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人体仿生机器人的设计与实现人类自古以来一直在追求模拟和复制自然界中的生物体，在机器人领域也不例外。
人体仿生机器人就是一种可以模拟人类动作和行为的机器人。
它的设计和实现需要工程师不断地研究人类的解剖学和生理学知识，为机器人的材质、功能和控制系统提供参考。
下面，我们将探讨人体仿生机器人的设计和实现。
一、材质选择材质的选择对于人体仿生机器人的设计来说至关重要。
机器人需要具备与人类身体相似的柔韧性和强度，同时还要具有耐久性和可维修性。
传统的机器人使用金属和塑料等材质，但这些材质通常缺乏弹性和柔韧性。
因此，在人体仿生机器人的设计中，使用新型的材料，如导电聚合物和柔性材料，可以提高机器人的柔韧性并减轻机器人重量。
二、机械结构机械结构是人体仿生机器人的骨架，其设计必须借鉴人体骨骼和肌肉的结构。
如果机器人的机械结构过于复杂和臃肿，那么机器人就无法进行高难度的动作。
因此，在机械结构的设计中，要尽量简化部件数量，减少机械结构的重量，提高机器人的敏捷度和稳定性，以便适应不同的环境和场景。
三、运动控制系统人体仿生机器人还需要一个高效的运动控制系统，以便模拟人体肌肉的收缩和放松。
这个系统需要可以实现人类大脑和肌肉的相互协调，以实现人工智能和高度精确的运动控制。
这需要研究人体运动控制系统的神经学原理，并通过模拟和仿真来提高机器人控制系统的性能。
四、感知系统感知系统是人体仿生机器人的眼睛和耳朵。
它能够模拟人类的视觉、听觉、触觉和嗅觉，以实现机器人的环境感知和信息处理。
在感知系统的设计中，需要借鉴人体器官的结构和作用，以提高机器人对外部环境的适应能力和反应速度。
同时，还需要研究语音识别、图像识别和运动跟踪等技术，以进一步提高机器人的感知能力。
五、应用场景人体仿生机器人的应用场景非常广泛，可以用于工业生产、医疗卫生、军事防御、服务机器人等领域。
但同时，这些应用场景也带来了技术挑战，因为不同的应用场景需要不同类型的机器人。
例如，医疗机器人需要更加精密的控制系统，以支持手术和治疗；而服务机器人需要更加智能化的感知和控制系统，以支持人机交互和服务。
气动人工肌肉高速高精度研究气动人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscles，简称PAMs）是一种新型的驱动元件，具有高速高精度的特点，正在被广泛研究和应用。
本文将从气动人工肌肉的原理、结构和应用三个方面进行阐述。
一、气动人工肌肉的原理气动人工肌肉是一种基于气体压力控制的驱动元件，其原理类似于人体肌肉的运动。
它由柔性的材料制成，内部充填压缩空气或气体混合物。
当空气进入气动人工肌肉时，由于内部空间的收缩，肌肉会产生收缩力，从而实现运动。
通过控制气体的流入和排出，可以控制气动人工肌肉的运动速度和力量大小。
二、气动人工肌肉的结构气动人工肌肉主要由外包层、内腔、连接件和控制系统组成。
外包层是由柔性材料制成的，可以承受内部压力并保持结构的稳定性。
内腔是气动人工肌肉的主体部分，通过充填气体来实现收缩和伸展。
连接件用于连接气动人工肌肉和其他机械部件，传递力量和运动。
控制系统包括传感器、执行器和控制算法，用于监测和控制气动人工肌肉的运动状态。
三、气动人工肌肉的应用1. 机器人领域：气动人工肌肉可以用作机器人的驱动元件，实现灵活的运动和精准的控制。
机器人可以通过气动人工肌肉模拟人体肌肉的运动，具有更高的运动速度和精度，可以应用于工业生产、医疗护理、危险环境等领域。
2. 辅助康复领域：气动人工肌肉可以用于辅助康复设备，帮助患者恢复运动功能。
通过控制气动人工肌肉的收缩和伸展，可以模拟人体肌肉的运动，实现康复训练的目的。
气动人工肌肉具有轻巧、柔软和可调节性的特点，适合应用于康复机器人、义肢和外骨骼等设备中。
3. 智能结构领域：气动人工肌肉可以用于构建智能结构，实现形变和运动控制。
通过在结构中加入气动人工肌肉，可以实现结构的自适应、柔性和变形特性。
这种智能结构可以应用于航空航天、建筑工程和汽车制造等领域，提高产品的性能和安全性。
气动人工肌肉具有高速高精度的特点，正在成为研究和应用的热点。
通过深入研究气动人工肌肉的原理和结构，可以进一步推动其在机器人、康复和智能结构领域的应用，为人类带来更多的便利和福祉。
一种负压驱动软体人工肌肉的设计与制备
软体人工肌肉是一种模拟生物肌肉的材料，能够通过外部力或能量输入来实现形状和运动的变化。
负压驱动软体人工肌肉是指通过对软体材料施加负压，控制软体人工肌肉的收缩和松弛，从而实现其形状和运动的变化。
本文将介绍一种负压驱动软体人工肌肉的设计与制备方法。
设计负压驱动软体人工肌肉的结构。
软体人工肌肉一般由聚合物材料构成，如聚乙烯醇（PVA）或聚丙烯酸丁酯（PBA）。
在材料的选择上，要考虑其可塑性和可逆性，以便实现软体人工肌肉的收缩和松弛。
将这些聚合物材料制成管状或片状结构，形成软体人工肌肉的基本单元。
制备软体人工肌肉的制备方法。
通过将聚合物材料溶于溶剂中，制备成软体人工肌肉的原始材料。
然后，将原始材料注入模具中，经过一定的时间和温度，使其凝固和固化，形成软体人工肌肉的最终形态。
在制备过程中，要留意控制温度和时间，以确保软体人工肌肉的性能和质量。
实现负压驱动软体人工肌肉的运动。
通过对软体人工肌肉施加负压，可以实现其收缩和松弛。
具体而言，施加负压可以使软体人工肌肉的体积缩小，从而实现收缩；释放负压则可以使其体积恢复，从而实现松弛。
这种负压驱动的原理，可以通过外部的气压控制，或者采用一种带有开关的封闭系统来实现。
一种负压驱动软体人工肌肉的设计与制备主要包括材料选择、制备方法和运动实现。
通过这种方法，可以制备出具有形状和动作可控性的软体人工肌肉，在机器人、仿生器械等领域具有广泛的应用前景。
人工合成肌肉及其应用前景研究近年来，随着科技的不断发展，人工合成肌肉成为了新兴领域中备受瞩目的研究方向。
人工合成肌肉的研究旨在模仿和复制人类肌肉的结构和功能，以实现更好的可控性和自我修复能力。
这种创新技术不仅能够催生许多医学和科技方面的应用，还具有巨大的潜力在机器人学、人机接口和仿生学领域发挥作用。
一、人工合成肌肉的技术原理与方法人工合成肌肉的研究主要基于生化和生物灵感的方法。
目前主要的技术包括智能水凝胶、液晶聚合物和人工微肌肉。
其中，智能水凝胶以其高度水合、刺激响应和可自修复的特点而受到广泛关注。
这种凝胶能够通过外界刺激，如温度、pH值、电场等，改变它们的形态和机械性能。
此外，液晶聚合物也是一种常见的人工合成肌肉材料，它能够通过改变温度或电场来实现形态和机械性能的可控调节。
人工微肌肉则是通过利用微尺度的纤维和聚合物薄膜来构建的，其模仿了自然肌肉纤维的收缩和延展性能。
二、人工合成肌肉的应用前景1. 医疗领域：人工合成肌肉的可控性和自我修复能力为医疗领域带来了许多应用前景。
