基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真

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。

基于SolidWorks和ADAMS的3R机械手运动仿真本文利用SolidWorks软件对所设计三自由度机械手进行三维实体建模，然后通过SolidWorks和ADAMS良好的数据接口将模型数据直接导入ADAMS，根据实际设计要求添加相关约束，在此基础上进行运动仿真，研究机械手各机构关节的运动，测量各个关节的关节角位移、速度、加速度和驱动力矩的变化情况，通过观察各机构的运动轨迹以及相关曲线的变化趋势确定设计中存在的问题，对设计阶段的产品进行虚拟性能测试。

1 . 3R机械手的三维实体模型1.1利用SolidWorks建立机械手的三维实体模型本文所研究的三自由度机械手由臂1，臂2，臂3和手爪组成，臂1与大地固结在一起，其装配效果图如图1所示。

图1 机械手装配模型1.2三维模型的导入首先在SolidWorks环境下将机械手装配模型保存为“.x_t”格式，然后在ADAMS 中执行[import]导入刚才生成的“.x_t”文件。

导入的模型没有质量，需要自己添加，在ADAMS中分别定义各零件材料属性为“steel”。

2 . ADAMS运动仿真机械手在运动过程中要尽量平滑、平稳，否则会产生机械部件的磨损加剧，并导致机械手的振动和冲击。

因此在仿真过程中测量各个关节的关节角位移、速度、角加速度和驱动力矩的变化情况。

将模型各零部件导入ADAMS软件中后，各个构件之间还没有任何的约束，模型只是提供了各构件的初始位置。

本机械手两两相邻的构件构成的三个关节都是转动关节，均定义为旋转副，底座与大地之间定义为固定副。

添加完约束后的模型如图2所示。

图2 ADAMS环境下机械手仿真模型本文为机械手设置运动路径，已知路径求解各关节的驱动和力矩和转角运动情况。

设图中球的运动角速度如下图3：图3 球的运动角速度设定添加一个运动平面，设定机械手完成上料过程，现设路径如下图4，图4 机械手的运动轨迹至此建立起了机械手完整仿真模型，然后进行5s、50步的仿真。

Vol. 45 No. 5May. 2021第45卷第5期2021年5月液压与$动Chinese Hydraulics & Pneumatics doi ： 10.11832/j. issn. 1000-4858.2021.05.003水下大臂展机械手动力学建模与仿真分析刘 涛1!2'3'4 ,张奇峰^3,张运修1!2'3'4 ,孙英哲1!2'3'4 ,范云龙心(1.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳110016；2.中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁沈阳110169；3.辽宁省水下机器人重点实验室，辽宁沈阳110169；4.中国科学院大学，北京100049)摘 要：面向水下环境大范围精细作业需求，对水下大臂展机械手系统进行动力学建模和关节驱动力矩求解分析。

首先，基于D-H 理论对水下大臂展机械手进行正、逆运动学分析，求解各连杆速度与加速度； 然后，构建水下大臂展机械手的动力学模型，使用莫里森公式和D-H 理论完善动力学模型中的水动力项，采 用拉格朗日法求解整机的净浮力、惯性力、离心力、科氏力与末端负载力项，得出各关节所需驱动力矩和关节角、环境水流速度以及末端负载之间的函数关系；最后，针对具体作业场景，得出环境水流速度、目标负载转 运下机械手各关节所需驱动力矩，为水下大臂展机械手设计提供理论支撑。

关键词：水下机械手；大臂展;水动力；动力学；运动学中图分类号:TH137；TH113 文献标志码:B 文章编号：1000-4858 (2021 )05-0025-08Dynamic Modeling and Simulation Analysis of UndeDvaterManipulator w 让h Larye ArmsLIU TVO 1，2,3,4 , ZHANG Qi-feng 1，2,3, ZHANG Yun-xio 1，2,3,4 , SUN Ying-zha 1，2,3,4 , FAN Yun-long 1，2,3( 1 .SiaieKeyLaboaaioayoeRoboiocs ， ShenyangInsioiuieoeAuiomaioon ， ChoneseAcademyoeScoences ， Shenyang ， Loaonong 110016；2. Insioiuies eoaRoboiocsand Inie e ogeniManueaciuaong , ChoneseAcademyoeScoences , Shenyang , Loaonong 110169；3.KeyLaboaaioayoeMaaoneRoboiocs , Shenyang , Loaonong 110169；4. University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049)Abstract ： Aiming at tha requirement of larya-scaia accurate obsecation and operation of undeoVar environment , dynamocmodeeongand ioonidaoeongmomenioeundeawaieamanopueaioawoih eaageaamsaaeca a oed oui.Foasiey ,based on iheD-H iheoay , iheeoawaad and oneeasekonemaiocsoeundeawaieamanopueaioawoih eaageaamsos anaeyaed.Meanwhoeeiheeeeocoiyand acceeeaaioon oeeach eonk aod aaesoeeed.Then , ihedynamocmodeeoeiheundeawaieamanopueaioawoih eaageaamsosconsiaucied.Amongihem , ihehydaodynamocieamson ihedynamocmodee aaepeaeecied usongMo a oson eoamueaand D-H iheoay.And iheLagaangemeihod osused iosoeeeiheneibuoyancy ,oneaioaeoace , ceniaoeugaeeoace , Coaooeoseoaceand ieamonaeeoad ieam oeihewhoeemanopueaioa.In ihosway , iheeuncioonaeaeeaioonshop beiween ihedaoeongioaqueand iooniangee , amboeniwaieaeeoweeeocoiyand ieamonaeeoad oe each iooniosobiaoned.Fona e y , accoadongioihespecoeocopeaaioon scene , consodeaongiheeeeocoiyoeeneoaonmeniae eeowand iaageieoad , ihedaoeongioaqueeoaeach ioonioeihemanopueaioaaaeobiaoned , whoch paoeodesiheoaeiocae suppoaieoaihedesogn oeiheundeawaieamanopueaioawoih eaageaams.Key words : undeDvatar maniyulatcr, larya amis , hydrodynamic , dynamics , kinematics收稿日期：2020-11-09修回日期：2020-12-16基金项目：国家重点研发计划(2016YFC0300401,2017YFC0306402);中国科学院战略性先导科技专项！ XDA22040102)作者简介:刘涛(1995—),男，山西晋中人,硕士研究生,主要从事水下机械手方面的研究。

