华中科技大学
博士学位论文
双向对拉气动肌肉驱动关节的伺服控制及其在康复机器人中的
应用
姓名：江先志
申请学位级别：博士
专业：机械电子工程
指导教师：熊蔡华;孙容磊;熊有伦
2011-04-17
摘要
脑卒中等疾病通常会导致患者肢体运动功能障碍，因为上肢康复机器人能够为患者提供有效的康复运动，促进患者肢体运动功能的恢复，所以社会对上肢康复机器人有日益强大的需求。然而，现有的上肢康复机器人还存在很多不足，如康复运动不够柔顺、安全，或是康复运动类型不够丰富等，因此，本文提出了气动肌肉驱动的外骨骼可穿戴式上肢康复机器人，其各关节（即单自由度的气动肌肉驱动关节）均由两根气动肌肉以双端反向对拉方式驱动，并采取了多种康复运动模式，解决了康复运动不够柔顺、安全和运动类型不够丰富等问题。论文的主要研究内容为：分析了气动肌肉的结构，研究了气动肌肉的静态和动态驱动特性，并对气动肌肉的往返驱动特性作了研究。对气动肌肉驱动关节系统中的张紧装置、钢丝绳与柔性套管间的摩擦力作了分析，研究了气动肌肉驱动关节的单端驱动特性、往返驱动特性，并建立了气动肌肉驱动关节在双端驱动方式下的准静态模型。
依据患者在康复期各阶段的不同症状，提出了气动肌肉驱动关节的位置-位置、位置-力矩、力矩-力矩控制模式，其中，前两者主要应用于人体被动-机器人主动的康复运动（简称人体被动运动，或被动运动），力矩-力矩控制模式则主要用于人体主动-机器人被动的康复运动（简称人体主动运动，或主动运动）。
针对经典PID控制器在气动肌肉驱动关节控制中的响应慢、超调大等问题，采用神经元PID控制器，在线调节控制器参数，提高了气动肌肉驱动关节的控制性能。由于经典PID与神经元PID在气动肌肉驱动关节的阶跃位置与力矩控制中，很难同时达到响应快与超调小，因此采用模糊控制器，提高了响应速度，抑制了超调。并采用模糊神经网络控制器，进一步提高了气动肌肉驱动关节的响应速度。
在气动肌肉驱动关节的轨迹控制中，当气动肌肉驱动关节运动方向改变时，所提出的各类控制器的超调均很大，甚至抖动严重。针对该问题，提出了神经元PID 与局部前馈控制结合的复合控制器，有效地抑制了超调，且无抖动。
开发了上肢康复机器人控制系统软件，能对康复机器人进行的主动、被动运动
控制，同时记录患者的康复运动信息及数据。此外，采用非特定人语音识别技术，实现了康复机器人的语音控制。
关键词：康复机器人；气动肌肉；神经元PID控制；模糊控制；模糊神经网络控制
Abstract
Disease such as stroke often results in patients with hemiplegia.As upper limb rehabilitation robot can provide patients with effective rehabilitation exercise for recovery, the demand for upper limb rehabilitation robot is increasing nowadays.However,the existing upper limb rehabilitation robots are not compliant and secure enough,or can only provide simple rehabilitation exercises.Therefore,this dissertation proposes an exoskeleton wearable upper limb rehabilitation robot with pneumatic muscle driven,and in which each joint(a single degree of rehabilitation arm)is managed by two pneumatic muscles in antagonistic pairs.The issues that the rehabilitation exercises are not compliant,secure and rich enough are solved.The major works are organized as follows: The structure of pneumatic muscle and it’s static and dynamic characteristics are analyzed.The reciprocating driving characteristics of pneumatic muscle are also studied. The tensioning device and friction between wire rope and flexible pipe of the rehabilitation arm system are analyzed.The driving characteristics and properties of the rehabilitation robot of single-ended driving and double-side are studied.
Based on the symptoms in different phases of hemiplegic patients in rehabilitation, the control modes of position-position of the arm,location-torque and torque-torque are proposed.The first two are mainly used in the patient-passive-robot-active rehabilitation exercises(patient passive motion or passive motion for short).The torque-torque control mode is primarily used in patient-active-robot-passive motion(patient active motion or active motion for short)of the rehabilitation robot.
For the limitations such as slow response and big overshoot of classic PID controller, neural PID controllers are applied to the control of rehabilitation arm and the control performances are increased,which are benefitted by the advantages of neural PID such as online regulating of its parameters.For classic PID and neural PID,the characteristics of responding quickly and overshoot of small control effect could not be achieved at the same time in control of rehabilitation arm.Fuzzy controllers are applied to position and torque control of rehabilitation arm,which improve the speed of response and almost eliminate overshoot.Furthermore,fuzzy neural network controller achieves more quick response in position control of rehabilitation arm.
