):34～38
[3] Chou C P ,H annafo rd B .M easurem ent and M odel 2
ing of M cK ibben Pneum atic A rtificial M uscle .IEEE T ransacti ons on Robo tics and A utom ati on ,1996,12(1):90～102
[4] R epperger D W ,Johnson K R ,Ph illi p s C A .N on 2
linear Feedback Contro ller D esign of A Pneum atic M uscle A ctuato r System .
P roceedings of the
Am erican Contro l Conference ,1999
[5] K lute G K ,Czem ieck i J M ,H annafo rd B .M cK 2
ibben A rtificialM uscle :Pneum atic A ctuato rs w ith B i om echanical Intelligence .
IEEE Conf .on A d 2
vanced Intelligent M echatronics ,1999
[6] Caldw ell D G ,R azak A ,Goodw in M .B raided
Pneum atic M uscle A ctuato rs
.IFA C Conf .on Int .A utonomous V eh icles ,1993
[7] Caldw ell D G ,M edrano -Cerda G A ,Goodw in M .
Contro l of Pneum atic M uscle A ctuato rs
.IEEE Contro l System s M agazine ,1995(2):40
～48[8] H esselro th T ,Sarkar K ,Patrick P ,et al .N eural
N etw o rk Contro l of a Pneum atic Robo t A r m ,IEEE T ransacti on on System s .M AN .and Cyber 2
netics ,1994,24(1):28
～38[9] Cai D ,Yam aura H .A Robust Contrller fo r M ani p 2
ulato r D riven by A rtificialM uscle A ctuato r .P roc .of the IEEE Conf .on Contro l A pp licati on ,1996[10] 宗光华.利用变结构理论实现人工肌肉夹持力控
制.机器人,1990,12(4):15～20
[11] 田社平,林良明.人工肌肉静态特性及其测量.实
用测试技术,1998,11(6):12～14
[12] 田社平,丁国清,林良明,等.人工肌肉自适应预测
控制.仪器仪表学报,2001(3):86～87
[13] 杨钢,李宝仁,刘军.气动人工肌肉特性分析的新
方法,液压与气动,2002(10):22～24
(编辑 晓 舟)
作者简介:杨 钢,男,1973年生。华中科技大学(武汉市
430074)机械科学与工程学院博士研究生。主要研究方向为新型
气动元件、气动伺服控制。李宝仁,男,1962年生。华中科技大学机械科学与工程学院教授、博士研究生导师。刘 军,男,1979年生。华中科技大学机械科学与工程学院硕士研究生。
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9431?一种新型气动执行元件——气动人工肌肉——杨 钢 李宝仁 刘 军
s m all diam eter ,h igh aspect rati o and h igh strength .M ul 2
ti w all carbon nano tubes attached on conventi onal A FM silicon ti p using an op tical m icro scope w ith tw o indepen 2
dent translati on tables
.Purified nano tubes are aligned on the conductive tape ,and attached on the A FM ti p .T hen their length is decreased using electrical etch ing .U sing these modified ti p s ,w e obtained structures w ith steep trench on the silicon that w as p revi ously unobservable
w ith conventi onal A FM cantilever ti p s
.Key words :carbon nano tube atom ic fo rce m icro 2scope (A FM ) ti p nanom eter
Study on Fuzzy M ulti -Objective Opti m ization of M e -chan ical Co m ponen t Reli ability Based on Energy Con ser -vation W u W eidong (D alian U niversity of T echno lo 2gy ,D alian ,Ch ina ) H uang Hongzhong Feng Gang p 133121335
Abstract :A fter discoursing the li m itati on and uncer 2tainty of steady w eigh t coefficient bo th in subjective and objective to each sub -object in m ulti -objective op ti 2m izati on and the essence of satisfacto ry so luti on of m ulti -objective op ti m izati on ,it is show n that no t only the e 2valuati on of each sub -object in w eigh t allocati on should adop t dynam ic evaluating m ethod ,but also the classical model of m ulti -objective op ti m izati on based on satisfac 2to ry so luti on should be generalized to fuzzy m ulti -objec 2tive op ti m izati on model based on soft calculati on satisfac 2to ry so luti on .T h is paper discusses m ulti -objective op ti 2m izati on in the m ethod of energy conservati on and transi 2ti on and system ato logy .U sing the p roperty of m em ber 2sh i p functi on in fuzzy sets theo ry ,each sub -objective functi on is transfo r m ed into satisfacto ry functi on ,then an energy relati onsh i p model of fuzzy m ulti -objective op ti 2m izati on is built in generalized unifo r m ity steady satisfac 2to ry functi on field and a general evaluati on functi on of m ulti -objective satisfacto ry so luti on is developed that is compo sed by co rrecting w eigh t functi on and generalized po tential fo rce functi on .A t last ,an illustrative examp le of m ulti -objective op ti m izati on of m echanical component reliability is given .