例如，人工合成肌肉可以被用来替代病患的受损肌肉组织，恢复他们的运动功能。
此外，人工合成肌肉还可以用于辅助康复训练，提供精确的力量和控制，帮助患者尽快恢复到正常状态。
2. 机器人学：人工合成肌肉对机器人学领域具有重要的意义。
传统的机器人往往是由硬件零件构成的，缺乏柔性和适应性。
但人工合成肌肉可以提供更接近人类肌肉的柔性特性，使机器人能够更自然地进行运动和触摸。
这将推动机器人在更广泛的领域应用，如医疗护理、救援任务和日常生活中的协助服务等。
3. 人机接口：人工合成肌肉技术有助于改善人机接口的交互性能。
通过将人工合成肌肉应用于假肢和外骨骼等辅助工具中，可以使其更加符合人体的解剖结构和运动特性。
这将提高使用者的操作灵活性和舒适度，增强人与机器的融合度，使得人机交互更加自然和高效。
4. 仿生学研究：人工合成肌肉为仿生学研究提供了新的方向和途径。
什么是人工肌肉，它们有哪些应用？人工肌肉是一种具有生命特征的机械装置，主要由聚合物材料、金属线或合成纤维制成。
它们能像真实的肌肉一样收缩和扩张，吸收能量和产生动作，已经成为机器人、医学、航空航天、体育等领域中的重要研究热点。
本文将就其应用领域进行介绍。
一、机器人领域1. 仿生机器人仿生机器人是一种属于生物机器人的机器人，是通过仿生学的原理和方法，模仿生物的外形和功能设计的机器人。
人工肌肉作为仿生机器人的重要部分，能够用于实现机器人的运动、力量和灵活性等特点，给机器人带来更加逼真的人体仿真。
2. 智能康复机器人智能康复机器人是一种利用专业设计和技术实现体内受损或失去功能部位的功能康复的机器人。
人工肌肉能够提供自然、对称的力量和运动，可以替代受损的肌肉和骨骼，为康复患者提供更加自然、舒适的治疗效果。
二、医学领域1. 人工心脏人工心脏是一种利用人工肌肉等器官模拟心搏的医疗设备。
人工肌肉和其他模拟人体器官的材料能够保证心脏得到正常的供氧和血液循环，是心脏移植和人工心脏等更多医疗方案的重要一环。
2. 功能性假肢传统假肢常常限于生产商的固定型号和标准化设计，难以提供个性化和舒适的体验。
人工肌肉可以作为一个极大的进步，可以为失去肢体的人重新获得自由和灵活性。
此外，人工肌肉也可以与智能康复机器人结合使用，为瘫痪和失去感觉的人提供更加优质的治疗体验。
三、航空航天领域1. 作为实验载荷人工肌肉可以用作宇宙飞船的实验载荷，该技术被称为“空间可操纵探针”。
通过观测人工肌肉在重力微弱或不同的重力环境中的运动方法，科学家可以了解人类身体对重力的适应性、肌肉变形等信息，为人类在未来探寻外太空提供必要的数据支持。
2. 辅助航空设计专家们正在研究利用人工肌肉来设计起落架、翅膀和发动机，使飞机能够更省油、更轻便、更稳定。
未来，人工肌肉将成为飞行器设计和改进的重要组成部分。
四、体育领域1. 运动员的训练人工肌肉可以用于运动员的训练，帮助他们提高身体素质，增加肌肉和体能。
人工肌肉的原理与应用引言随着科技的发展，人们开始尝试模仿生物的运动方式，探索机械化肌肉的概念。
人工肌肉是指使用电力、空气或液压等力量来模拟人体自然运动，实现工业机器人、助行器等领域的自主式移动，等等。
那么它的原理是什么？如何应用呢？人工肌肉原理人工肌肉是一种由人造材料和能够响应外部刺激的附加系统组成的人工设备，被用来模拟生物肌肉的功能。
它的主要原理是利用智能材料的学科研究成果，对柔性材料在电、热、光或化学刺激下的响应来制造。
最常见的人工肌肉材料有智能合金、聚合物和仿生电子皮肤等。
智能合金是一种内能存储比其他合金大的合金，它可以通过加热缩短或者拉伸来实现外部刺激。
聚合物是一种由长链聚合物制造的材料，也可以通过电、热等方式使其膨胀或收缩。
象征电子皮肤是一种聚合物材料，内部包含感应器、负责信号转换的电路、小型电池组和高性能的储能电容器等多种组件。
根据受刺激的机构不同，可以将人工肌肉分为电动人工肌肉、热致驱动人工肌肉、光致自带人工肌肉、化学驱动人工肌肉等几种类型。
电动人工肌肉电动人工肌肉是最常见的人工肌肉类型。
它由金属线圈、绝缘材料和电池组成。
它模仿了人体自然运动，当电荷通过金属线圈的时候，线圈内的磁场被激活，金属线圈被吸引或推开。
这个电子设备适用于机器人、助行器等领域。
热致驱动人工肌肉热致驱动人工肌肉由两个层叠的聚合物层组成，其中第二个聚合物层赋予了人造肌肉能快速收缩的能力。
两个层之间放置了金属电极，在电极之间加电流时，金属将会发热，使聚合物膨胀，并使人造肌肉膨胀和收缩。
光致自带人工肌肉这种人工肌肉将光敏染料嵌入到聚合物中，并使用可见光或紫外线照射的方式驱动人造肌肉的膨胀和收缩，使其摆脱了电动人工肌肉繁琐的组装和材料损耗。
化学驱动人工肌肉通过将酸、碱或其他化学成分注入聚合物材料中，可以驱动人造肌肉。
当化学反应发生时，聚合物材料膨胀和收缩，进行动力学操作，实现运动作用。
人工肌肉应用人工肌肉的应用非常广泛，它既可以被用于人造机器人，又可以被用来打造高性能外骨骼、助行器、智能假肢和智慧家居等。
Value Engineering———————————————————————作者简介:卢炼（1996-），男，重庆人，学生，硕士研究生，研究方向为机器人动力学。
0引言下肢外骨骼机器人是一种用于人体下肢康复或者助力的可穿戴式的智能装备。
而气动人工肌肉因其具备功率密度高、材质轻、柔顺性好等优点，被广泛用作共融机器人柔性关节的驱动源，由此研制的气动柔性关节具备负载/自重比大、系统集成度高以及人机协作交互安全等特性，在医疗健康、智能制造、灾害救援等领域中得到广泛应用，例如外骨骼机器人、柔性机械臂以及足式机器人等共融机器人。
国内外众多学者以拮抗式气动人工肌肉关节为基本原型，衍生出多种新型的气动人工肌肉关节。
针对现有单组拮抗式配置的气动肌肉关节输出力小、运动范围不足等问题，学者们通过采用2组拮抗式气动人工肌肉关节进行配置[2]，设计了一种级联气动人工肌肉仿生关节，基于气动肌肉群拮抗驱动设计一种3自由度球关节结构机器人[3]，将拮抗式气动人工肌肉关节结构应用到“cheetah ”机器人系统中[4]，以及为提高工作效率而设计的捆扎交错式气动人工肌肉执行器[5]。
通过分析可以看出目前气动人工肌肉驱动关节研究大多在解决收缩率小，输出力小，运动范围不足等问题。
本文通过对下肢外骨骼的分析，针对气动肌肉的特性优，提出一种气动人工肌肉驱动双四杆膝关节结构，解决了气动人工肌肉机构收缩率小、运动范围不足的问题，并为其他气动肌肉驱动的外骨骼关节的设计提供指导作用。
1气动肌肉驱动的下肢外骨骼膝关节气动柔性关节是一种利用气动弹性元件或特殊腔体中的气压变化进行驱动，并结合创新设计的机械结构而产生拉伸、旋转或弯曲运动。
本文采用于海涛[6]等提出的气动肌肉静态数学模型，基于此模型建立下肢外骨骼膝关节数学模型，并对外骨骼膝关节进行动力学研究。