In tracking control of the rehabilitation arm,the overshoots of all the above controllers are greate when the direction of the rehabilitation arm is changing,and even with serious vibration.To address this problem,a new controller combines neural PID and feedforward control is proposed and the overshoot decreases to a acceptable value without vibration in tracking control of the rehabilitation arm.
The control software of upper limb rehabilitation robot is developed,which enables the active and passive motion control of the rehabilitation robot.At the same time,the patient’s rehabilitation information and data are recorded.In addition,speaker independent speech recognition technology is adopted which enables speech control of the rehabilitation robot.
Key words:Rehabilitation Robot;Pneumatic Muscle;Neuron PID Control;Fuzzy Control;Neural-Fuzzy Control
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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本论文属于
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学位论文作者签名：指导教师签名：
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1绪论
1.1课题概述
1.1.1课题来源
本学位论文得到以下项目的资助：
1)国家高技术研究发展计划（863计划）“网络化多个老人／残障者远程肢体
康复训练机器人”（批准号：2008AA040202）；
2)国家科技支撑计划项目“肢体康复医疗机器人研发”（批准号：
2008BAI50B04）；
3)国家高技术研究发展计划（863计划）“康复机器人结构与驱动机构设计技
术”（批准号：2007AA04Z204）；
4)国家自然科学基金“康复机器人主被动运动协调及其应用”（批准号：
50775080）；
5)国家自然科学基金“欧氏运动的视觉感知与移动机器人行为控制”（批准号：
50875100）。
1.1.2课题研究背景和意义
脑卒中(Stroke)通常被称为“中风”或脑血管意外(CV A，Cerebrovascular Accident)，系指由急性脑血管疾病引起的持续性的大脑神经功能缺损。脑卒中病发后，85%的脑卒中患者会出现一侧肢体运动功能障碍[1-4]，即偏瘫(Hemiplegia)。我国每年脑卒中新发病例约150万，目前全国脑卒中患者为800多万，残障率高达75%[5]。
然而，医学理论和临床医学证明，人体大脑中枢神经系统有高度的可塑性(Plasticity)[6]。脑卒中患者（成人）在病发后3个月之内，如果对患者肢体采取反复的康复运动，会通过刺激大脑运动皮层而使受损的大脑神经的功能重组(Reorganization)和重建(Reestablishment)[7-9]，加快患者肢体运动功能的恢复，该期间为最佳的肢体功能恢复期，而且越早越有利于患者运动功能的恢复[10]。在此期间以后，虽然康复运动仍对患者运动功能的恢复起到重要作用[11]，但是大脑神经在精细运动的控制方面可能产生永久损害，因此肢体功能可能无法恢复[12]。人体上肢与下肢相比，由于上肢需要完成更复杂的功能运动，其神经肌肉系统也更为复杂[13]，因此，脑卒中偏瘫患者上肢功能比下肢恢复得慢，而且恢复得不完全[14,15]。患者病发3个月以后，仍有55%～75%的患者有上肢运动功能障碍[7]，可见上肢康复运动治疗的迫切性。
除了手术与药物治疗外，运动疗法(Movement Therapy)，也称为康复运动或康复
训练，在脑卒中偏瘫患者的肢体功能康复中起着非常重要的作用[16,17]，而且必不可少[18]。目前常规的康复运动疗法是通过康复医师手工帮助脑卒中患者的肢体进行[19]。因为脑卒中偏瘫患者的康复治疗过程是一个长期、持续的过程，由于受到康复医师的临床经验、技能以及体能的制约，这种“一对一”的手工运动治疗很难发挥康复运动疗法应有的功效[20]，如果手工运动治疗的方法不当，还会加重患者病情[21]。
然而，国外康复临床试验表明康复机器人[22](Rehabilitation Robot)可以为脑卒中患者提供持续的康复运动治疗[23,24]，加快患者肢体运动功能的恢复进程[25]，并可把康复医师从繁重的手工康复运动治疗中解脱出来，并且可以为康复医师提供患者的康复运动数据，帮助康复医师更准确地评估患者病情，为患者制定更有效的康复运动治疗方案[26-28]。
上肢康复机器人是一种与偏瘫患者身体直接接触的康复医疗装备，其安全性和柔顺性非常重要，此外，康复运动要力求平稳、自然，而这些主要依赖于康复机器人的执行器。目前大多数康复机器人采用电机驱动，其它类型的执行器主要是人工气动肌肉[29-31]、气缸[32]及液压人工肌肉[33]等。其中，人工气动肌肉（简称气动肌肉，PM，Pneumatic Muscle)的主要优点在于其动作方式、响应时间、伸缩范围与生物肌肉较为相似，其非线性特性与人体骨骼肌相近[34]，具备电机等执行器所没有的固有柔顺性[35-38]；其次，气动肌肉重量轻、输出拉力大、结构紧凑、使用灵活、洁净[36,39]，而且可直接驱动负载，无需齿轮等减速机构[40]，利于康复机器人的轻型化、简单化。此外，气动肌肉的运动行程受自身长度、输入气压等限制，只能在有限范围内运动，因此气动肌肉在康复机器人的驱动中，比电机更安全、可靠；此外，由两根气动肌肉以双端反向对拉方式驱动的气动肌肉驱动关节的结构与生物关节类似[41-43]，能同时对气动肌肉驱动关节的位置和刚度进行控制，而这一特性正是单个电机驱动的机械臂所不具备的。因此，气动肌肉相对于电机等其它执行器更能保证康复机器人的安全性与柔顺性。然而气动肌肉具有非线性、时滞、时变[44,45]等特性，这对上肢康复机器人的主动、被动运动控制带来了很大的挑战，
康复机器人在运动控制中，需要依据上肢康复机器人的特性以及患者对康复运动的需求，采用不同的控制方式和控制算法，并辅以安全措施，才得以为患者提供有效的康复运动。因此，研究气动肌肉驱动的上肢康复机器人的主动、被动运动控制，对加快脑卒中偏瘫患者的上肢运动功能的早日恢复具有重大意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1气动肌肉研究现状
1950年，美国内科医生J.L.McKibben[46]发明了Mckibben型气动肌肉，并设计了以气动肌肉驱动的辅助残疾手运动的装置。近年来，随着气动肌肉相关研究的不断进展，越来越多的机器人采用气动肌肉作为执行器。
国内，哈尔滨工业大学的隋立明等[47]采用气动肌肉研制了仿人手臂，实现了各关节的柔顺运动，浙江大学[48,49]研制了由气动肌肉驱动的并联伺服平台和机器眼。
日本Bridgestone公司[50]研制了5自由度的柔顺机械臂，由于喷涂场合。美国纳什维尔大学的Kawamura等[51,52]研制了6自由度的机械臂，可以用来弹奏电子琴以及为老人或残疾人提供服务。美国宾夕法尼亚州大学的Deepak Trivedi等[53]研制了由15根气动肌肉驱动的柔性机械手。布鲁塞尔自由大学的Bram Vanderborght等[54,55]研制了由气动肌肉驱动的机械手与双足机器人。