基于ADAMS的巡线机器人运动学、动力学仿真一、本文概述Overview of this article随着科技的不断发展，巡线机器人在电力、通信、物流等领域的应用越来越广泛。

巡线机器人的设计和控制涉及到复杂的运动学和动力学问题，因此，对其进行精确的仿真分析具有重要的理论和实践意义。

本文旨在利用ADAMS（Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems）这一先进的机械系统动力学仿真软件，对巡线机器人的运动学和动力学特性进行深入的研究。

With the continuous development of technology, the application of patrol robots in fields such as power, communication, and logistics is becoming increasingly widespread. The design and control of patrol robots involve complex kinematic and dynamic problems, therefore, accurate simulation analysis of them has important theoretical and practical significance. This article aims to use ADAMS (Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems), an advanced mechanical system dynamics simulation software, toconduct in-depth research on the kinematic and dynamic characteristics of line patrol robots.本文首先介绍了巡线机器人的基本结构和功能，阐述了其运动学和动力学仿真的必要性。

NEW PRODUCT NEW TECHNOLOGY0 引言伴随着工业及科技领域的蓬勃发展，中国对航空航天、核工业等战略性产业愈加重视。

在这些工业场景中，工作人员通常需要在极端、危险的条件下进行作业，对人身体健康会产生较大危害。

为此，可替代技术人员进入此类极端工业场景完成复杂工作任务的智能机器人应运而生，其末端执行器的选择直接影响了机器人的工作效率。

作为结合了仿生学新型末端执行器[1，2]的灵巧手，拥有灵巧性高、适应性强、可完成多种不同类型的复杂操作等优点，成为近年来机器人领域研究的热点。

仿人灵巧手可分为全驱动仿人灵巧手和欠驱动仿人灵巧手[3-7]2类。

针对欠驱动灵巧手的发展和研究，美国宇航局（NASA）对在航天领域应用的空间机器人研制了早期最为经典的一种欠驱动灵巧手Robonaut Hand[8]，此后又与通用汽车合作对上一代灵巧手进行优化研制了第二代Robonaut Hand。

Catalano M G等[9]研制了PISA/IIT SoftHand，这种手仅用单一舵机驱动整个具有19个自由度的灵巧手，其很好地利用了腱绳驱动方式的优势，为腱绳驱动灵巧手提供了思路。

徐昱琳等[10]研制的SHU-Ⅱ采用轻质腱绳驱动并将6个直流电动机内置于手掌，其中5个电动机分别控制各手指弯曲运动，余下的1个电动机控制拇指侧摆，具有较大的运动抓取空间。

基于此，本文设计了一种腱绳驱动仿人灵巧手，先对其进行运动学分析，再求出其雅克比矩阵，分析手指动力学性能和运动空间，为仿人灵巧手提供控制依据和理论。

1 仿人灵巧手的总体设计本文灵巧手依据人手作为仿生对象，根据人体手部腱绳驱动仿人灵巧手运动分析王峥宇1 张 立1 陈耀轩1 梅 杰1，2 陈定方1，21武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063 2武汉理工大学智能制造与控制研究所 武汉 430063摘 要：针对在极端环境下代替人工进行作业的需求，文中设计了一种由腱绳驱动的灵巧手作为高效机器人末端执行器。

工业机器人动力学仿真及有限元分析摘要：工业机器人在汽车、物流、机床、电子和化工工业等行业中被广泛应用，通常用于焊接、运输、装配、喷漆、码垛等工位。

机器人技术的快速发展大大加快了自动化生产的进程。

全球范围内工业机器人的数量在不断增加，特种作业是工业机器人的主要应用之一，它从一开始就大大改善了劳动力工作环境和产品质量，减少了劳动力，提高了生产效率并降低了生产成本，使劳动者技能需求下降，因此广泛应用于工业化，文章对工业机器人动力学和有限元模拟进行了分析。