气动肌肉的数学模型：（1）式中，F 为气动人工肌肉输出力，p 为气动人工肌肉输入气压，ε为气动人工肌肉收缩率，k i （p ）为关于p 的待定函数族，k i （p ）=k i1p+k i2p ，k i1和k i2为拟合系数，μ为ε的非线性衰减系数。
ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－５０９Ｘ.２０１９.１０.００３仿生肌肉驱动器的设计及动力学仿真韩亚丽ꎬ周一鸣ꎬ惠文杰ꎬ周伟杰(南京工程学院机械工程学院ꎬ江苏南京㊀２１１１６７)摘要:基于肌肉多运动单元结构机理ꎬ提出一种由主驱动单元串联弹性元件组成基本致动单元㊁多个基本致动单元串联或并联构成类肌肉仿生驱动器的方法ꎮ首先进行驱动器的机构设计ꎻ然后进行驱动器的动力学仿真分析ꎬ研究等长收缩和恒力收缩工况下驱动器的输出性能ꎮ仿真结果表明ꎬ驱动器仿真输出与理论分析相一致ꎬ具有较好的运动输出效果ꎮ关键词:肌肉运动机理ꎻ类肌肉仿生驱动器ꎻ动力学仿真中图分类号:ＴＨ１２２㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:２０９５－５０９Ｘ(２０１９)１０－００１０－０５㊀㊀过去的数十年ꎬ机器人技术得到了迅猛发展ꎬ越来越多的机器人应用于战争㊁抢险㊁危险环境作业等方面ꎮ在这些场合中ꎬ要求机器人有着更高的瞬时力矩和功率密度ꎮ但是ꎬ目前大部分机器人仍采用传统的 旋转电机＋传动机构 的驱动方式ꎮ受传统电机的力－加速度特性以及传动机构的动力学特性的限制ꎬ现有驱动器很难满足日益复杂环境下的高性能驱动需求[１]ꎮ仿生肌肉驱动器相较于传统驱动器具有体积小㊁加速度大㊁能量密度高㊁冗余度高等优点ꎬ已成为机器人领域的研究热点[２]ꎮ常见的仿生肌肉驱动器主要包括材料类仿生驱动器(例如形状记忆合金㊁电致收缩聚合物㊁压电陶瓷等)㊁机械类的仿生肌肉驱动器(例如气动人工肌肉㊁电磁收缩器等)ꎮ其中ꎬ已经实际应用的有气动人工肌肉㊁压电陶瓷㊁电致收缩聚合物㊁形状记忆合金４种[３]ꎮ如德国ＦＥＳＴＯ公司开发了更符合工程应用的Ｍｃｋｉｂｂｅｎ型气动肌肉[４]及高可靠性的气动肌肉ＦｌｕｉｄｉｃＭｕｓｃｌｅꎮＹａｍａｋｉｔａ等[５]采用电致收缩聚合物研制了一种线性驱动器ꎬ并用于两足机器人进行运动驱动ꎮ相较于以上各种驱动器ꎬ机械类的电磁收缩人工肌肉驱动器仍处于研究阶段ꎬ布鲁塞尔大学的ＧｌｅｎｎＭａｔｈｉｊｓｓｅｎ㊁西北工业大学的秦现生等都对电磁收缩人工肌肉进行了初步研究ꎬ并取得一定的研究成果ꎬ但一些关键技术尚待解决[６－１０]ꎮ本文基于已有的研究成果ꎬ以及生物肌肉构成及其驱动机理ꎬ设计了一种由驱动单元串联弹性元件形成基本驱动单元㊁多个基本驱动单元串联或并联形成类肌肉仿生驱动器ꎬ并使用ＡＤＡＭＳ对仿生驱动器机构进行动力学仿真ꎮ１㊀仿生肌肉驱动器的机构设计１.１㊀动物肌肉的结构与工作原理动物的运动是通过骨骼肌的往复收缩带动骨骼运动来实现的ꎬ骨骼肌通过和不同种类的骨骼结构结合ꎬ产生不同的运动方式ꎮ骨骼肌是由肌纤维构成ꎬ而肌纤维又是由很多根肌原纤维组成ꎬ肌原纤维由串联的若干肌小节组成ꎬ因此骨骼肌在宏观上可以看作由若干肌小节通过串并联组成ꎬ肌小节是肌肉运动的最基本单元ꎬ图１是动物骨骼肌组成结构图ꎮ２０世纪５０年代ꎬＨｕｘｌｅｙ提出了关于肌肉运动机理的肌丝滑行学说ꎬ解释了骨骼肌的收缩原理:虽然肌肉在宏观上可表现为肌肉的缩短ꎬ但在肌细胞内部并没有肌丝或分子结构的缩短ꎬ而是若图１㊀生物骨骼肌组成结构图收稿日期:２０１８－０６－１２基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１２０５１８３)ꎻ江苏省六大人才高峰资助项目(ＪＸＱＣ－０１５)作者简介:韩亚丽(１９７８ )ꎬ女ꎬ副教授ꎬ工学博士ꎬ主要研究方向为仿生机器人及智能控制ꎬｓ９６６２３７＠１６３.ｃｏｍ.０１ ２０１９年１０月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｏｃｔ.２０１９第４８卷第１０期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４８Ｎｏ.１０干肌小节内的粗细肌丝之间有着细微的滑行ꎮ当肌小节处于舒张状态时ꎬ粗丝与细丝之间重叠减少ꎬ肌原纤维伸展ꎻ当肌小节处于收缩状态时ꎬ粗丝与细丝之间重叠增加ꎬ则肌原纤维收缩[１１]ꎮ１.２㊀驱动器机构设计方案宏观上动物肌肉可以看作是由若干肌小节通过串并联的形式组合而成ꎬ图２为基于肌肉组成原理设计的仿生肌肉驱动器ꎬ采用音圈电机模拟肌小节收缩运动ꎬ采用串联不同刚度系数的弹簧模拟肌肉柔性ꎮ音圈电机串联一个弹簧元件构成基本致动单元ꎬ若干基本致动单元串联构成单支链ꎬ若干单支链再并联则构成一个完整的仿生肌肉驱动器ꎬ图２给出的驱动器示意图为３个制动单元串联形成单支链ꎬ３个单支链形成整个驱动器ꎬ实际中ꎬ可根据不同的驱动需求ꎬ进行不同串㊁并联单元的组合ꎮ图２㊀仿生肌肉驱动器串并联形式示意图㊀㊀仿生肌肉驱动器机构中使用特别定制的小型音圈电机ꎬ其内部带有通轴ꎬ通轴末端旋有螺母ꎬ起到限位的作用ꎮ音圈电机是此仿生肌肉中唯一的主动元件ꎬ通过控制其电流的大小和方向可以精确控制线圈滑块的具体位置和音圈电机输出力的大小ꎮ通过控制仿生肌肉驱动器中音圈电机的开与关可以使仿生肌肉驱动器有着不同的控制效果ꎮ为了模拟出肌肉的柔性特征ꎬ需要引入有效的弹性元件ꎬ本机构采用音圈电机串联弹性元件的方式来实现[１２]ꎮ弹性元件由上下两块弹簧连接件和中间可更换的弹簧组成ꎬ弹簧连接件和弹簧之间的连接采用旋扭的方式ꎬ方便更换不同刚度系数的弹簧ꎮ２㊀仿生肌肉驱动器的动力学仿真基于前文设计的仿生肌肉驱动器结构ꎬ进行仿生驱动器的仿真研究ꎬ首先将ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中建立的模型导入ＡＤＡＭＳ进行动力学仿真以及等长收缩㊁恒力收缩仿真分析ꎬ通过改变各电机的激活状态及弹簧刚度系数ꎬ测量系统的状态及输出的力ꎮ根据定制的音圈电机性能参数及弹簧的弹性系数ꎬ设置仿真模型中电机输出力及弹性系数ꎮ２.１㊀等长收缩研究等长收缩实验中ꎬ结构整体长度为固定值不变ꎮ从零时间开始ꎬ间隔１ｓ激活一个电机ꎬ测量基本致动单元的输出力ꎮ分别改变基本致动单元数量和弹簧刚度系数两个变量ꎬ对结构进行动力学仿真实验ꎮ２.１.１㊀串联结构测试串联结构如图３所示ꎬ包含６个基本致动单元ꎬ分别研究串联基本致动单元数量及弹簧刚度系数对驱动器输出性能的影响ꎮ图３㊀６个基本致动单元串联结构㊀㊀１)串联基本致动单元数量对输出性能的影响ꎮ图３中各电机与弹簧的参数一致ꎬ测量得到各弹簧的变形量随基本致动单元激活状态改变的变化量ꎬ再分别测试４个基本致动单元串联和５个基本致动单元串联的结构ꎬ将３组数据进行对比分析ꎬ如图４所示ꎮ由图可以看出ꎬ同一条单链中ꎬ各图４㊀３种致动单元串联对比图电机和弹簧的输出状态相同ꎬ且最大输出力都相等ꎬ为１.