气动肌肉的特性对机器人的设计及控制有重要的参考意义，气动肌肉的特性就是其输出力、输入气压与收缩率的关系。Inoue[56]建立了气动肌肉的经验模型，此后Tondu等[57]在Inoue的基础上，基于虚功原理，在气动肌肉不同的收缩率下，修正了端盖的影响，此后又采用库伦干摩擦力模型修正了气动肌肉的模型，用来描述气动肌肉的固有滞后性[34]。此后，Tondu等[58]在考虑气动肌肉橡胶管厚度的基础上，研究了弹性力与收缩力的关系。在气动肌肉特性的研究中，最具代表性的是Chou 等[59,60]基于动力学，并采用几何分析方法推导出的气动肌肉的静态模型，然而该模型由于简化了一些气动肌肉的几何特性，实用时很不精准。由于影响气动肌肉特性的因素很多，如编织角、编织长度、编织接触面等，目前气动肌肉的各种模型均未能满意地描述其特性。气动肌肉是一种非线性、时滞、时变的执行器，无法采用精确模型进行控制，因此其控制方法及算法主要为不依赖模型的气压控制、PID控制、模糊控制[44,61,62]、滑模控制[63,64]、自适应控制[65]以及神经网络控制[66]等。
1.2.2康复机器人及其控制研究现状
目前上肢康复机器人按机械结构的不同可分为两类：末端牵引式[21,32,67-79]，和外骨骼式[29-31,33,80-90]。末端牵引式康复机器人在康复运动中，其末端通常与患者手腕固联在一起，通过康复机器人末端执行器的运动带动患肢运动，其特点为机构较为简单，然而很难对患者上肢中某单个关节作独立的主动或被动康复运动。由于该类型康复机器人的关节空间与人体关节空间不一致，在轨迹控制中需要进行空间转换，增加了控制系统的计算量，此外，该类康复机器人与患者通常仅仅通过手腕相
连，康复运动时，其反作用力可能对患者手腕或患者肢体其他部分造成伤害。
外骨骼式康复机器人可以直接穿戴于人体，其各自由度受人体关节的运动方式及尺寸的限制，因此机构较为复杂，由于该类康复机器人各关节依附与人体，机器人及患者肢体的重量及惯性会影响机器人的驱动特性和运动特性。然而，外骨骼康复机器人关节空间与人体关节空间几乎一致，安全性高，且在轨迹控制中无需进行空间转换的计算。此外，在康复运动中，机器人对患者上肢即可以对单个关节，也可以对多关节同时作主动、被动康复运动。因此，相比于末端牵引式康复机器人，外骨骼式康复机器人能提供更灵活、更安全、更丰富的康复运动。
国内，清华大学任宇鹏等[21,67]在末端牵引上肢康复机器人控制中，采用了被动模式、主动模式、阻抗模式、自由模式及扰动模式，并提出了辅助直线、辅助圆的速度场算法和直线运动的力场算法训练策略，还对脑机接口(BCI，Brain Computer Interface)进行了研究，并在机械假肢上取得成功。哈尔滨工业大学王东岩等[83,84,91]研制了由5个电机驱动的5DoF外骨骼式康复机器人[83,84]，可以对患者上肢进行主动、被动和辅助运动这三种康复运动，此外，还通过提取并识别健康一侧上肢的表面肌电信号，控制患肢运动。哈尔滨工程大学张立勋等[68,69]研制了由3个电机驱动的3Dof末端牵引式康复机器人，该康复机器人主要提供关节运动训练及手臂肌力训练两种康复运动模式，分别采用PID控制与阻抗控制，并采用dSPACE仿真平台进行半仿真。台湾国立成功大学Ming-Shaung Ju等[70,71]在由2台直流电机驱动的3Dof末端牵式引上肢康复机器人中，采用模糊控制算法对康复机器人进行力位混合控制，在对康复机器人进行轨迹控制的同时，在运动方向的法向进行力控。
美国麻省理工学院的Hogan等[77]研制了由电机驱动的5DoF末端牵引式上肢康复机器人：MIT-MANUS，采用阻抗控制算法完成虚拟抓球游戏的康复运动。美国弗吉尼亚州立邦联大学Lum等[78,79]研制了以PUMA系列机器人为基础的末端牵引式上肢康复机器人：MIME，可以为患者提供4种康复运动模式：被动（轨迹控制）、主动助力（通过检测力来辅助患肢向目标移动）、主动阻力（在患肢运动方向提供阻力）、镜像随动模式（通过健肢示教，控制患肢运动）。美国西北大学Hyung-Soon 等[88]研制了由电机驱动的10DoF（8主动，2被动）外骨骼式康复机器人：IntelliArm，对上肢及手提供主被动康复运动。美国西雅图华盛顿大学Perry等[89]研制了的7DoF 外骨骼式上肢康复机器人：CADEN-7，可在虚拟环境下提供主动、被动以及助力康复运动，分别采用位置控制、力控及阻抗控制，并以表面肌电信号作为系统主要控制指令。此外，美国加州大学欧文分校的Sanchez等[90]研制了5DoF外骨骼式康复机器人：T-WREX，其主要功能是数据测量。
日本大阪大学Kikuchi等[72,73]在由电机驱动的6Dof末端牵引式康复机器人EMUL中，在虚拟现实环境中，采用脑电信号控制康复机器人运动。日本东京电机大学Umemura等[33]采用液压人工肌肉驱动8DoF外骨骼式康复机器人，通过数字微分分析器对康复机器人进行轨迹控制。
英国利兹大学机械工程学院Culmer等[32,74]研制了6DoF末端牵引式康复机器人，由气缸驱动的双机器人组合而成，该机器人主要进行人体被动运动（往复型与任务型）、人体主动的康复运动，控制算法为PID。英国雷丁大学Loureiro等[75]研制的由电机驱动的在9DoF（6个主动，3个被动）末端牵引式康复机器人Gentle/S中，通过虚拟环境，引导患者完成触摸及抓取动作的康复运动，控制算法为PID。德国柏林里蒂医学院与弗朗霍夫生产系统及设计技术学院的Schmidt等[76]研制的由电机驱动的双末端牵引式康复机器人：Bi-Manu-Track Trainer，可以为患者两侧前臂与手腕提供主动与被动康复运动，并通过表面肌电信号判断患者康复程度。匈牙利布达佩斯技术与经济大学Toth等[85]研制了由电机驱动的7DoF外骨骼式上肢康复机器人：REHAROB，该机器人在虚拟环境下，完成主被动康复运动，并分别由力控与示教-再现的位置轨迹控制实现。法国兰斯大学的Alexandre等研[86]制了由电机驱动的3DoF外骨骼式上肢康复机器人，可提供主动、被动及主动助力康复运动，力和位置的控制算法采用PID。此外，该康复机器人还采用阻抗控制提高康复运动的安全性，同时采用模糊控制提高运动的柔顺性。瑞士苏黎世联邦理工学院的Guidali 等[87]研制了由电机驱动的6DoF外骨骼式上肢康复机器人ARMin，在虚拟环境下，通过抓球游戏完成主动及被动的康复运动，采用阻抗控制和PD算法控制力和位置。
然而，国内外基于气动肌肉驱动的上肢康复机器人的研制仅有韩国釜山东义大学和美国亚利桑那州立大学。图1.1(a)为韩国釜山东义大学Young-Min Kim等[31]采用气动肌肉驱动3DoF外骨骼式康复机器人DULEX，然而，DULEX其实是一种手功能康复机器人，是一种由3根气动肌肉驱动的并联机器人，能提供3种运动：食指、大拇指和食指以外的三根手指、腕关节。图1.1(b)为美国亚利桑那州立大学的Sugar等[29]研制的外骨骼式上肢康复机器人RUPERT，该康复机器人有4个自由度，对应运动为：肩前屈、肘伸展，前臂后旋和腕伸展，每个运动关节由一根气动肌肉驱动。由于气动肌肉是一种通过收缩而对外输出拉力的单向驱动执行器，这导致RUPERT的每个关节只能单向运动，虽然气动肌肉在内部空气被释放后能自行复位，但几乎没有驱动能力，关节的反向运动主要靠外力完成，因此，RUPERT只能为患者提供被动运动。在RUPERT的轨迹控中，滑模控制算法取得了较好的效果，但主要用于仿真。
(a)韩国釜山东义大学：DULEX(b)亚利桑那州立大学：RUPERT
图1.1气动肌肉驱动的外骨骼式上肢康复机器人
总之，国内外在气动肌肉驱动的外骨骼式可穿戴式上肢康复机器人的研究领域中还处远未成熟，不论是气动肌肉的基本驱动特性，还是康复机器人的康复运动模式、控制算法的研究，其研究成果非常有限。因此，在康复机器人研究领域中，对气动肌肉驱动的上肢康复机器人及其相关理论与技术的研究非常迫切。
1.3论文的结构及主要研究内容
本论文以气动肌肉驱动的外骨骼式上肢康复机器人为研究对象，主要研究内容为：
第二章：分析气动肌肉的结构及特性，并建立其驱动模型，以简化的气动肌肉驱动关节为实验平台，对气动肌肉驱动的静态与动态特性进行研究。