Key words :w eigh t functi on energy conservati on fuzzy m ulti -objective op ti m izati on satisfacto ry so luti on
I nvestigation on D ynam ic Fracture Behav ior for W elded Jo i n ts Based on L ocal Approach J ing Hongyang (T ianjin U niversity ,T ianjin ,Ch ina ) Zhang Guo shang W ang Dongpo H uo L ixing Zhang Yufeng p 133621338
Abstract :T ensi on tests w ere conducted at different temperatures and loading rates fo r a typ ical w elded struc 2ture steel and its w elded j o int .It is found that the effects of the loading rate and temperature rising induced by the h igh loading rate on m aterial constituent can be described by the R -param eter .T he effects of the loading rate and the temperature on the fracture toughness w ere analyzed also ,the fracture behavi o r at the dynam ic loading w as p redicted successfully by the testing results at static load 2ing based on the local app roach .
Key words :loading rate fracture toughness local app roach w elded j o int
Si m ulation of Brass -type Texture Evolution of FCC Polycryst als Dong X ianghuai (H uazhong U niversity of Science and T echno logy ,W uhan ,Ch ina ) Zheng Y ing L i Zh igang p 133921341
Abstract :T he face -centered cubic (f .c .c .)crystals
w ith h igh stack ing fault energies defo r m p redom inantly by crystallograph ic sli p .Fo r the crystals w ith low stack 2ing fault energies ,in additi on to crystallograph ic sli p ,de 2fo r m ati on tw inning also p lays an i m po rtant ro le in m ain 2taining generalized p lastic flow .In th is paper a rate -de 2pendent constitutive model w h ich accounts fo r bo th sli p and tw inning is established ,and i m p lem ented by finite el 2em ent computati onal p rocedures developed .T he texture evo luti on of f .c .c .m etals by sli p and tw inning w as stud 2
ied by using elastic crystalline viscop lastic analysis .Si m 2
ulati on results show that in p lane strain comp ressi on ,the developm ent of brass -type texture is a result of lattice ro tati on due to bo th sli p and tw inning ,tw inning is very i m po rtant to the evo luti on of brass -type texture in f .c .
c .m etals w ith low stack ing fault energies
.Key words :po lycrystals sli p tw inning texture evo luti on
Solid St ate W eldi ng of Steel af ter Laser Surface Quench -i ng Yang Yunlin (H enan U niversity of Science &T echno logy ,L uoyang ,H enan ,Ch ina ) M a Kui W ang Changsheng Zhang Keke Zhao N ing p 134221344
Abstract :A new so lid state w elding technique is dis 2cussed in th is paper .It m eans that the m aterials w ill be j o ined at so lid state under certain defo r m ati on conditi ons after the surfaces are quenched by laser .T he tw o steels of 40C r and T 10A are used to be as objects fo r studying .
A t the w elding conditi ons of 750
～800℃,p re -stress 56.6M pa ,p re -strain speed 0.3×10-2～7.0×10-2m in -1,the tw o steels are successfully w elded th rough 40～300s w hether the pair of 40C r -T 10A o r 40C r -40C r after their surfaces are quenched by laser .T he tensile strength of the j o int reaches the intensity of 40C r o r T 10A steel and the defo r m ati on of samp le is at the range of exacti 2tude w elding .