５Ｎꎬ等于单个电机的最大输出力ꎮ但是在分别串联４ꎬ５ꎬ６个基本致动单元的３次仿真中ꎬ当激活基本致动单元数相同时ꎬ输出的力大小却不同ꎮ可以得出结论ꎬ串联结构中ꎬ串联的基本致动单元数增加时ꎬ不能改变结构整体的最大输出值ꎬ但输出力的种类增加了ꎮ同时ꎬ依据输出力与基本致动单元激活状态的关系ꎬ可推导得到串联结构等长收缩时的输出力Ｆｏｕｔ:Ｆｏｕｔ＝ａｎˑＦｖｃｍ(１)１１２０１９年第１０期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀韩亚丽:仿生肌肉驱动器的设计及动力学仿真式中:ｎ为串联的基本致动单元总数ꎻａ为处于激活状态的驱动单元数ꎻＦｖｃｍ为单个驱动单元的最大持续输出力ꎮ㊀㊀２)弹簧刚度系数对输出性能的影响ꎮ将３种刚度系数的弹簧交替排列ꎬ依次激活基本致动单元得到图５ꎮ对比图５和图６可以看出ꎬ在同一串联结构中不同刚度系数的弹簧变形量的大小与刚度系数成反比ꎬ且不同刚度系数的弹簧形变产生的力相等ꎬ故串联结构中增加不同刚度系数的弹簧只能改变串联结构整体的输出状态ꎬ不会改变局部基本致动单元的输出状态ꎮ串联结构中选取的弹簧的刚度系数越小ꎬ最终结构在等长收缩时输出的力越小ꎻ选取的刚度系数较大ꎬ结构可输出最大力ꎬ但电机未完全收缩ꎬ不能输出最大位移量ꎬ稳定性差ꎮ图５㊀多刚度系数弹簧下驱动器形变量与输出形变产生的力图６㊀单刚度系数弹簧形变量与力大小关系２.１.２㊀并联结构测试并联机构如图７所示ꎬ其由６个基本致动单元并联组成ꎬ下面分别研究并联基本致动单元的数量及弹簧刚度系数对驱动器输出性能的影响ꎮ㊀㊀１)并联致动单元数量对输出性能的影响ꎮ致动单元并联数从１逐步增加至６(各间隔１ｓ激活)ꎬ测量驱动器的形变量ꎬ换算成力后得到结果如图８所示ꎮ图中实线为并联结构总输出力ꎬ虚线为各弹簧变形产生的力ꎮ从图８可以看出ꎬ随着致动单元激活数增加ꎬ并联结构总输出的力也在增加ꎬ且呈固定比例ꎮ归纳并联结构输出力Ｆｏｕｔ为:Ｆｏｕｔ＝ｍˑＦｖｃｍ(２)式中:ｍ为并联基本致动单元的数量ꎮ图７㊀并联结构测试模型㊀㊀２)弹簧的刚度系数对输出性能的影响ꎮ２１２０１９年第４８卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图８㊀增加并联基本致动单元数时结构输出力的变化㊀㊀外圈基本致动单元的弹簧选取较大刚度系数的弹簧ꎬ相应的ꎬ内圈基本致动单元的弹簧选取较小刚度系数的弹簧ꎮ改变弹簧刚度系数ꎬ输出结果如图９所示ꎮ由图可以看出ꎬ同类型的基本致动单元变化状态相同ꎬ但输出力的大小不同ꎬ同时各单元内弹簧的最大形变量相同ꎬ等同于电机最大输出位移量ꎮ并联结构总输出力等于各单元输出力的和ꎬ单元输出力与弹簧的刚度系数成正比ꎮ由模拟仿真可以得出ꎬ在等长收缩中ꎬ并联结构的输出力Ｆｏｕｔ与各基本致动单元的输出力Ｆｉ关系如下:Ｆｏｕｔ＝ðｎｉ＝１Ｆｉ(３)Ｆｉ＝Ｆｖｃｍˑｋｉ㊀ｋｉɤＦｖｃｍＸｖｃｍ㊀Ｆｖｃｍ㊀㊀ｋｉ>ＦｖｃｍＸｖｃｍìîíïïïï(４)式中:Ｘｖｃｍ为电机的最大输出位移量ꎻｋｉ为基本致动单元内弹簧的刚度系数ꎮ图９㊀弹簧刚度系数对并联结构输出的影响２.２㊀恒力收缩研究恒力收缩是对整体结构施加外载荷ꎮ由于恒力收缩情况下改变基本致动单元数量的实验与２.１节等长收缩情况下一致ꎬ故本文只讨论改变弹簧刚度系数的情况ꎮ采用图１０所示结构ꎬ３个基本致动单元并联成并联机构ꎬ２组并联机构再首尾串联ꎬ基本致动单元的弹簧刚度系数变化范围为０.０５~１.００Ｎ/ｍｍꎮ测量平衡状态时ꎬ不同弹性系数弹簧对应的弹簧形变量及位移量ꎬ结果如图１１(从上至下弹簧刚度系数分别为０.０５ꎬ０.１０ꎬ０.２０ꎬ ꎬ１.００Ｎ/ｍｍ)和图１２(从下至上弹簧刚度系数分别为０.０５ꎬ０.１０ꎬ０.２０ꎬ ꎬ１.００Ｎ/ｍｍ)所示ꎮ由图可知ꎬ在正常负载范围内(外力小于并联结构的最大输出力时)ꎬ并联结构输出的位移量取决于弹簧的刚度系数ꎬ弹簧的刚度系数越大ꎬ输出的位移量越大ꎮ当负载达到最大值时ꎬ驱动器输出位移量为０ｍｍꎬ结构被拉长ꎮ图１０㊀３个基本致动单元并联成并联机构ꎬ２组并联机构再首尾串联图１１㊀弹簧的变形量随外力的变化图１２㊀结构输出位移量随外力的变化３㊀结束语本文基于生物肌肉的组成机理ꎬ提出了一种音３１ ２０１９年第１０期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀韩亚丽:仿生肌肉驱动器的设计及动力学仿真圈电机串联弹簧元件组成基本致动单元㊁再串并联基本致动单元的仿生肌肉驱动器ꎬ通过改变音圈电机的输出与不同刚度系数的弹簧ꎬ对驱动器的等长收缩与恒力收缩进行研究ꎮ仿真结果表明ꎬ增加基本致动单元的串联数量可以增大行程和瞬时速度ꎬ增加单支链(由基本致动单元串联组成)的并联数量可以提高仿生驱动器的整体负载能力ꎮ本文仅对仿生肌肉驱动器的性能指标进行了仿真分析及理论研究ꎬ后续将对机构和自重/输出力之比进行优化并对驱动器的控制进行相关研究ꎮ参考文献:[１]㊀李靖ꎬ秦现生ꎬ张雪峰ꎬ等.直线电磁驱动串并联阵列人工肌肉设计研究[Ｊ]ꎬ中国机械工程ꎬ２０１２ꎬ２３(８):８８３－８８７. [２]㊀ＳＣＨＵＬＴＺＪꎬＭＡＴＨＩＪＳＳＥＲＧꎬＶＡＮＤＥＲＧＯＲＧＨＴＢｅｔａｌ.Ｔｏ￣ｗａｒｄｍｏｔｏｒ－ｕｎｉｔ－ｒｅｃｒｕｉｔｍｅｎｔａｃｔｕａｔｏｒｓｆｏｒｓｏｆｔｒｏｂｏｔｉｃｓ[Ｃ]//５ｔｈＩＥＥＥＲＡＳ/ＥＭＢＳＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＢｉｏｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ.ＳａｏＰａｕｌｏ:[ｓ.ｎ.]ꎬ２０１４:８８７－８９２.[３]㊀王炜ꎬ秦现生.仿肌肉驱动器及其在仿生机器人中的应用[Ｊ].微特电机ꎬ２００９ꎬ３７(６):５６－６０.[４]㊀南卓江ꎬ杨扬ꎬ铃森康一ꎬ等.基于细径ＭｃＫｉｂｂｅｎ型气动人工肌肉的仿生手研发[Ｊ].机器人ꎬ２０１８ꎬ４０(３):１－７. [５]㊀ＹＡＭＡＫＩＴＡＭꎬＮＯＲＩＨＩＲＯＫꎬＹＡＳＵＡＫＩＡꎬｅｔａｌ.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｎａｒｔｉｆｉｃｉａｌｍｕｓｃｌｅｌｉｎｅａｒａｃｔｕａｔｏｒｕｓｉｎｇｉｏｎｉｃｐｏｌｙｍｅｒ－ｍｅｔａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＡｄｖａｎｃｅｄＲｏｂｏｔｉｃｓꎬ２００４ꎬ１８:３８３－３９９. [６]㊀ＭＡＴＨＩＪＳＳＥＮＧꎬＳＣＨＵＬＴＺＪꎬＶＡＮＤＥＲＢＯＲＧＨＴＢꎬｅｔａｌ.Ａｍｕｓｃｌｅ－ｌｉｋｅｒｅｃｒｕｉｔｍｅｎｔａｃｔｕａｔｏｒｗｉｔｈｍｏｄｕｌａｒｒｅｄｕｎｄａｎｔａｃｔｕａ￣ｔｉｏｎｕｎｉｔｓｆｏｒｓｏｆｔｒｏｂｏｔｉｃｓ[Ｊ].ＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＳｙｓ￣ｔｅｍｓꎬ２０１５ꎬ７４:４０－５０.[７]㊀李靖ꎬ秦现生ꎬ尤向荣ꎬ等.类骨骼肌电磁直线驱动器设计[Ｊ].微特电机ꎬ２０１１ꎬ３９(９):５５－５７.[８]㊀ＢＥＣＫＥＲＬＥＰꎬＶＥＲＳＴＲＡＴＥＮＴꎬＭＡＴＨＩＪＳＳＥＮＧꎬｅｔａｌ.Ｓｅｒｉｅｓａｎｄｐａｒａｌｌｅｌｅｌａｓｔｉｃａｃｔｕａｔｉｏｎ:ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｎｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ[Ｊ].ＩＥＥＥ/ＡＳＭＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｅｃｈａｔｒｏｎ￣ｉｃｓꎬ２０１７ꎬ２２:５２１－５２９.[９]㊀ＶＡＮＤＥＲＢＯＲＧＨＴＢꎬＡＬＢＵ－ＳＣＨＡＦＦＥＲＡꎬＢＩＣＣＨＩＡꎬｅｔａｌ.Ｖａｒｉａｂｌｅｉｍｐｅｄａｎｃｅａｃｔｕａｔｏｒｓ:ａｒｅｖｉｅｗ[Ｊ].ＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｎ￣ｏｍｏｕｓＳｙｓｔｅｍｓꎬ２０１４ꎬ６１(１２):１６０１－１６１４.[１０]ＭＡＴＨＩＪＳＳＥＮＧꎬＬＥＦＥＢＥＲＤꎬＶＡＮＤＥＲＢＯＲＧＨＴＢ.Ｖａｒｉａｂｌｅｒｅｃｒｕｉｔｍｅｎｔｏｆｐａｒａｌｌｅｌｅｌａｓｔｉｃｅｌｅｍｅｎｔｓ:ｓｅｒｉｅｓ－ｐａｒａｌｌｅｌｅｌａｓｔｉｃａｃｔｕａｔｏｒｓ(ＳＰＥＡ)ｗｉｔｈｄｅｐｈａｓｅｄｍｕｔｉｌａｔｅｄｇｅａｒｓ[Ｊ].ＩＥＥＥ/ＡＳＭＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓꎬ２０１４(９９):１－９. [１１]李靖ꎬ彭宏业ꎬ秦现生.电磁式人工肌肉控制系统的研究与设计初探[Ｊ].微特电机ꎬ２０１２ꎬ４０(６):６８－７１ꎬ７４.[１２]魏敦文ꎬ葛文杰ꎬ高涛.仿生灵感下的弹性驱动器的研究综述[Ｊ].机器人ꎬ２０１７ꎬ３９(４):５４１－５５０.ＴｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｂｉｏｎｉｃｍｕｓｃｌｅｄｒｉｖｅｒＨａｎＹａｌｉꎬＺｈｏｕＹｉｍｉｎｇꎬＨｕｉＷｅｎｊｉｅꎬＺｈｏｕＷｅｉｊｉｅ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＪｉａｎｇｓｕＮａｎｊｉｎｇꎬ２１１１６７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｍｕｓｃｌｅｍｕｌｔｉ－ｍｏｔｉｏｎｕｎｉｔꎬａｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｗｈｉｃｈａｂａｓｉｃａｃｔｕａｔｉｏｎｕｎｉｔｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａｓｅｒｉｅｓｏｆｅｌａｓｔｉｃｅｌｅｍｅｎｔｓａｎｄａｍａｉｎｄｒｉｖｅｕｎｉｔꎬｔｈｅｎａｐｌｕｒａｌｉｔｙｏｆｂａｓｉｃａｃ￣ｔｕａｔｉｏｎｕｎｉｔｓａｒｅｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｓｅｒｉｅｓｏｒｉｎｐａｒａｌｌｅｌｔｏｆｏｒｍａｍｕｓｃｌｅ－ｌｉｋｅｂｉｏｎｉｃｄｒｉｖｅ.Ｆｉｒｓｔꎬｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｄｅ￣ｓｉｇｎｏｆｔｈｅｄｒｉｖｅｒｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔꎻｔｈｅｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄｒｉｖｅｒｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｄｒｉｖｅｒｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｉｓｏｍｅｔｒｉｃｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｓｔａｎｔｆｏｒｃｅｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎ.Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｒｉｖｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｕｔｐｕｔｉｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｈａｓａｇｏｏｄｍｏｔｉｏｎｏｕｔｐｕｔｅｆｆｅｃｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｕｓｃｌｅｍｏｖｅｍｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍꎻｃｌａｓｓｍｕｓｃｌｅｂｉｏｎｉｃｄｒｉｖｅꎻｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ４１２０１９年第４８卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀。
文章编号:1002 0446(2008)02 0142 05基于人工肌肉的机器人驱动关节设计与研究应申舜,秦现生,任振国,冯华山,王战玺(西北工业大学机电学院,陕西西安 710072)摘 要:提出一种基于人工肌肉的新型驱动关节设计方法,用于提高机器人的驱动性能.通过定义关节结构的笛卡儿坐标系统,建立了反映关节结构参数与工作空间、结构强度、动力学特性之间关系的数学模型.在上述分析的基础上,采用多目标规划算法对驱动关节进行优化设计,并给出相应的设计变量、目标函数、约束条件和求解方法.最后,将该方法应用于某四足机器人髋关节的设计过程.仿真结果表明,基于人工肌肉的新型驱动关节具有良好的强度、灵巧度和承载能力.