第三章：以上肢康复机器人中典型气动肌肉驱动关节为研究对象，分析了张紧装置的特性以及钢丝绳与柔性套管中的摩擦力，并对气动肌肉驱动关节的单端驱动特性与双端驱动特性作了研究，建立了气动肌肉驱动关节在双端驱动下的准静态模型。
第四章：依据偏瘫患者在各康复期的症状及对康复运动的不同需求，采用气动肌肉的气压控制、位置控制、力矩控制、力/位混合控制等模式，控制气动肌肉驱动关节完成不同功能的主动、被动康复运动，同时提出了痉挛处理方法，并在康复机器人的控制过程中采用最大力矩限制的方法来保证康复运动的安全。
第五章：依据气动肌肉驱动的气动肌肉驱动关节的特性及经典PID控制器在气动肌肉驱动关节的位置与力矩控制中的不足，采用模糊控制器和模糊神经网络控制器提高了气动肌肉驱动关节的阶跃位置与力矩控制精度及响应速度。此外，提出了神经元PID与局部前馈控制结合的复合控制器，在气动肌肉驱动关节的轨迹控制中，有效地抑制了气动肌肉驱动关节换向时的超调。
第六章：开发了上肢康复机器人控制系统，不仅实现了康复机器人的主动、被动康复运动控制，还采用非特定人语音识别技术，依据语音信号的识别结果，控制康复机器人完成指定的康复运动。
第七章：总结与展望。
论文的结构如图1.2所示。
图1.2论文结构
2气动肌肉特性研究
2.1气动肌肉结构
气动肌肉通常由圆柱形橡胶管与高强度纤维组成，通过对橡胶管充气，使橡胶管在径向膨胀、在轴向收缩，从而对负载产生拉力。气动肌肉内部气体被释放后，其长度及直径会逐渐恢复到初始值，恢复过程中产生的向外推力非常小，通常无法推动负载，因此可以认为气动肌肉是一种直线单向执行器。
常见的气动肌肉主要有两类：Mckibben型与纤维管型。韩国釜山东义大学研制的外骨骼式康复机器人DULEX和美国亚利桑那州立大学研制的RUPERT使用的就是Mckibben型气动肌肉[29,37,92,93]。
Mckibben型气动肌肉的橡胶管外部包裹着一层交叉编织的纤维层，其结构见图2.1(a)。该类型气动肌肉的缺点是编织层在橡胶管外部，橡胶管膨胀时，编织层与橡胶管外壁之间会相互作用，从而降低了气动肌肉的稳定性。
纤维管型气动肌肉[94]的纤维层则被橡胶管包裹于其内部，两者成为一体，且纤维层沿橡胶管轴向布置，其结构见图2.1(b)。该类型气动肌肉的缺点是橡胶管径向膨胀大，需要更大的安装空间，虽然安装金属环可以减小径向膨胀，然而却使轴向收缩长度减小，降低了气动肌肉的运动行程。
(a)Mckibben型气动肌肉结构(b)纤维管型气动肌肉结构
图2.1常见气动肌肉结构
为了兼具以上两类气动肌肉的优点，本实验室研制的上肢康复机器人采用的气动肌肉为德国Festo公司的MXAM系列气动肌肉（如图2.2所示），与图2.1所示
的气动肌肉结构不同的是，
MXAM 系列的气动肌肉由橡胶管和两层芳族聚酸胺纤维(Aramid Fibre )编织层组成[95]，两层纤维层都固化到橡胶管内部，且布置于同轴的两个圆柱面,每层纤维层内的纤维束相互平行，呈螺线形布置于同一圆柱面。
图2.2Festo 的MXAM 系列气动肌肉
相比图2.1所示的气动肌肉，MXAM 系列的气动肌肉的优点是：
1)纤维层内部各条纤维束都相互分离，因此，纤维层之间以及其内部都不存在摩擦力，增强了气动肌肉输出性能；
2)纤维层固化到橡胶管内部，与橡胶管融为一体，不会产生明显的相互运动，因此，纤维层与橡胶管之间的几乎没有摩擦力，消除了爬行现象；
3)两层纤维层同轴不同面地交叉布置在橡胶管内，限制了橡胶管的径向膨胀范围，从而增加了轴向工作行程。
2.2气动肌肉静态模型
本实验室研制的上肢康复机器人中使用了Festo 公司的MXAM-20-AA 和MXAM-40-AA 这两款气动肌肉，本章将以前者为对象，对气动肌肉的特性作研究。图2.3为MXAM-20-AA 气动肌肉的静态特性曲线图，其中，横轴为气动肌肉轴向收缩率h ，纵轴为输出拉力F 。从图中可以分析得到：气动肌肉的输入气压一定时，h 越大，则F 越小，而且气压-拉力-长度三者为非线性关系。
在气动肌肉静态模型的研究中，有代表性的是Chou 和Hannaford [59]通过能量方法得到的静态模型：
()22903cos 14P D F πα°=?(2.1)
其中，F 为气动肌肉的输出拉力，P 为气动肌肉的输入气压，90D °为编织角为90°时气动肌肉的直径，α为纤维束的编织角。该模型的另外一种表示为：
220220[(1)]
31,,tan sin F r P a b L L a b L πεεαα=???===(2.2)
其中，r 和0L 分别为气动肌肉初始状态下的半径和长度，ε为收缩率，L 为气动肌
肉的工作长度，α为编织角。
这些模型虽然能反映气动肌肉的拉力-气压-长度的关系，但是，由于在建模中忽略了橡胶管的弹性、壁厚及橡胶管与纤维束的相互作用，并且没有考虑气动肌肉
两端的变形，所以模型偏差约为15%[95,96]。
虽然Tondu [34,58]、Caldwell [60]等人在Chou 的基础上，对气动肌肉的模型进行改良，然而，这些模型均是对气动肌肉特性的近似，都未能输出满意的预测输出值[38]。由于现有的方法得到的模型均不准确，因此
本节对气动肌肉输入和输出数据进行拟合，建立其静态模型。
图2.3MXAM-20-AA 系列气动肌肉静态特性[97]
图2.3是MXAM-20-AA 型气动肌肉的静态特性，依据图2.3中的静态数据，分析后得到如图2.4所示的气动肌肉静态特性曲线。
气动肌肉的静态模型是通过对图2.4所示的曲线进行拟合得到，为了既保证拟合的精度，又使模型结构最简单、便于计算，本节采用式(2.2)所示的分子模型对气动肌肉的静态曲线进行拟合：
2323()/(1)
f A Bp C D E Fp G H I εεεεεε=++++++++(2.2)其中，f 为气动肌肉的输出拉力，p 为其输入气压，ε为其收缩率，A I ～为模型
系数。
图2.4MXAM-20-AA 系列气动肌肉静态特性曲线
拟合得到气动肌肉静态分子模型的参数为：
18.707826,2625.7656,60.553729, 3.8010432,0.12372058,0.037455061,0.032838917,0.00031674866,0.00013412506.A B C D E F G H I =?==?==?===?=图2.5为气动肌肉驱动平台静态模型的仿真结果与实验数据的偏差曲线图。
图2.5MXAM-20-AA 系列气动肌肉静态模型偏差曲线
由图2.5分析得到，在气压越小、收缩率越小时，模型精度越低。
在对拟合的模型进行仿真后，发现气动肌肉输入气压大于0.1MPa，小于0.3MPa 时，模型偏差范围为-11.98%～1.75%，在气压大于或等于0.3MPa 时，模型偏差则小于1%，这比Chou 提出的模型偏差要小得多。
2.3气动肌肉驱动特性研究
上节中，气动肌肉的模型主要是由其输出拉力、输入气压与收缩率的关系表示，甚至还包括气动肌肉直径、编织角等参数，然而，气动肌肉在气动肌肉驱动关节的应用中，我们更需要研究的是气动肌肉输入气压、气动肌肉驱动关节的负载及运动角度间的关系。因此，本节采用图2.6所示的气动肌肉驱动的实验平台对气动肌肉在气动肌肉驱动关节的驱动特性进行研究。图2.6中，气动肌肉通过一段钢丝绳作用在拉盘上，在该平台上能更直观地分析气动肌肉执行器在气动肌肉驱动关节中的性能。
图2.6气动肌肉特性研究平台
图2.6中，平台的负载与气动肌肉输出拉力的关系为：
sin /F mgl r
θ=(2.3)
平台的运动角度与气动肌肉收缩率的关系为：0
/r L εθ=(2.4)其中，0L 为气动肌肉初始长度。
2.3.1气动肌肉静态驱动特性
对气动肌肉的静态特性进行研究中，数据的采集方法是这样的：对气动肌肉输入气压0～0.5MPa ，增量为0.05MPa ，负载为0～5Kg ，增量为0.5Kg ，并分别记录气压、负载与静态角度值。实验结果见图2.7。
F ：气动肌肉作用于拉盘的拉力；
r ：拉盘半径；
l ：负载质心到旋转中心的距离；
θ：气动肌肉驱动关节旋转角度；
m ：负载质量；
g ：重力加速度。
图2.7气动肌肉输入气压-关节负载-关节角度关系曲线
为了既保证拟合的精度，又使模型结构最简单、便于计算，对图2.7所示的实验数据进行拟合，得到气动肌肉输入气压p 、负载质量m 及运动角度θ的静态关系（即静态模型）为：