Key words :steel laser quench ing so lid state w elding p recisi on w elding
On St ate and D evelop m en t of M icro m oldi ng Song M ancang (D alian U niversity of T echno logy ,D alian ,Ch i 2na ) W ang M injie p 134521346
Abstract :In th is paper ,the backgroud and scientific significance of m icromo lding are introduced ,and an overview on the research and developm ent of m icromo ld 2ing is given .T hen the key p roblem s fo r develop ing m icro 2mo lding are discussed ,and research directi ons fo r m icro 2
mo lding are p ropo sed as w ell
.Key words :m icromo lding injecti on mo lding injecti on m ach ine M E M S Artif ic i al Pneu matic M uscle Actuator :a New Type of Pneu matic Actuator Yang Gang (H uazhong U niversity of Science &T echno logy ,W uhan ,Ch ina ) L i Bao ren L iu Jun p 134721349
Abstract :A s a new type of pneum atic actuato r ,pneum atic m uscle actuato r (P M A )po ssesses the advan 2tages of si m p le configurati on ,h igh pow er w eigh t rati o ,comp liance ,and safe in use etc ..In th is paper ,the latest developm ents in P M A are summ arized ,and the character 2istics of P M A as w ell as the p roblem s in app licati on are analyzed .It is po inted out that the reseaches on P M A are
in initial stages
.T he directi on fo r further reseach and som e examp les of P M A app lied to robo t and bi onics m a 2ch inery are also p rovided in th is paper .
Key words :artificial pneum atic m uscle actuato r robo t bi onics m ach inery
?
c ?CH I NA M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G V o l
.14,N o .15,2003the first half of A ugust
气动技术的应用 气动执行元件主要用于作直线往复运动。在工程实际中，这种运动形式应用最多，如许多机器或设备上的传送装置、产品加工时工件的进给、工件定位和夹紧、工件装配以及材料成形加工等都是直线运 动形式。但有些气动执行元件也可以作旋转运动，如摆动气缸（摆动角度可达3 60°）。在气动技术应用范围内，除个别情况外，对完成直线运动形式来说，无论是从技术还是从成本角度看，全机械涉笔 都无法与气动设备相比。 （从技术和成本角度看，气缸作为执行元件是完成直线运动的最佳形式，如同用电动机来完成旋转运动一样。） 在气动技术中，控制元件与执行元件之间的相互作用是建立在一些简单元件基础上的。根据任务要求，这些元件可以组合成多种系统方案。由于气动控制使机构或设备的机械化程度大大提高，并能够实 现完全自动化，因此，气动技术在“廉价”自动化方面做出了重大贡献。实际上，单个气动元件（如各种类型气缸和控制阀）都可以看成是模块式元件，这是因为气动元件必须进行组合，才能形成一个 用于完成某一特定作业的控制回路。广义上讲，气动设备可以应用于任何工程领域。气动设备常常是由少量气动元件和若干个气动基本回路组合而成的。 气动控制系统的组成具有可复制性，这为组合气动元件的产生与应用打下了基础。