关键词:人工肌肉;驱动关节;多目标规划;运动解耦中图分类号: TP 242 文献标识码: AD esi gn and R esearch of Robot Drivi ng Jo i nt Based on ArtificialM usclesY I N G Shen shun ,Q I N X ian sheng ,RE N Zhen guo ,FE NG H ua shan ,WANG Zhan x i(School ofM echatronics ,N ort hw este rn Pol y te chnical Universit y ,X i an 710072,Ch i na )Abstract :In orde r to i m prove the dr i v i ng perfo r mance o f ex isti ng robo t ,an artifi c i a l m usc l e based m ethod is proposed todesi gn nove l dr i v i ng joints .F i rstl y ,the Cartesian coordi nate syste m of the jo i nt mechan i s m is defi ned ,and a m athe m atica l m ode l is constructed to express the re lati onshi ps a m ong the struc t ure para m eters ,wo rkspace ,struc t ure i n tensity ,and dy na m ica l fea t ures o f the dr i v i ng j o ints .Based on t hese analyses ,a m ulti ob j ec ti ve prog ramm i ng algor it h m i s then utilized to opti m ize the design o f the driving j o i n ts ,and such re levant facto rs as the design var i ables ,objecti v e f uncti on ,constraint conditi ons and so l u tion m ethod are presented in deta i.l F i nall y ,the proposed m et hod is app lied to the sc i a tic j o i nt desi gn o f a quadruped robot ,and the si m u l a ti on results prov e t he advantages of the a rtific i a l m uscle based dr i v i ng j o i nt i n ter m s o f streng th ,dex terity ,and ca rry i ng capac it y .K eyword s :artific i a lm uscle ;dr i v i ng j o i nt ;mu lti objecti v e prog ra mm i ng ;movem ent decoupli ng基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775186);西北工业大学科技创新基金资助项目(2006CR09);国防基础科研项目(A2720060275).收稿日期:2007-05-061 引言(Introduction)机器人的关节驱动系统是机器人的重要部件之一,仿袋鼠机器人、仿人型跑步机器人等都需要结构紧凑、能提供爆发力的驱动关节.研究表明[1],仿人型跑步机器人起跳时腿关节所需力矩约为520N m ,而目前采用稀土永磁技术的L W X 型无刷直流力矩电动机(重14.5kg )只能产生约25N m 的力矩.与电机驱动配套的减速装置、传动装置使得机器人关节结构复杂、效率低,还会引起噪音[1].为了获得输出力矩大、结构简单、运动范围大、易于控制的机器人关节,国内外专家和学者纷纷展开研究,并取得了一系列成果.如,文[2]设计了一种新型的三自由度垂直相交运动解耦液压伺服关节,具有较高能量密度,适用于机器人操作臂;文[3]应用交流伺服系统直接驱动技术,设计出高性能的机器人关节一体化驱动系统;文[4]提出形状记忆合金驱动的机器人关节驱动器,采用推挽式结构,有效利用两条相同的S MA 弹簧以产生较大的输出力和动作幅度,对形状合金机器人关节驱动器的控制进行了充分的理论论证;文[5]设计了一种3自由度的关节系统,其结构、强度、运动、工作空间都经过优化,可广泛应用于多冗余空间操作臂、机器人关节等场合;文[6]用一对镍钛形状记忆合金实现水底行走机器人关节的摆动,结构简单有效.可见,机器人驱动关节设计受到广泛重视,基于人工肌肉的关节设计成为研究热点.但是,采用人工肌肉驱动的机器人关节由于结构的限第30卷第2期 2008年3月机器人ROBO TV o.l 30,N o .2M arch ,2008制,目前还只能提供单自由度和较小的输出力矩.本文在尽可能符合生物关节运动特性的基础上,采用人工肌肉提供关节驱动力,进行机器人驱动关节的一体化设计,以增加关节的输出力矩和灵活度,简化结构和控制环节,提高机器人的综合性能.图1 基于人工肌肉的驱动关节F i g.1 R obot dr i v i ng j o i n t based on artific i a lm uscles1.定铰链架2.可调螺钉3.K ev l a r T M连接用细绳4.螺钉5.人工肌肉6.滑轮7.滚动轴承8.十字轴9.动铰链架2 关节结构设计(Design of joint m echanis m)2.1 基本组成图1(a)是基于人工肌肉的驱动关节结构示意图,结构主体为胡克铰机构,由定铰链架1、十字轴8、动铰链架9组成,滑轮6固接在十字轴上,人工肌肉5两端通过Kev lar TM被动细绳3与可调螺钉2、滑轮6连接,螺钉4连接关节与机器人主体.人工肌肉主动收缩时,拉动滑轮旋转,继而带动十字轴及动铰链架旋转,产生关节俯仰(pitch)、侧摆(ya w)及它们的复合运动.2.2 坐标系与变量描述驱动关节的主体结构是一个胡克铰,两铰链架沿着相互垂直的轴线有两个相对转动的自由度,如图1 (b)所示.在胡克铰的中心点O建立与位于下方的铰链架(以下简称定铰链架)固联的定坐标系Oxyz.x轴为其两侧壁圆孔中心连线方向,y轴与其底面平行且与x轴垂直,z轴与其底面垂直;同时建立与另一铰链架(以下简称动铰链架)固联的动坐标系O x y z,y 轴为其两侧壁圆孔中心连线方向,x轴与其底面平行且与y轴垂直,z轴与其底面垂直.初始状态下,两坐标系重合.胡克铰的运动可以描述为:铰链架2先绕动坐标系的x轴旋转 角,再绕动坐标系的y轴旋转角.设动铰链架底面中心点P到十字轴中心O距离为p,则P在坐标系Oxyz下的坐标为:p xp yp z=psinsin coscos cos(1) 、 反映了驱动关节两个自由度的运动幅度.