2322()/(1)
A Bp Cp Dp Em Fp Gp Hm Im θ=++++++++(2.5)
模型中各系数分别为：0.2597296,68.01945400,205.65632,1955.0450,0.16044001,5.9547694,16.216870,0.0082377843,0.00044490552.
A B C D E F G H I ===?==?=?===图2.8为气动肌肉驱动平台静态模型的仿真结果与实验数据的偏差曲线图。
图2.8气动肌肉驱动平台的静态模型偏差曲线
图2.8中，平台仿真数据与实验数据的偏差范围约为-2.73°～1.52°，随着负
载增加，模型精度明显提高，当负载大于1Kg时，模型偏差范围约为-1.1°～0.5°。
2.3.2气动肌肉往返驱动特性
本节对气动肌肉在平台往返驱动中的特性进行研究，研究过程分为三个阶段，见表2.1所示。
表2.1气动肌肉驱动的平台往返驱动实验
实验的结果见图2.9。
图2.9气动肌肉驱动平台往返驱动中气压与平台运动角度及气动肌肉输出力矩的关
系曲线图
从图2.9中可以分析得，气动肌肉驱动的试验平台在往返运动中，气动肌肉的输入气压相同时，平台的运动角度不同，因此可以认为，气动肌肉在相同的输入下，在伸展和收缩过程中伸缩量不同。
典型电－－-气比例阀、伺服阀的工作原理 电－－－气比例阀和伺服阀按其功能可分为压力式和流量式两种。压力式比例/伺服阀将输给的电信号线性地转换为气体压力；流量式比例／伺服阀将输给的电信号转换为气体流量。由于气体的可压缩性,使气缸或气马达等执行元件的运动速度不仅取决于气体流量。还取决于执行元件的负载大小。因此精确地控制气体流量往往是不必要的。单纯的压力式或流量式比例/伺服阀应用不多，往往是压力和流量结合在一起应用更为广泛。 电--－气比例阀和伺服阀主要由电--－机械转换器和气动放大器组成。但随着近年来廉价的电子集成电路和各种检测器件的大量出现，在1电－－－气比例/伺服阀中越来越多地采用了电反馈方法，这也大大提高了比例/伺服阀的性能。电---气比例/伺服阀可采用的反馈控制方式，阀内就增加了位移或压力检测器件,有的还集成有控制放大器。 一、滑阀式电-－-气方向比例阀 流量式四通或五通比例控制阀可以控制气动执行元件在两个方向上的运动速度，这类阀也称方向比例阀。图示即为这类阀的结构原理图。它由直流比例电磁铁1、阀芯2、阀套3、阀体4、位移传感器5和控制放大器6等赞成。位移传感器采用电感式原理，它的作用是将比例电磁铁的衔铁位移线性地转换为电压信号输出。控制放大器的主要作用是： 1）将位移传感器的输出信号进行放大; 2）比较指令信号Ｕe和位移反馈信号U f,得到两者的差植 3）U放大，转换为电流信号I输出。此外,为了改善比例阀的性能，控制放大器还含有对反馈信号Uf 和电压差PＩD调节等。 带位置反馈的滑阀式方向比例阀,其工作原理是:在初始状态,控制放大器的指令信号UF=0，阀芯处于零位，此时气源口P与A、B两端输出口同时被切断,A、Ｂ两口与排气口也切断，无流量输出;同时位移传感器的反馈电压Uf=0Uf,控制放大器将得到的 U=电磁铁产生的推力迫使阀芯回到零位。若指令Uｅ>0，则电压差U 增大,,比例电磁铁的输出推力也增大,推动阀芯右移。而阀芯的右移又引起反馈电压Uf的增大,直至Ｕf与指令电压Ｕe基本相等,阀芯达到力平衡。此时。
人体肌肉中，除部分止于皮肤的皮肌和止于关节囊的关节肌外，绝大部分肌肉均起于一骨，止于另一骨，中间跨过一个或几个关节。它们的排列规律是，以所跨越关节的运动轴为准，形成与该轴线相交叉的两群互相对抗的肌肉。如纵行跨越水平冠状轴前方的屈肌群和后方的伸肌群；分别从内侧和外侧与水平矢状轴交叉的内收肌群和具有外展功能的肌群；横行或斜行跨越垂直轴，从前方跨越的旋内（旋前）肌群和从后方跨越的旋外（旋后）肌群。一般讲几轴性关节就具有与几个运动轴相对应的对抗肌群，但也有个别关节，有的运动轴没有相应肌肉配布，如手的掌指关节，从关节面的形态看属于球窝关节，却只生有屈伸和收展两组对抗的肌肉，而没有与垂直轴交叉的回旋肌，所以该关节不能做主动的回旋运动，当然它有一定的被动的回旋能力。上述围绕某一个运动轴作用相反的两组肌肉叫做对抗肌，但在进行某一运动时，一组肌肉收缩的同时，与其对抗的肌群则适度放松并维持一定的紧张度，二者对立统一，相反相成。另外，在完成一个运动时，除了主要的运动肌（原动肌）收缩外，尚需其它肌肉配合共同完成，这些配合原动肌的肌肉叫协力肌。当然，肌肉彼此间的关系，往往由于运动轴的不同，它们之间的关系也是互相转化的，在沿此一轴线运动时的两个对抗肌，到沿彼一轴线运动时则转化为协力肌。如尺侧伸腕肌和尺侧屈腕肌，在桡腕关节冠状轴屈伸运动中，二者是对抗肌，而在进行矢状轴的收展运动时，它们都从矢状轴的内侧跨过而共同起内收的作用，此时二者转化为协力肌。此外，还有一些运动，在原动肌收缩时，必须另一些肌肉固定附近的关节，如握紧拳的动作，需要伸腕肌将腕关节固定在伸的位置上，屈指肌才能使手指充分屈曲将拳握紧，这种不直接参与该动作而为该动作提供先决条件的肌肉叫做共济肌。
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;
典型电---气比例阀、伺服阀的工作原理电---气比例阀和伺服阀按其功能可分为压力式和流量式两种。压力式比例/伺服阀将输给的电信号线性地转换为气体压力；流量式比例/伺服阀将输给的电信号转换为气体流量。由于气体的可压缩性，使气缸或气马达等执行元件的运动速度不仅取决于气体流量。还取决于执行元件的负载大小。因此精确地控制气体流量往往是不必要的。单纯的压力式或流量式比例/伺服阀应用不多，往往是压力和流量结合在一起应用更为广泛。 电---气比例阀和伺服阀主要由电---机械转换器和气动放大器组成。但随着近年来廉价的电子集成电路和各种检测器件的大量出现，在1电---气比例/伺服阀中越来越多地采用了电反馈方法，这也大大提高了比例/伺服阀的性能。电---气比例/伺服阀可采用的反馈控制方式，阀内就增加了位移或压力检测器件，有的还集成有控制放大器。 一、滑阀式电---气方向比例阀 流量式四通或五通比例控制阀可以控制气动执行元件在两个方向上的运动速度，这类阀也称方向比例阀。图示即为这类阀的结构原理图。它由直流比例电磁铁1、阀芯2、阀套3、阀体4、位移传感器5和控制放大器6等赞成。位移传感器采用电感式原理，它的作用是将比例电磁铁的衔铁位移线性地转换为电压信号输出。控制放大器的主要作用是： 1）将位移传感器的输出信号进行放大； 2）比较指令信号Ue和位移反馈信号U f U； 3）I输出。此外，为了改善比例阀的性能，控制放大器还含有对反馈信号 Uf和电压差U的处理环节。比如状态反馈控制和PID调节等。
带位置反馈的滑阀式方向比例阀，其工作原理是：在初始状态，控制放大器的指令信号UF=0，阀芯处于P与A、B两端输出口同时被切断，A、B两口与排气口也切断，无流量输出；同时位移传 Uf=0。若阀芯受到某种干扰而偏离调定的零位时，位移传感器将输出一定的电压Uf，控制放大器将得到的U=-Uf放大后输出给电流比例电磁铁，电磁铁产生的推力迫使阀芯回到零位。若指令Ue>0，则电压差U增大，使控制放大器的输出电流增大，比例电磁铁的输出推力也增大，推动阀芯右移。而阀芯的右移又引起反馈电压Uf的增大，直至Uf与指令电压Ue基本相等，阀芯达到力平衡。此时。 Ue=Uf=KfX(Kf为位移传感器增益) 上式表明阀芯位移X与输入信号Ue成正比。若指令电压信号Ue<0，通过上式类似的反馈调节过程，使阀芯左移一定距离。 阀芯右移时，气源口P与A口连通，B口与排气口连通；阀芯左移时，P与B连通，A与排气口连通。节流口开口量随阀芯位移的增大而增大。上述的工作原理说明带位移反馈的方向比例阀节流口开口量与气流方向均受输入电压Ue的线性控制。 这类阀的优点是线性度好，滞回小，动态性能高。