一般来说，组合气动元件内带有许多预定功能，如具有12步的气-机械步进开关，虽然被装配成一个控制单元，但却可用 来控制几个气动执行元件。间歇式进料器也常作为整个机器的一个部件来提供。这样就大大简化了气动系统的设计，减少了设计人员和现场安装调试人员的工作量，使气动系统成本大大降低。 采用气动技术解决工业生产中的问题时，其特征是灵活性强，既适用于解决某种问题的气动技术方案，也适用于解决其它场合的相同或相似的问题。 既然空气动力在气源与完成各种操作的工位之间不需要安装复杂的机械设备，因此，在各工位相距较远的场合应用气动技术是再合适不过了。对于需要高速驱动情况，优先选择全气动设备是合适的。气- 液进给装置作为特殊元件可以应用在机床上。在各种材料的操作过程中，很少要求各顺序动作具有较高的进给精度，且在这些操作中设计的力也较小，因此，采用气动技术不仅可以完成这些操作，而且
McKibben气动人工肌肉的测量和建模 Ching-Ping Chou and Blake Hannaford Member, ZEEE 摘要：本文报道了测量和建模McKibben人工肌肉气动执行机构。此装置，首先在1950年开发的，包含扩大管周围编织线。我们通过静态和动态长度张力的测试结果，得出一个线性模型。并将结果与人体的肌肉属性相比较，以评估是否适合人体肌肉仿真。McKibben执行器基于生物学的机器人手臂。 一、引言 McKibben气动人工肌肉的研究在1950年和1960年，主要是发达的假肢。他们最近被商业化的日本机器人应用普利司通橡胶公司的J.温特斯博士用来重 新设计建造生物力学逼真的骨骼模型。McKibben肌肉包括一个内部膀胱周围由编织网是连接外壳（具有灵活且不可扩展的线程）在两端的接头或一些类似肌腱的结构（图1（a）条）。当膀胱加压，高的高压气体推压其内表面上，并针对外部的外壳，且很容易增加其体积。由于纵向刚度非常高的编织网壳中的线程，执行器缩短根据它的容量的增加和/或，如果它产生张力被耦合到一个机械负载。这种物理配置导致McKibben本的肌肉有可变刚度春天的特性，非线性弹性被动，身体的柔韧性，和很轻的重量比其他种类的人工致动器[9]。 之间的关系紧张，长度，速度不同的激活是主要特征从类型区分。人骨骼肌也有其自己的特殊特性：例如，凸状主动张力长度关系[5]，非线性被动拉伸长度的关系，和双曲张力速度关系[11]。每个属性也是一个函数激活电平[14]，[18]，[19]。为了说明的相似性（或不）生物肌肉，三种类型的McKibben肌肉，两个普利司通设计者和博士共同进行了测试。另外，由于气动执行器，实验和建模简单的气动回路都包括在内。 在本文中，所有的实验，理论，建模，和模拟分为四个主要部分：准静态和动态拉伸长度的关系;第三节，气动回路;第四节，等距等渗实验和第五节，能源转换和效率估计。 第二节：1）一个理想化的静态McKibben的肌肉的物理模型进行分析一个简单的理论方法，2）动态试验机将描述;
基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真7968364
毕业设计说明书(论文) 题目：基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动 力学仿真
毕业设计说明书（论文）中文摘要
毕业设计说明书（论文）外文摘要
目录 前言 (1) 第一章绪论 (2) 1.1课题项目的背景 (2) 1.2气动人工肌肉多关节手指的国内外发展现状 (2) 1.3气动技术的介绍以及发展前景 (4) 1.4论文研究的内容和方法 (6) 第二章多关节手指的结构设计及建模 (7) 2.1 气动肌肉的介绍 (7) 2.1.1 气动肌肉的内部结构 (7) 2.2 气动机械手指的基本结构 (9) 2.2.1 绘图软件SoildWorks介绍 (9) 2.2.2 整体设计方案的设计 (9) 2.2.3 手指的关节设计 (10) 2.2.4手指关节的建模 (13) 2.3 灵巧手指的装配和三维模型的导出 (15) 第三章多关节手指的动力学仿真分析 (16) 3.1仿真软件ADAMS和MATLAB简介 (16) 3.2 动力学仿真过程介绍 (18) 3.2.1 ADAMS参数设置过程 (18) 3.2.2 建立MATLAB控制模型 (27) 3.3 动力学仿真结果分析以及结论 (29) 第四章气动肌肉灵巧手指的控制系统设计 (31) 4.1气动肌肉回路原理和设计 (31) 4.1.1气动回路器件的选择 (32) 4.2灵巧手指的关节控制系统 (34) 4.2.1控制系统的原理 (34)
4.2.2控制系统的硬件选择 (35) 4.3 D/A控制界面的设计和程序的编写 (36) |第五章结论及总结 (41) 参考文献 (42) 致谢 (44)