给定 、 的值,就能根据式(1)求出P在任何位置的坐标;反过来,P要达到工作空间内任何一点的位置,都可以通过反向运动学求出 、 .2.3 工作空间驱动关节机构的工作空间分析,就是在考虑人工肌肉变形前提下,求关节所能达到的空间位置.式(1)反映了点P坐标与 、 之间的关系,研究结果表明[7],胡克铰的工作空间与铰链架外侧壁间距、两内侧壁间距、底面宽、两孔轴线与铰链架底面外侧的距离、两孔轴线与铰链架底面内侧的距离有关,胡克铰用作驱动关节结构的主体框架,其工作空间还受肌肉变形量影响,肌肉纤维和滑轮还会与侧壁产生干涉,这使得用数学建模的方法求解 、 十分困难,本文采用!模型拟合法[8]∀求驱动关节的工作空间,步骤如下:(1)用UG构建驱动关节的零件实体并完成装配;(2)利用Paraso li d接口技术,把装配体导入多体动力学分析软件ADAM S;(3)添加肌肉驱动仿真模型;(4)在定铰链架和地之间建立固定副,分别在动、定铰链架和十字轴之间建立转动副,在定、动铰链架之间添加接触,由此,构建完成基于人工肌肉的驱动关节的多体动力学系统;(5)结合ADAM S传感器和测量器的使用,进行脚本控制仿真,取 =1,10,20,#,30∃等一组值,求得定、动铰链架开始接触时的 值,同时记录P点的坐标;图2 关节工作空间F ig.2 W o rkpace of jo i nt143第30卷第2期 应申舜等: 基于人工肌肉的机器人驱动关节设计与研究(6)用M atlab 函数polyfit 求 、 的最小二乘曲线拟合.图2(a)是求得的关节两自由度角位移的最小二乘拟合曲线.图中曲线上的点表示 、 能够达到的最大值,曲线围成的部分是两自由度能达到的任意角位移.图2(b)是关节上P 点扫过的空间曲面,由图可见点P 能够达到以p 为半径的球冠上的任意位置.3 关节结构的多目标规划(M ulti objectiveprogra mm ing of joint m echanis m )3.1 动力学分析如图1(a),驱动关节两个回转轴线交于一点(十字轴中心),前面的转动( )使得有关的回转轴线的位姿发生变化,而后面的转动( )按照已经发生变化的回转轴转动,按照文[9],仿生关节驱动器结构解耦而且运动解耦,即确定了两个运动位移 、 ,改变运动次序,关节到达相同的空间位置坐标.取一对人工肌肉、十字轴和一个铰链架组成一个单自由度力学模型,如图3所示,建立人工肌肉的力学特性、驱动关节结构尺寸和输出特性之间的关系.T =r(F S MA -f S MA )(2) =0.05L r(3)式中,T 、 分别表示驱动关节单自由度输出的力矩和角位移,r 为十字轴的回转半径,F S MA 、f S MA 分别为单根人工肌肉在激活和松弛状态下的张力.人工肌肉在松弛状态下的张力与激活状态下张力相比很小,若忽略松弛状态下的张力,则式(2)为:T =r F S MA(4)由于单根人工肌肉收缩时产生的回复力很小,为了提高肌肉力和产生爆发力,常把多根人工肌肉并联成束[10],输出力矩为多根人工肌肉的总和.图3 单自由度驱动关节机构的驱动原理图F i g .3 Sche m e o f dr i v i ng pri nc i p l e for onedegree o f freedom j o i nt m echanis mT =r NF S MA (5)式中,N 为人工肌肉数目.目前,被广泛采用的人工肌肉有形状记忆合金(S MA)、聚合物、气动肌肉驱动器(Pneum atic M usc le A ctuator ,P MA ),本文采用经过预应变处理的镍钛形状记忆合金丝作为驱动关节的类肌肉驱动;S MA 具有形状记忆效应,其特性与骨骼肌相似:给镍钛形状记忆合金丝通电流加热,热量使S MA 丝由奥氏体转变成马氏体,相变过程中S MA 丝产生回复张力,拉动杠杆机构产生关节运动.SMA 具有比压电陶瓷更大的应变,比P MA 更易于实现小型化,比聚合物更容易实现控制.文[6]在实验测定的基础上建立S MA 丝的一维本构模型:在任何给定马氏体率!下,应力∀与应变#的关系可表示为:∀=(!E m+1-!E a )-1(#-!#L )(6)其中#L 是残余塑性应变,E m 、E a 分别是马氏体、马氏体杨氏模量.马氏体率最小!=0时,S MA 丝应力最大.∀=E a #(7)与此相对应,人工肌肉张力F S MA =A ∀(8)当S MA 丝最大应变取5%时,可以循环变形上百万次,故取#=5%,将式(7)、(8)代入式(5),得驱动关节的最大输出力矩:T =NAE a #r =0.05NAE a r(9)可见,驱动关节最大输出力矩和最大输出角位移是结构参数r 、L 的函数.3.2 强度分析驱动关节主要承受自重、负载和肌肉力,在十字轴中心处产生最大弯曲变形.十字轴载荷0.5F ,长2d ,简化为一根简支梁,危险截面最大弯矩为:M max =0.5Fd(10)十字轴危险截面最大弯曲应力应小于材料最大许用应力,即M maxW %∀max ,其中W 为十字轴弯曲截面系数,则W &M max∀max.十字轴半径:W =∃r 34&M m ax ∀max,即:r &34M m ax∃∀max (11)把式(9)代入式(10),得:)144机 器 人2008年3月式(12)反映了驱动关节在满足强度要求时,结构参数r、d必须满足的条件.3.3 多目标规划由以上分析可知,三个主要结构参数:十字轴半径r、十字长度2d、肌肉有效长度L(约等于两孔轴线与铰链架底面外侧的距离),决定了驱动关节强度、输出力矩、输出角位移等特性.设驱动关节输出力矩不小于T con,单自由度角位移不小于con,建立驱动关节结构主要参数的多目标优化设计数学模型:T=0.05NAE a r&T con(13)=0.05Lr&con(14)式(12)是约束方程,式(13)、(14)是优化目标函数.利用M atlab优化工具箱的fgoa lattain函数解以上多目标优化问题,得到关节结构参数L、r、d的值,即完成驱动关节的多目标优化设计.4 实例计算及分析(Calculation and analysisof an exa m ple)以某四足机器人(见图4(a))设计为例,采用上述方法设计髋关节.四足机器人对髋关节的设计要求见表1.表1 驱动关节设计要求T ab le1 Design require m en t for join t m echan is m单自由度角位移/∃输出力矩/N m载重能力/kg机器人自重/kg结构尺寸L/mm-60~6030~6025~4025~30L%150表2 F lexinol人工肌肉特性T ab le2 Prop er ties of F l exinolm usc le w ire直径/%m 横截面积/%m2肌肉最大回复重量/kg张紧状态回复重量/kg松弛状态回复重量/kg杨氏模量E a[10]/GPa15017700 1.0560.330.06248图4 四足机器人的髋关节设计F i g.4 D esign o f sc i a ti c joint f o r a quadruped robot表3 驱动关节主要结构尺寸Table3 D i m en sion of joi n t m echan is mL/mm r/mm d/mm h1/mm h2/mm148.27.1323866关节材料采用45#钢;人工肌肉采用美国Dyna l loy公司的镍钛形状记忆合金丝F lex i n o l ,其参数见表2.