关键词：工业机器人；动力学；仿真；有限元分析引言机器人在我国的研究和应用已经有20多年，我国的机器人经历了从引进到自行研制的过程。

目前为止，虽然我国现在具有高水平的机器人的技术和应用，并且在某种程度上达到了国际水平，但仍然存在精度和稳定性方面的不足。

1工业机器人的静力学及动力学分析受力分析是机械系统设计分析中的一项根本任务。

机器人臂杆形成一个开式连杆系，因此机器人的动力很大程度上取决于连杆的驱动器串联。

这是因为每个臂杆的质量、臂端的力、各类惯性力和惯性力矩是密不可分的。

机器人的设计为了优化，材料必须选择受力状态、结构设计和质量来分析平衡配置。

机器人受力分析的控制器设计和动力学仿真奠定了基础。

静态和动态力是机器人的受力。

主要任务是研究机器人受力分析的从动力或从动扭矩与臂杆运动关系。

其主要目的是获得机器人的控制。

如果所述重量以臂末端所述的速度和加速度运输，且驱动力或驱动扭矩的量被确定以满足这一要求，则重量被包括在动态分析中。

在计算因结构柔软而产生的动态误差和过载时，或者在驱动力或驱动扭矩的非线性耦合系数时，也需要进行运动分析。

动力学分析为必要的运动学和运动学提供了依据，也为机械设计方法改进操作执行动力学提供了依据。

2机器人运动学及动力学仿真近二十年来机器人被应用到各行各业，其要求的性能(实时控制、运动精度、可靠性等)也随着发展的需要越来越高。

因此，机器人动力学仿真是研究和改善其动力学特性的重要工具，从而分析机器人的动态特性并优化其机构和控制器设计。

图3　压力—时间关系内。

仿真计算的结果为:从中间位置向左回转到极限位置的仿真结果如图3所示。

3　结论从国外的相关仿真软件分析情况来看,液压仿真展在国外一直受到重视,不断地在进行开拓与完善。

在许多液压技术应用场合,利用液压仿真技术,选择或开发恰当的液压仿真软件系统,通过对系统的动静态特性进行预测,可以大大地缩短液压系统或元件的设计周期,避免因重复试验及加工所带来的昂贵费用,而且可以及早地认识到该系统在动静态特性方面所存在的薄弱环节并加以消除,从而达到优化系统、优化元件、优化参数的目的。

参　考　文　献[1]　程安宁.液压仿真技术的应用与发展[J ].机床与液压,2004(5).气动人工肌肉制作及应用杨　林　韩建海　赵书尚　肖亮子(河南科技大学机电工程学院,河南洛阳　471003)摘　要:气动人工肌肉作为一种新型的气动执行元件,在服务型机器人中得到了越来越多的应用。

本文对气动人工肌肉所需的制作材料、制作过程、工作原理和特性进行了详细的叙述,最后介绍了用制作的气动人工肌肉驱动机械装置的应用实例。

关键词:气动人工肌肉;执行元件;制作;柔顺性;应用中图分类号:TH138.51 文献标识码:A 文章编号:100820813(2007)0320006203Fabrication and Application of Pneumatic Artificial MusclesYA N G L i n ,HA N Jian 2hai ,ZHA O S hu 2shang ,X IA O L iang 2z i(School of Mechatronics Engineering ,Henan University of Science and Technology ,Luoyang ,471003)Abstract :The pneumatic artificial muscles as one kind of new actuators are widely used in the application of service robots.The fabri 2cating materials ,processing ,working principle and characteristics of the pneumatic artificial muscles are described in detail in this ar 2ticle.Finally ,the application example of the mechanical device actuated by fabricated pneumatic artificial muscles is explained in the paper.K ey Words :pneumatic artificial muscles ;actuator ;fabrication ;softness ;application0　概述气动人工肌肉是一种新型的拉伸型气动执行元件,当通入压缩空气时,能像人类的肌肉那样产生很强的收缩力,所以称作气动人工肌肉。

Shadow仿人灵巧手动力学研究靳果;邱兵涛;韩枫【摘要】In order to to realize the real-time control of dexterous hand, the researches of the inverse problem of dynamics of dexterous hand are needed, so that the relationship between motion locus parameters and the required torque can be obtained. In this paper, the Shadow dexterous hand was studied, and the research conclusion of kinematics was referred to. By establishing the dynamic model, the dynamics of Shadow dexterous hand was studied in three respects:the finger link system, tendon transmission system and pneumatic muscles actuator. Finally the single finger dynamics equation of dexterous hand was derived.%为了实现对仿人灵巧手的实时控制，需要对灵巧手的动力学逆问题进行研究，得到运动轨迹相关参量与所需力矩的关系。

本文以Shadow仿人灵巧手为研究对象，参考灵巧手运动学的研究结论，建立动力学模型，分析Shadow仿人灵巧手的手指连杆动力学、腱传动系统动力学和驱动系统动力学相关问题，最后得到仿人灵巧手单指动力学方程，为灵巧手的仿真实验和实际应用提供了理论基础。