第十三章气动执行元件和控制元件 气动执行元件是一种能量转换装置，它是将压缩空气的压力能转化为机械能，驱动机构实现直线往复运动、摆动、旋转运动或冲击动作。气动执行元件分为气缸和气马达两大类。气缸用于提供直线往复运动或摆动，输出力和直线速度或摆动角位移。气马达用于提供连续回转运动，输出转矩和转速。 气动控制元件用来调节压缩空气的压力流量和方向等，以保证执行机构按规定的程序正常进行工作。气动控制元件按功能可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。 第一节气缸 一、气缸的工作原理、分类及安装形式 1.气缸的典型结构和工作原理 图13－1 普通双作用气缸 1、3－缓冲柱塞 2－活塞 4－缸筒 5－导向套 6－防尘圈7－前端盖 8－气口 9－ 传感器 10－活塞杆 11－耐磨环 12－密封圈 13－后端盖 14－缓冲节流阀 以气动系统中最常使用的单活塞杆双作用气缸为例来说明，气缸典型结构如图13－1所示。它由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。双作用气缸内部被活塞分成两个腔。有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。 当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。 2.气缸的分类 气缸的种类很多，一般按气缸的结构特征、功能、驱动方式或安装方法等进行分类。分类的方法也不同。按结构特征，气缸主要分为活塞式气缸和膜片式气缸两种。按运动形式分为直线运动气缸和摆动气缸两类。 3.气缸的安装形式 气缸的安装形式可分为 1）固定式气缸气缸安装在机体上固定不动，有脚座式和法兰式。 2）轴销式气缸缸体围绕固定轴可作一定角度的摆动，有U形钩式和耳轴式。 3）回转式气缸缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作高速旋转运动。这种气缸常用于机床上气动卡盘中，以实现工件的自动装卡。 4）嵌入式气缸气缸缸筒直接制作在夹具体内。 二、常用气缸的结构原理 1.普通气缸 包括单作用式和双作用式气缸。常用于无特殊要求的场合。 图13－2为最常用的单杆双作用普通气缸的基本结构，气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等零件组成。 缸筒7与前后缸盖固定连接。有活塞杆侧的缸盖5为前缸盖，缸底侧的缸盖14为后缸盖。在缸盖上开有进排气通口，有的还设有气缓冲机构。前缸盖上，设有密封圈、防尘圈3，同时还设有导向套4，以提高气缸的导向精度。活塞杆6与活塞9紧固相连。活塞上除有密封圈10，11防止活塞左右两腔相互漏气外，还有耐磨环12以提高气缸的导向性；带磁性开关的气缸，活塞上装有磁环。活塞两侧常装有橡胶垫作为缓冲垫8。如果是气缓冲，则活塞两侧沿轴线方向设有缓冲柱塞，同时缸盖上有缓冲节流阀和缓冲套，当气缸运动到端头时， 图13－2 普通双作用气缸 1，13－弹簧挡圈 2－防尘圈压板 3－防尘圈 4－导向套 5－杆侧端盖 6－活塞杆 7－缸筒8－缓冲垫9－活塞10－活塞密封圈11－密封圈12－耐磨环14－无杆 侧端盖 缓冲柱塞进入缓冲套，气缸排气需经缓冲节流阀，排气阻力增加，产生排气背压，形成缓冲气垫，起到缓冲作用。 2.特殊气缸 图13－3 薄膜气缸 1－缸体 2－膜片 3－膜盘 4－活塞杆
气动人工肌肉在仿生机器人中的应用技术（技术） 成果简介：气动人工肌肉驱动器具有较强的柔性及仿生性，其高功率/质量比的特点使之在仿人机器人技术领域中具有无可比拟的优势。对气动人工肌肉的静、动态特性深入进行了建模与实验研究，进行了气动人工肌肉驱动的关节特性分析及位置控制研究。分别研制出气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手，以及十四自由度双臂机器人，通过简单的材料制作出性能优异的气动人工肌肉，辅之模糊自适应控制、协调控制等高精度气动伺服控制技术，实现了灵巧手基于数据手套的主从抓持操作、机械臂自动驾驶方向盘等动作。该研究为气动人工肌肉的广泛应用奠定了坚实的理论与工程基础。 项目来源：国家自然科学基金项目 技术领域：新型驱动器，仿人机器人 应用范围：低成本研究性仿人机器人；医疗护理性机器人；家政服务型机器人；空间探索性抓持器。 技术特点：以仿人五指灵巧手骨架为核心，气动人工肌肉驱动，柔索传动。 由一对肌肉驱动一个手指关节，高响应压电比例阀控制气动人工肌肉的内部压力，从而改变肌肉的收缩长度及输出力，最终控制关节角度的变化。采用模糊PID对单关节进行控制，关节空间的轨迹规划来自人手佩戴的数据手套的反馈信息，由此构成实时主从控制效果。灵巧手的外观具有很好的仿人性，亲和力较强，在主从控制下可以完成各种手势运动及简单的抓持操作。双臂机器人采用对称式结构设计，每个手臂均具有七个自由度，其中肩关节有三个自由度，肘关节有两个自由度，腕关节亦有两个自由度。单臂控制器由带重力补偿器和摩擦力补偿器的模糊自适应PID控制，最大的跟踪误差小于 0.08rad。双臂协调控制，即在双臂控制回路之间插入动态模糊协调控制器， 通过对比双臂对应关节的角位移误差大小，按一定模糊规则对各控制量进行补偿。 技术创新：1) 低成本气动人工肌肉的研制；2) 十七自由度仿人灵巧手的研制；3）十四自由度双臂机器人的研制；4）基于数据手套的灵巧手主从控制； 5）双臂机器人的协调控制。 所在阶段：样机 成果知识产权：1）发明专利“一种气动人工肌肉”，公开号CN101306535；2）发明专利“气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构”，公开号：CN101045300。