设计得到的驱动关节如图4(b)所示,其结构尺寸见表3.由式(3)、(9),计算得关节最大输出角位移、最大输出力矩:T=0.05NAE a r=0.05∋200∋48∋109∋17700∋10-12∋7.1∋10-3 =60.3216(N m)=0.05Lr=(0.05∋0.1482∋180)((0.0071∋∃)=59.799(∃)髋关节的工作空间、输出力矩均满足四足机器人运动要求.由式(12)得,F%r3∃∀max2d,45#钢最大许用应力∀max=240∋106(M Pa),则F%0.00713∋∃∋240∋106)((2∋0.032) =4216.5(N)四足机器人自重加载重(25+30)kg,肌肉回复(0.33+0.062)∋100∋2kg,则每个髋关节质量最多能承受[4216.5(9.8-(0.33+0.062)∋100∋2]( (25+30)=6.4(倍)于四足机器人自重加载重的负荷.5 结论(Conclusion)提出一种基于人工肌肉的机器人驱动关节设计方案,该关节采用胡克铰作为主体框架,采用预应变的S MA丝人工肌肉提供驱动力.建立了驱动关节的三维几何模型并分析其工作空间,建立了计算关节机构输出力矩和角位移的动力学模型,并利用多目标规划方法对关节结构进行优化.最后通过一个四足机器人髋关节的设计实例验证了该方案的正确性.分析结果表明十字轴长度等三个主要结构参数决定了输出力矩等关节特性,胡克铰和SMA人工肌肉的结合使用使驱动关节满足大中型机器人对关节运动的需求.按照本文方法设计的机器人驱动关节,在不增加机器人腿部体积的前提下,增加输出力矩、自由度、灵活度145第30卷第2期 应申舜等: 基于人工肌肉的机器人驱动关节设计与研究和步态的多样性,提高机器人的整体性能.另一方面,S MA能量转换率较低,当人工肌肉由一组并联的SMA丝捆扎而成以产生爆发力时,由于材料特性和加工工艺的制约,实现小型化还有困难,随着高性能人工肌纤维的开发,基于人工肌肉的机器人驱动关节的整体性能可望显著提高.参考文献 (R eferences)[1]魏航信,刘明治.仿人型跑步机器人矢状面起跳运动的实现[J].机械设计与研究,2006,22(3):36-39.[2]朱兴龙,周骥平,颜景平.一种新型的三自由度垂直相交运动解耦液压伺服关节的设计[J].中国机械工程,2002,13(21):1824-1827.[3]王宏,徐殿国,史敬灼.机器人一体化关节驱动系统[J].高技术通讯,2004,14(6):47-50.[4]张铁,李杞仪,姚国兴,等.形状记忆合金机器人关节驱动器的控制系统[J].华南理工大学学报(自然科学版),1996,24(6):102-106.[5]Sha mm as E,W olfA,ChosetH.Th ree degrees of freedo m j o i nt f ors pati al hyper redundan t robots[J].M echan is m and M ac h i n e Th eory,2006,41(2):170-190.[6]S afak K K,Ada m s G G.M odeli ng and s i m ulati on of an artifici alm uscle and its app lication to b io m i m eti c robot posture control[J].Robotics and Autono m ou s Syste m s,2002,41(4):225-243. [7]赵建文,杜志江,孙立宁.虎克铰干涉判定准则及其优化设计方法的研究[J].机械设计,2004,21(11):45-48.[8]孙立宁,于凌涛,杜志江,等.并联机器人胡克铰工作空间的研究与应用[J].机械工程学报,2006,42(8):120-124.[9]朱兴龙,周骥平.运动解耦机理分析与解耦关节设计[J].中国机械工程,2005,16(8):674-677.[10]M os l ey M J,M avroid i s C.Experi m en tal non li n ear dyna m i cs of as h ape m e mory all oy w ire bund l e actuat or[J].Jou rnal of Dyna m i c Syste m s,M eas u re m en t,and C ontrol(Transactions of the ASM E),2001,123(1):103-112.作者简介:应申舜(1978 ),男,博士生.研究领域:基于人工肌肉的驱动关节系统.秦现生(1962 ),男,博士,教授,博士生导师.研究领域:机电控制与自动化系统,数控技术,机械电子工程.(上接第141页)[7]M artinec D,Paj d l a T.Outli er d etecti on for f act oriz ati on bas ed reconstruction fro m perspective i m ages w i th occl u si ons[A].Proceed i ngs of t h e Photogra mm etri c C o m pu ter V ision(vo.l B)[C].TU G raz, 2002.161-164.[8]刘侍刚,吴成柯,唐丽,等.一种存在遮挡的射影重建算法[J].模式识别与人工智能,2007,20(4):565-570.[9]刘侍刚,吴成柯,赵录刚,等.线性迭代子空间射影重建法[J].电子与信息学报,2007,29(2):451-454.[10]H artl ey R,Z i sser m an A.M u lti p le V ie w Geo m etry i n Co m puter V ision[M].Ca m bri dge,UK:C a m bri dge Un i versit y Press,2000.作者简介:彭亚丽(1979 ),女,博士生.研究领域:计算机视觉,图像处理等.刘 芳(1963 ),女,教授,博士生导师.研究领域:计算机视觉,智能算法等.焦李成(1959 ),男,教授,博士生导师.研究领域:计算机视觉,机器学习等.146机 器 人2008年3月。