第一单元《骨骼》 4、骨骼、肌肉的xx 教学资源开发 本课是苏教版小学《科学》四年级下册教材第1单元《骨骼与肌肉》中的第4课。人体的运动系统主要由骨骼、肌肉等所组成，它们构成人体的轮廓，并占人体体重的大部分。骨骼和肌肉执行着人体所必需的很多功能，因此保持它们的健康十分重要，特别是正处在生长发育阶段的学生，尤其应该做到这一点。保持膳食平衡及长期锻炼身体并注意运动的安全，都将使学生步入拥有健康骨骼和肌肉的人生。 本单元前3课分别以独立的章节介绍了人体骨骼、关节和肌肉的相关知识，在学习过程中，人体的各种器官和组织可以条分缕析、清晰割裂，而在实际的生活、运动中，人体各部分的器官与组织是紧密联系、协同工作的。本课以着眼整体的理念对学生进行人体运动系统各主要部件的卫生保健教育。值得一提的是本课题中所指的“骨骼”同时包括骨骼和关节两个方面，关节属于骨骼的一个部分。 本课主要分为三个部分： 第一部分通过多种方式揭示了体育运动对骨骼、肌肉的影响。首先调动学生生活经验、联系实际说说参加体育运动有哪些好处，了解学生对参加体育运动的作用的认识，接着以专题介绍的方式指导学生认识经常运动可以增强人体的柔软性、耐力、体力等，同时以表格的形式呈现了各种体育锻炼增强人体各方面能力的不同效果，对学生平时的体育运动训练提供指导性建议。 第二部分指导学生明确丰富的食物营养与保持骨骼、肌肉健康之间的关系。知道为了使肌肉和骨骼保持正常工作，平时需要多吃些蛋白质含量高、含钙量高的食品。同时通过讨论、交流指导学生明确哪些事物中含有丰富的蛋白质和钙，以利于学生将认知转化为行动，提高自我保健的能力。 第三部分介绍了如何在运动中保持骨骼、肌肉的安全。教材利用图片介绍了运动中穿戴适当的保护性装备、在运动前做一下热身运动等的保护措施。要
典型电---气比例阀、伺服阀的工作原理 电---气比例阀和伺服阀按其功能可分为压力式和流量式两种。压力式比例/伺服阀将输给的电信号线性地转换为气体压力；流量式比例/伺服阀将输给的电信号转换为气体流量。由于气体的可压缩性，使气缸或气马达等执行元件的运动速度不仅取决于气体流量。还取决于执行元件的负载大小。因此精确地控制气体流量往往是不必要的。单纯的压力式或流量式比例/伺服阀应用不多，往往是压力和流量结合在一起应用更为广泛。 电---气比例阀和伺服阀主要由电---机械转换器和气动放大器组成。但随着近年来廉价的电子集成电路和各种检测器件的大量出现，在1电---气比例/伺服阀中越来越多地采用了电反馈方法，这也大大提高了比例/伺服阀的性能。电---气比例/伺服阀可采用的反馈控制方式，阀内就增加了位移或压力检测器件，有的还集成有控制放大器。 一、滑阀式电---气方向比例阀 流量式四通或五通比例控制阀可以控制气动执行元件在两个方向上的运动速度，这类阀也称方向比例阀。图示即为这类阀的结构原理图。它由直流比例电磁铁1、阀芯2、阀套3、阀体4、位移传感器5和控制放大器6等赞成。位移传感器采用电感式原理，它的作用是将比例电磁铁的衔铁位移线性地转换为电压信号输出。控制放大器的主要作用是： 1）将位移传感器的输出信号进行放大； 2）比较指令信号Ue和位移反馈信号U f U； 3）放大，转换为电流信号I输出。此外，为了改善比例阀的性能，控制放大器还含有对反馈信号 Uf的处理环节。比如状态反馈控制和PID调节等。 带位置反馈的滑阀式方向比例阀，其工作原理是：在初始状态，控制放大器的指令信号UF=0，阀芯处于零位，此时气源口P与A、B两端输出口同时被切断，A、B两口与排气口也切断，无流量输出；同时位移传Uf=0。若阀芯受到某种干扰而偏离调定的零位时，位移传感器将输出一定的电压Uf，控制放 放大后输出给电流比例电磁铁，电磁铁产生的推力迫使阀芯回到零位。若指令Ue>0，则 电压差增大，使控制放大器的输出电流增大，比例电磁铁的输出推力也增大，推动阀芯右移。而阀芯的右移又引起反馈电压Uf的增大，直至Uf与指令电压Ue基本相等，阀芯达到力平衡。此时。
气动比例、伺服控制 气动比例伺服控制系统是由电气信号处理部分和气动功率输出部分所组成的闭环控制系统。 气动比例、伺服控制系统与液压比例、伺服控制系统比较有如下特点： 1）能源产生和能量储存简单。 2）体积小、重量轻。 3）温度变化对气动比例、伺服机构的工作性能影响很小。 4）气动系统比较安全，不易发生火灾，并且不会造成环境污染。 5）由于气体的可压缩性，气动系统的响应速度低，在工作压力和负载大小相同时，液压系统的响应速度约为气动系统的50倍。同时，液压系统的刚度约为相当的气动系统的400倍。 6）由于气动系统没有泵控系统，只有阀控系统，阀控系统的效率较低。阀控液压系统和气动伺服系统的总效率分别为60%和30%左右。 7）由于气体的粘度很小，润滑性能不好。在同样加工精度情况下，气动部件的漏气和运动副之间的干摩擦相对较大，负载易出现爬行现象。 综合分析，气动控制系统适用于输出功率不大（气动控制系统的极限功率约为4kW），动态性能要求不高，工作环境比较恶劣的高温或低温，并对防火有较高要求的场合。 气动控制系统设计计算 气动控制系统的设计步骤 气动控制系统是由电气信号处理部分和气压功率输出部分所组成的闭环控制系统。通常，气动控制系统的设计步骤为： 1）明确气动控制系统的设计要求； 2）确定控制方案，拟定控制系统原理图； 3）确定气压控制系统动力元件参数，选择反馈元件； 4）计算控制系统的动态参数，设计校正装置并选择元件。 气动伺服机构举例 如图42.7-1所示，该伺服系统主要由波纹管、放大杠杆、控制滑阀、气缸及反馈机构等组成。供气压力为0.5MPa，信号压力为0.02～0.1MPa。 图42.7-1 波纹管滑阀式气动伺服系统结构原理图
胸大肌（抗阻训练） 固定器械目标肌肉：胸大肌 动作原理：阻力向后，克服阻力向前肩关节水平屈，因为胸大肌向心收缩可以使肩关节水平屈，所以能锻炼到胸大肌 （坐姿推胸练习器）训练目的：增大胸大肌的力量和耐力 训练器械：坐姿推胸练习器 动作名称：器械坐姿推胸 身体位置：将器械调整到适合重量，座椅高度手把比肩略低，臀部坐在座椅中间， 背部靠住背板，双手中握距、闭握、正握握住手把，用脚蹬住助力脚踏，待手把握稳后将脚踏慢放，双脚放于身体两侧； 身体姿态：收腹、挺胸，下巴微收，背部挺直，靠住背板，保持身体稳定，脚尖向前，膝关与稳定与脚尖成同一方向，肩胛骨后缩下降； 动作轨迹：由后向前 动作幅度：①、向前时至手臂自然伸直，肘关节微屈，使胸大肌充分受力，向后时使肘关节与略小于90度，即肘关节比身体的位置略靠后； 安全提示②、运动过程中不要使用惯性和爆发力；运动过程中腕关节始终保持中立位，肘关节始终保持略低于肩；向前时肘关节不要超伸，身体不要离开靠垫，向后时使负重片不要相互撞击； 动作速度：向前时保持2~4秒；向后时保持2~4秒呼吸方法：向前发力时呼气，向后还原时吸气结束时将器械慢放还原，并说“回答完毕” 自由重量 目标肌肉：胸大肌（杠铃） 动作原理：阻力向下，克服阻力向上肩关节水平屈，因为胸大肌向心收缩可以使肩关节水平屈，所以能锻炼到胸大肌。 训练目的：增大胸大肌的力量和耐力 训练器械：杠铃 动作名称：杠铃平板卧推 身体位置：首先将杠铃调整到合适的高度与合适的重量，然后身体平躺于坐垫正中间，眼部位于杠铃杠正下方，双脚分踏于地面，脚尖向前，膝关节与脚尖成同一方向，双 手中握距、正握、闭握持杠铃于胸大肌中束正上方 身体姿态：收腹、挺胸，下巴微收，肩胛骨后缩下降，背部挺直，保持骨盆中立位与稳定动作轨迹：右下向上 动作幅度：①、向上到手臂自然伸直，肘关节微屈，使胸大肌充分受力，向下时使肘关节与与肩关节平行或略微向下； 安全提示②、运动过程中不要使用惯性和爆发力，运动过程中腕关节始终保持中立位不要过伸；肘关节向上时不要超伸，向下时不要过低； 动作速度：向上时保持2~4秒；向下时保持2~4秒； 呼吸方法：向上发力时呼气；向下还原时吸气。 结束时将杠铃慢放与杠铃架上，然后起身说“回答完毕” 自身重量 目标肌肉：胸大肌（自己身体） 动作原理：阻力向下，克服阻力向上肩关节水平屈，因为胸大肌向心收缩可以使肩关节水平屈，所以能锻炼到胸大肌。
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)