第26卷 第7期2006年7月北京理工大学学报 T ransactions of Beijing Institute of T echnolog y Vol .26 No .7Jul .2006 文章编号:1001-0645(2006)07-0593-05 气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计 彭光正, 余麟, 刘昊 (北京理工大学信息科学技术学院自动控制系,北京 100081) 摘 要:研究一种气动人工肌肉驱动的多指仿人灵巧手的结构设计.通过分析正常人体解剖学,针对人类手掌的外形结构、驱动形式及运动规则,设计了一种5指仿人灵巧手.该灵巧手有5个手指、19个自由度,在外观和功能上与人手接近;手指采用气动人工肌肉驱动,以柔索传动.实验结果表明,该仿人灵巧手具有很好的柔顺性,并且整体外形和手指关节的运动范围均能达到拟人的效果.关键词:灵巧手;人工肌肉;仿生学中图分类号:T P 242 文献标识码:A Structural Design of a Dexterous Hand Actuated by Pneumatic Artificial Muscle PENG Guang -zheng , YU Lin , LIU H ao (Department of Automatic Control ,School of Info rma tio n Science and T echnology ,Beijing I nstitute of Technology ,Beijing 100081,China ) A bstract :A structural devise of a dexterous hand w ith multi -fingers driven by pneumatic artifical mus -cle is introduced .By studying the shape ,structure ,driving -model and the rules of movement of hu -man hand from anthropotomy ,a dex terous hand close to a hum an hand in structure and functions w ith 5fingers and 19DOFs is desig ned .Ex peimental results show that the adoption of pneumatic artifical muscle and artifical tendons makes it mo re flexible .Besides ,this so rt of dex terous hand can match up w ith the effect of personification both in ex ternal shape and the range of movement .Key words :dexterous hand ;pneumatic artificial muscle ;bionics 收稿日期:20051229 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475163)作者简介:彭光正(1964-),男,教授,博士生导师,E -mail :s mcpeng @bit .edu .cn . 机器人灵巧手是一个高度集成化的机电系统,涉及机械、电子、计算机、控制等多个学科领域.20世纪80年代以来,由于气动人工肌肉技术的发展,将气动人工肌肉作为机器人的驱动装置越来越受到研究者的注意,具有代表性的是英国Shadow 公司研制的人工肌肉驱动的人工假肢[1].将人工肌肉运用于灵巧手的设计,可以使灵巧手更接近于人手. 在国家自然科学基金资助下,作者对人工肌肉 驱动特性做了大量的研究工作,设计出了气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手,并对气动肌肉手指关节做 了实验. 1 仿人灵巧手驱动的选择 驱动系统是机器人灵巧手的重要组成部分,用以产生运动和力,对系统的性能和操作能力具有决定性的作用.
气动控制系统设计 2007-08-23 11:43 气动控制系统设计 1、气动控制系统的组成。 在气动控制系统中，气动发生装置一般为空气压缩机，它将原动机供给的机械能转换为气体的压力能；气动执行元件则将压力能转化为机械能，完成规定动作；在这两部分之间，根据机械或设备工作循环运动的需求、按一定顺序将各种控制元件（压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀和逻辑元件）、传感元件和气动辅件连接起来。 设计程序有关事项 2.1设计程序 2.1.1调研主机工作要求，明确设计依据。 A.了解主机结构、循环动作过程、执行元件操作力、运动速度及调整范围、运动平稳性、定位精度、传感器元件安装位置、信号转换、联锁要求、紧急停车、操作距离和自动化程度等。 B.工作环境，如温度及变化范围、湿度、振动、冲击、灰尘、腐蚀、防爆要求等。 C.是否要和电气、液压系统相配合，如需要须了解相应的安装位置等。 D.其他要求，如气控装置的重量、外形尺寸、价格要求等要求。 2.1.2气动回路设计 A.由执行元件数目、工作要求和循环动作过程，拟出执行元件的工作程序图。根据工作速度要求确定每一个气缸在一分钟内的动作次数。 B.根据元件的工作程序，参考各种气动基本回路，按程序控制回路设计方法，设计气动回路。 为了得到最合理的气动回路，设计时可做几种法案比较，如气控制，气-----电控制，射流控制方案等进行选择，绘出气动回路图，使用电磁阀的场合，同时还绘出电气回路图。 2.1.3执行元件选择和计算 气动执行元件的类型一般应与主机相协调，即直线往复运动应选择气缸，回转运动应选择气动马达，往复摆动应选择摆动缸。 2.1.4控制元件选择 根据系统或执行元件的工作压力和通过阀的最大流量，选用各生产厂制造的阀和气动元件。选择各种控制阀或逻辑元件时应考虑的特性有： 1工作压力 2额定流量 3响应速度 4使用温度范围 5最低工作压力和最低控制压力 6使用寿命 7空气泄漏量 8尺寸及联接形式 9电气特性等 选择控制阀时除了根据最大流量外，还应考虑最小稳定流量，以保证气缸稳定工作。
基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真
南京工程学院 毕业设计说明书(论文) 作者：刘卫学号：201110815 系部：机械工程学院 专业：机械电子工程 题目：基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动 力学仿真 指导者：闫华副教授 评阅者： 2015 年 5 月南京
毕业设计说明书（论文）中文摘要 由于气动人工肌肉比重小、结构紧凑，占用空间小等优点，本文提出一种曲柄滑块机构来驱动手指弯曲，让气动人工肌肉驱动滑块运动，首先设计气动肌肉手指关节结构，并用SolidWorks绘制手指的三维图，利用ADAMS和MATLAB 进行动力学联合仿真，在手指端设置一定的负载，输入手指三个关节的直线驱动，观察手指末端的角速度变化和三个驱动力的变化，最后根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，利用比例压力阀对气动肌肉压力进行控制，使气动肌肉横向收缩带动滑动移动，从而实现对手指关节弯曲角度的控制。 关键词：仿人灵巧手；关节设计；气动肌肉；动力学仿真
毕业设计说明书（论文）外文摘要
目录 前言 (1) 第一章绪论 (2) 1.1课题项目的背景 (2) 1.2气动人工肌肉多关节手指的国内外发展现状 (2) 1.3气动技术的介绍以及发展前景 (4) 1.4论文研究的内容和方法 (6) 第二章多关节手指的结构设计及建模 (7) 2.1 气动肌肉的介绍 (7) 2.1.1 气动肌肉的内部结构 (7) 2.2 气动机械手指的基本结构 (9) 2.2.1 绘图软件SoildWorks介绍 (9) 2.2.2 整体设计方案的设计 (9) 2.2.3 手指的关节设计 (10) 2.2.4手指关节的建模 (13) 2.3 灵巧手指的装配和三维模型的导出 (15) 第三章多关节手指的动力学仿真分析 (16) 3.1仿真软件ADAMS和MATLAB简介 (16) 3.2 动力学仿真过程介绍 (18) 3.2.1 ADAMS参数设置过程 (18) 3.2.2 建立MATLAB控制模型 (27) 3.3 动力学仿真结果分析以及结论 (29) 第四章气动肌肉灵巧手指的控制系统设计 (31) 4.1气动肌肉回路原理和设计 (31) 4.1.1气动回路器件的选择 (32) 4.2灵巧手指的关节控制系统 (34) 4.2.1控制系统的原理 (34)