气动位置伺服嵌入式控制器及控制策略探讨 发表时间：2019-04-29T11:43:39.343Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第36期作者：司雷明[导读] 气动系统在现代工业运动控制、食品包装机械、机器人、医疗器械等领域具有非常广泛的应用，且该系统具有成本低、清洁无污染、功率质量比大以及容易安装维护等优势特点。 特恩驰（南京）光纤有限公司 210000 摘要：目前针对嵌入式气动伺服控制器的软件在某方面的功能存在一定的缺陷，基于此，本文对基于DSP的嵌入式气动伺服控制器进行了优化；希望能够构建比例方向阀控气缸系统的模型，并选择使用基于反步法设计的自适应控制策略，最终进一步提升稳态跟踪精度。然后选择使用基于模型的设计方法，在MATLAB/SiMuLink工具下开展算法仿真运算，把模型实施转化后能够使其自动的、高效的生产算法控制软件，最终与DSP硬件驱动、上位机监控软件开展实证分析，最终的实证分析结果表明：气动伺服DSP控制器轨迹跟踪误差处于5%范围之内，其控制周期＜1ms。 关键词：气动伺服；嵌入式控制器；自适应鲁棒控制；基于模型的设计；轨迹跟踪误差 气动系统在现代工业运动控制、食品包装机械、机器人、医疗器械等领域具有非常广泛的应用，且该系统具有成本低、清洁无污染、功率质量比大以及容易安装维护等优势特点。气动系统存在着气体的可压缩性大、系统的刚度低、气动元件流量特性和摩擦力特性非线性严重的特性，使得建模复杂，设计高精度气动伺服控制系统的控制策略困难，高性能气动伺服控制器发展受阻.传统简单的气动伺服控制算法，如PID等，取得的效果很一般，在此基础上提出改进的线性控制策略，如PID与模糊控制、神经网络等人工智能的结合，算法效果与设计人员经验密切；设计先进非线性控制策略，如自适应控制、滑模控制、自适应鲁棒控制等策略，设计较复杂，但充分利用模型信息，控制效果好.现阶段，气动伺服研究工作大多借助于PC机、DSPACE系统、NI-DAＱ/CRIO、XPC等通用实时工具实现控制系统原型，系统稳定，精度高，开发调试便利；不足之处在于控制系统的成本高、结构体积大，极不利于嵌入式应用。 商用嵌入式气动伺服控制器有德国FESTO公司推出了SPC系列控制器，配合公司提供的比例方向阀和气缸等部件能实现“点到点”精确定位，但轨迹跟踪性能不足；意大利ATOS公司推出了液压伺服系统控制器及解决方案。国内学者对嵌入式气动伺服控制器的硬件结构，提出采用ARM、DSP、FPGA等为核心的多种解决方案，集成的伺服控制算法软件简单，效果差，且几乎处于调试实验阶段，未推出成熟产品.研发集成先进控制策略、性能稳定、通信完善、接口标准、体积小的嵌入式气动伺服控制器具有实际意义。 RPS控制系统实现方案 该系统以4D影院的动感座椅为应用对象，在ShAng等设计的3-RPS结构平台基础上，提出气动伺服系统框架，如图1所示.DSP控制器和3-RPS。 图1 基于DSP的气动位置伺服系统结构 气动平台组成一个工作节点，PC机连接UCB-CAN控制器与多节点DSP通信.在DSP内运行伺服控制策略，PC机作为监控中心，控制对象系统运行、发送运行控制指令、实时显示控制误差及内部状态参数.针对应用对象设计了一套动作采集子系统，结构是3-RPS平台的缩小版.采用手动拖拽方式进行示教编程，开发上位机软件连接NI-DAＱ设备采集跟踪位姿信号，处理后可以存储及在3-RPS平台复现，方便了对3-RPS平台的位姿轨迹编程。 3-RPS平台由运动平台、固定平台及连接两平台的3支双作用气缸组成，FESTO的五位三通比例方向阀MPＹE-5-1/4-010B 控制执行机构气缸DNC-63-200-P，采用电阻式位移传感器构成位置闭环。考虑到该控制器运行算法复杂，运算性能要求较高，选用TI公司推出的TMS320F28335型DSP芯片，是专用于运动控制而推出的，主频高达150M，集成高性能浮点运算处理单元，具备CAN 总线通信接口，适合该气动伺服系统的应用需求。 2 基于模型设计的控制器软件 2.1 控制策略仿真 在设计自适应鲁棒控制算法的同时，可以方便同步地在MATLAB/SiMuLink工具箱下实现与验证，联立系统模型进行仿真.在跟踪3RAD/S，幅值为90MM的正弦轨迹信号，同时加入噪声信号进行仿真，轨迹跟踪效果及跟踪误差如图4所示.图中，TRAｊ为实际轨迹，E 为误差.稳态控制精度在1MM以下，具有较强的鲁棒性抵抗干扰，控制误差逐步减小，表明基于最小二乘法的在线参数估计和自适应干扰估计有效，算法能够较好地收敛，有效提高了系统的控制精度。
《骨骼、关节和肌肉》教学设计 教学目标 （1）科学概念：身体的肢体活动由骨骼、关节和肌肉共同完成，不同的运动形式，骨骼、关节和肌肉的组合结构也会有所不同。 （2）过程与方法：利用多种方式（画、摸、查资料等）进行观察和研究骨骼、关节和肌肉，能够在过程中不断完善认识。 （3）情感、态度、价值观：愿意与他人分享研究结果，合作交流；正确对待观察、研究中不完善的结果，善于在反复观察、研究中完善认识。 教学重点 身体的肢体活动由骨骼、关节和肌肉协作完成 教学难点 对肌肉变化形成运动的解释 教学过程 一、活动引课 T：同学们记得全民健身的口号吗？ S：每天锻炼一小时，健康生活一辈子。 T：今天我们就先来运动一下，请你跟我一起做，准备好了吗？ S：好了。 T：那么开始。（播放《健康歌》） 二、新课知识 （一）提出问题，发现骨骼、关节和肌肉 T：同学们跳的真不错，在刚才的运动中，我们身体的哪些部位动起来了呢？ S：自由回答。 T：不错，那我们来摸一摸这些部位，摸摸你的手和腿，你摸到了些什么？
S：自由回答。 T：也就是说刚才的运动中，我们的骨头、关节和肌肉参与了运动，那它们三者又是怎样使我们的身体动起来的呢？今天这节课我们一起来研究我们的骨头、关节和肌肉。（板书课题） （二）观察骨骼，发现作用 T：同学们刚才提到了骨头，关于骨头你还知道些什么？ S：自由回答。 T：同学知道的知识真丰富。我们人体共有206块骨头，这些骨头有机组合在一起就形成了人体的骨骼（板书骨骼，同时出示人体骨骼模型）。 我们来简单了解一下人体的骨骼（这是颅骨——这是肋骨……），你觉得人体的骨骼有什么作用？ S：支撑、保护…… T：这只是我们的猜测，如何来验证它呢？我们真实的骨骼不能拿来实验，但我们可以模拟一下，老师有两块“神奇”的橡皮泥，我们来看看神奇在哪里。见证奇迹的时候到了。 为什么一块能“站立”起来，另一块不可以？ S：自由回答 T：我们来看一下是不是这样（剥开露出吸管），那我们的模拟实验中的吸管相当于人体中的什么？ S：骨骼。 T：所以骨骼的作用是？ S：支撑。（板书支撑） T：骨骼还有其它作用吗？比如我们来看这是我们的头部，中间是柔软的大脑，外面是坚硬的颅骨，颅骨可以起什么作用？ S：保护。（板书保护） T：人体当中还有像这样起保护作用的骨骼吗？ S：自由回答。
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。
液压与气动990110 液压与气动 CHINESE HYDRAULICS & PNEUMATICS 1999年第1期No.11999 气动伺服定位技术及其应用* 周 洪** 1 前言 随着工业自动化技术的发展，传统气动系统只能在两个机械设定位置可靠定位并且其运动速度只能靠单向节流阀单一设定的状况，经常无法满足许多设备的自动控制要求。因而电-气比例和伺服控制系统，特别是定位系统得到了越来越广泛的应用。因为采用电-气伺服定位系统可非常方便地实现多点无级定位(柔性定位)和无级调速，此外，利用伺服定位气缸的运动速度连续可调性以替代传统的节流阀加气缸端位缓冲器方式，可以达到最佳的速度和缓冲效果，大幅度降低气缸的动作时间，缩短工序节拍，提高生产率。 虽然对气动伺服定位系统的学术研究可追溯到80年代初期，但真正实现其工业实用化却是近几年的事。关键的技术困难是状态反馈控制参数的优化设定十分复杂，难以被一般的用户掌握。由于缺乏具有工程可靠度的参数优化算法，目前一般在市场能得到的气动伺服定位系统其控制参数往往是预先在生产厂家设定的，即根据用户提出的使用要求，由厂家提供整套已调试完毕的系统。同时，为了容易地得到令人满意的控制结果，往往要对所采用的气缸进行特殊设计，以使其摩擦特性得到优化(见图5)。这种系统在应用中的局限性是十分明显的： 大幅度增加气动伺服定位系统的成本，缩短其寿命并且气缸的最大运动速度受到 限制； 用户选择气缸的机械结构时受到很大的限制，因为并不是每种机械结构的特种气缸都能在市场上找到的； 由于用户得到的是一套他们无法自行重新调整的系统，因此当一些重要使用参数改变时(如负载质量)，必须请厂家派人对控制参数重新调整，既费时又费钱。 本文将系统地介绍一种达到工业实用化的气动伺服定位系统智能控制器—— SPC100，用户只需要给入最基本的元件尺寸和运行数据(如气缸行程和缸径，负载重量及气源压力等)，SPC100即可自动地完成其反馈控制参数计算和优化。因此用户无需掌握复杂的控制技术和气体力学等方面知识即可操作气动伺服定位系统。这一成果改变了只有专家才能对气动伺服定位系统进行操作和调整的传统局面。 2 系统描述以及最优控制参数的理论设计 一个气动伺服定位系统主要由4部分元件组成(见图1)。 file:///E|/qk/yyyqd/yyyq99/yyyq9901/990110.htm（第 1／8 页）2010-3-23 14:06:16