第七章气动控制元件及其基本回路 在气压传动系统中的控制元件是控制和调节压缩空气的压力、流量、流动方向和发送信号的重要元件利用它们可以组成各种气动控制回路，使气动执行元件按设计的程序正常地进行工作。控制元件按功能和用途可分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀三大类。此外，尚有通过改变气流方向和通断实现各种逻辑功能的气动逻辑元件等。 第一节气动控制元件 一、气动压力控制阀 气动系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源（液压泵）；而在气动系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在贮气罐内，然后经管路输送给各个气动装置使用。而贮气罐的空气压力往往比各台设备实际所需要的压力高些，同时其压力波动值也较大。因此需要用减压阀(调压阀)将其压力减到每台装置所需的压力，并使减压后的压力稳定在所需压力值上。 有些气动回路需要依靠回路中压力的变化来实现控制两个执行元件的顺序动作，所用的这种阀就是顺序阀。顺序阀与单向阀的组合称为单向顺序阀。 所有的气动回路或贮气罐为了安全起见，当压力超过允许压力值时，需要实现自动向外排气，这种压力控制阀叫安全阀(溢流阀)。 （一）减压阀(调压阀) 图41是QTY型直动式减压阀结构图。其工作原理是：当阀处于工作状态时，调节手柄 图4-1 QTY型直动式减压阀 1—调节手柄2、3—压缩弹簧4—溢流口5—膜片 6—阀杆7—阻尼管8—阀芯9—阀口10—复位弹簧11-排气孔
l、压缩弹簧2、3及膜片5，通过阀杆6使阀芯8下移，进气阀口被打开，有压气流从左 端输入，经阀口节流减压后从右端输出。输出气流的一部分由阻尼管7进入膜片气室，在膜片5的下方产生一个向上的推力，这个推力总是企图把阀口开度关小，使其输出压力下降。当作用于膜片上的推力与弹簧力相平衡后，减压阀的输出压力便保持一定。 当输入压力发生波动时，如输入压力瞬时升高，输出压力也随之升高，作用于膜片5上的气体推力也随之增大，破坏了原来的力的平衡，使膜片5向上移动，有少量气体经溢流口4、排气孔11排出。在膜片上移的同时，因复位弹簧10的作用，使输出压力下降，直到新的平衡为止。重新平衡后的输出压力又基本上恢复至原值。反之，输出压力瞬时下．降，膜片下移，进气口开度增大，节流作用减小，输出压力又基本上回升至原值。 调节手柄1使弹簧2、3恢复自由状态，输出压力降至零，阀芯8在复位弹簧10的作用下，关闭进气阀口，这样，减压阀便处于截止状态，无气流输出。 QTY型直动式减压阀的调压范围为0.05～0.63MPa。为限制气体流过减压阀所造成的压力损失，规定气体通过阀内通道的流速在15～25m／s范围内。 安装减压阀时，要按气流的方向和减压阀上所示的箭头方向，依照分水滤气器→减压阀→油雾器的安装次序进行安装。调压时应由低向高调，直至规定的调压值为止。阀不用时应把手柄放松，以免膜片经常受压变形。 （二）顺序阀 顺序阀是依靠气路中压力的作用而控制执行元件按顺序动作的压力控制阀，如图4-2所示，它根据弹簧的预压缩量来控制其开启压力。当输入压力达到或超过开启压力时，顶开弹簧，于是户到A才有输出；反之A无输出。 图4-2 顺序阀工作原理图 (a)关闭状态(b)开启状态 顺序阀一般很少单独使用，往往与单向阀配合在一起，构成单向顺序阀。图4-3所示为单向顺序阀的工作原理图。当压缩空气由左端进入阀腔后，作用于活塞3上的气压力超过压缩弹簧3上的力时，将活塞顶起，压缩空气从p经A输出，见图4-3(a)，此时单向阀4在压差力及弹簧力的作用下处于关闭状态。反向流动时，输入侧变成排气口，输出侧压力将顶开单向阀4由O口排气，见图4-3(b) 。 调节旋钮就可改变单向顺序阀的开启压力，以便在不同的开启压力下，控制执行元件的顺序动作。 图4-3 单向顺序阀工作原理图 (a)关闭状态；(b)开启状态
气动机构的工作原理 气动自动化系统最终是用气动执行元件驱动各种机构完成特定的动作。用气动执行元件和连杆、杠杆等常用机构结合构成的气动机构，诸如断续输送机构、多级行程机构、阻挡机构、行程扩大机构、扩力机构、绳索机构、离合器及制动器等等，例不胜举。气动机构能实现各种平面和空间的直线运动、回转运动和间歇运动。采用气动机构能使机构设计简化，结构轻巧，从最简单的气动虎钳到柔性加工线中的气动机械手，充分发挥了气动机构的特点。 一、气动扩力机构 扩力机构是一种能使较小的输入力放大而获 得较大的输出力，并按需要改变力的方向的机构。广泛应用于夹具、机械手等机械装置。 图9—1所示为气动扩力机构原理图，若不考虑机构的摩擦损失，其 扩力比iF为：
行程比iS为： 式中，F1——从动件上的压紧力（N）； F——原动力（N）； SI——从动件程（mm）； S——原动件行程（mm）。由上式可知，在任何一种扩力机构中，当其它条件一定时，如果扩力比iF增大，则行程比 iS要减小。设计时应适当选取iF、iS值。常用的气动扩力机构有杠杆扩力机构、楔式扩力机构和铰链杠杆扩力机构等。 图9－2所示为一种常用于气动机械手的抓取机构，采用了铰链杠杆 扩力机构，其夹紧力F1与气缸输出力F的关系为： 从上式可见，在气缸输出力F为定值时，增大a角可使夹紧力 F1增加，通常选择α角为30°～40°。 图9－3所示为一种采用楔式机构和杠杆机构相结合的气动夹具。由于楔式扩力机构本身结构紧凑、压紧力固定不变并且有自锁性，而被广泛应用于气动夹具中。 图9－4所示为用双连杆机构扩力的气动剪断机构，其剪断力极大。图9－5所示为用连杆机构扩力的气动飞剪装置。