名称：基于气动肌肉驱动的飞行蝠鲼设计 创新点： 1、仿生学设计：通过对鱼类蝠鲼水下一种具有特殊运动模式——大胸鳍拍动驱动的的研究， 鱼飞翔在天空是一种让人耳目一新的设计，它既不是扑翼驱动的飞鸟机器人（电机驱动、拍动频率较高、扑翼分段通过铰链连接），也非单纯的飞艇通过氦气充气产生浮力、通过尾部风扇和舵面控制飞行姿态，飞行蝠鲼同时具有这两种运动模式的优点。 2、使用清洁无污染能源：使用气动这种清洁高效的新颖驱动方式替代传统马达、舵机驱动， 能源使用效率高。 3、实现无动力自主悬浮：使用轻木、碳纤维制作飞行蝠鲼的主体骨架，外表为塑料弹性密 封蒙皮，整机分为主机体、左右胸鳍和尾鳍四部分，分部分充入等压氦气，以保证飞行蝠鲼可以自主漂浮在空气中。 4、采用新型动力结构：在飞行蝠鲼的动力部分，胸鳍和尾鳍内部按照真实鱼类拍动鱼鳍的 肌肉作用方向和力量排布相应数量的气动肌肉，使用微型气泵对左右胸鳍和尾鳍按照一定控制指令充入、排出空气，以实现肌肉的拉伸和收缩，通过合理排布的肌肉布局来实现鱼鳍上下拍动和前后卷曲的复杂动作。 5、整机综合性能优良：放弃传统电动和油动小型飞行器的动力系统，飞行蝠鲼几乎达到了 零排放、零污染、零噪声，飞行平稳性非常高，速度不高，但空中机动性能较好，非常适合用做长航时的航拍、侦查和物资投放。 实用性： 1、本飞行器属于浮空飞行器范畴。飞行非常平稳，较垂直方向上尺寸较大的飞艇，其气动 布局更符合流体力学的相关规律，在无动力悬浮空气的情况下，如果有近水平方向气流，可自然产生部分升力，也可通过尾鳍轻松调整飞行蝠鲼的俯仰姿态进而改变其运动轨迹。 2、由于在保证机体采用分段密封的方法，密封效果良好，可在近地或高空长时间低速巡航
文章编号:100225855(2007)0420022202 作者简介:吴健(1976-),河南省鹿邑县人,讲师,主要从事过程装备与控制技术的教学与研究工作。 比例调节气动阀结构与静力分析 吴健,肖俊建 (浙江工业大学浙西分校,浙江衢州324006) 摘要 分析了新型比例调节气动阀的结构以及工作原理,并对该阀进行了静力分析,通过给定的参数,计算并绘制出了该阀的调节特性曲线,指出了该阀的应用场合以及现实意义。 关键词 比例阀;静力分析;调节特性曲线 中图分类号:TH 134 文献标识码:A Structure and static force analysis of ne w type proportionalregulated pneumatic valve WU Jian ,XIAO J un 2jian (West Branch of Zhejiang University of Technology ,Quzhou 324006,China ) Abstract :Analyzed the structure and operational principle of the new type proportional regulated pneumatic valve ,and analyzed its static force.Under given conditions ,calculated and draw an ad 2justment curve of the the valve.Pointed out application and operation significance of the valve.K ey w ords :proportional valve ;static force analysis ;adjustment curve 1 概述 常规比例压力控制阀(溢流阀或减压阀)的输出压力均随输入压力的增大而升高。本文所介绍的新型比例调节气动阀同时具有正比例调节和反比例调节(输出压力随着输入压力的增大而降低)两种功能。常规减压阀无论是直动式、先导式或二通型、三通型,在输入弹簧力或电磁力为零时,连接一次进口压力与二次出口压力之间的可变节流口通流面积均为最小,即为“常闭”状态,因而此时输出压力最低。而新型比例调节气动阀在输入压力为零时,连接一、二次压力的可变节流口通流面积最大,即为“常开”状态,因而此时输出压力最高。当进口压力增加到一定值时,可变节流口通流面积则变成最小为零。目前该阀最具前景的应用场合是空气压缩机行业,通过反比例阀的控制作用使得压缩机的外部用气量与压缩机的进气量保持一致。2 工作原理 比例调节气动阀(图1)的进口压力P 1比较小时,垫片将不会顶起,小锥形阀瓣处于全开状态,此时,出气口压力P 2随进气口P 1增大而增大,起到正比例调节的作用。 当进气口压力P 1增加到一定值时,垫片在进气 口压力P 1、大弹簧的作用力W 1、复位小弹簧的作用力W 2以及出气口压力P 2的作用下而左移,同时,小锥形阀瓣也将左移,致使节流孔的通流面积减小,从而使出气口压力P 2随进气口压力P 1的增大而减小,起到反比例调节的作用 。 11阀体 21带阻尼孔螺钉 31螺塞 41可调旋钮51上弹簧座 61大弹簧 71下弹簧座 81活塞 91垫片101小阀瓣(锥形) 111复位小弹簧 121微调旋钮 图1 比例调节气动阀 当进气口压力P 1达到设定最大值时,垫片和复位小弹簧左移到最大值,小锥形阀瓣将出气口完全堵塞,即节流孔通流面积为零,气体只能从旁边的 — 22— 阀 门 2007年第4期
北京理工大学科技成果——气动人工肌肉在仿生机 器人中的应用技术 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。 气动人工肌肉（左）和仿人灵巧手（右） 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。 双臂机器人 技术创新 低成本气动人工肌肉的研制，十七自由度仿人灵巧手的研制，十
一.肌肉的协作关系 人们的动作有的很简单，但更多是复杂的动作。一个简单的动作，往往不是一块肌肉所能完成的，而复杂的体育动作，则在数块或数群肌肉的协调工作下，使环节产生各种各样的运动，或使人体维持某种姿势。根据肌肉在运动中所起的作用，可分为原动肌、主动肌、次动肌(副动肌)、对抗肌、固定肌及中和肌等。 1．原动肌、主动肌和次动肌 直接完成某动作的肌肉叫做原动肌。如肱肌、肱二头肌、肱桡肌和旋前圆肌4块肌肉是屈肘关节的原动肌。其中前两块在原动肌中起主要作用，因此叫主动肌；后两块起次要作用，故叫次动肌(或副动肌)。 2．对抗肌 与原动肌功能相反的肌肉叫对抗肌。如肱三头肌就是屈肘关节肌的对抗肌。当肘关节做伸的动作时，则相反。 3．固定肌 将原动肌定点所附着的骨固定起来的肌肉叫固定肌。如做前臂弯举动作时，肩关节周围的肌肉必须固定肱骨，才能更好地完成这一动作，这时肩关节周围的肌肉就是固定肌。 4．中和肌 有的原动肌具有数种功能，如斜方肌除了可使肩胛骨后缩外，还能使它上回旋。在进行扩胸运动时，只要求肩胛骨后缩，不要求上回旋。这时有另一些肌肉(如菱形肌和胸小肌)参与工作以抵消斜方肌上回旋的作用，使斜方肌充分发挥肩胛骨后缩的功能。这些限制或抵消原动肌发挥其他功能的肌肉就叫做中和肌。 有时两块原动肌都具有多种功能，其中有一种(或两种)功能是共同的，其他则是互相对抗的。如胸大肌可使上臂屈、内收和内旋。背阔肌可使上臂伸、内收和内旋。因此胸大肌和背阔肌在上臂内收和内旋方面为原动肌，这时屈、伸方面的功能则相互限制或抵消，因此互为中和肌。 二.肌肉的工作性质 肌肉工作性质可分为动力性工作和静力性工作两大类。 1．动力性工作
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.