基于氣動(dòng)人工肌肉的雙足機器人關(guān)節設計

　　介紹了一種由氣動(dòng)人工肌肉構建的雙足機器人關(guān)節，該關(guān)節利用氣動(dòng)人工肌肉的柔性特性，可以有效控制雙足機器人快速行走或跑步時(shí)的落地腳沖擊問(wèn)題。

　　詳細給出了氣動(dòng)人工肌肉的工作原理以及由其構成的關(guān)節系統的硬件架構。同時(shí)介紹了基于此硬件關(guān)節搭建的控制軟件系統。

　　雙足機器人相比于一般的移動(dòng)機器人在非結構化環(huán)境中具有更好的移動(dòng)能力，因而受到研究者的廣泛關(guān)注?？刂茩C器人獲得快速的行走速度以及實(shí)現跑動(dòng)步態(tài)仍然是雙足機器人領(lǐng)域中具有挑戰性的問(wèn)題之一。機器人快速行走或跑動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)腳在落地的瞬間會(huì )產(chǎn)生一個(gè)較大的沖擊力，此力使落地腳反彈或使零力矩點(diǎn)(zeromoment point)產(chǎn)生較大跳變，從而造成機器人穩定裕度降低和跌倒。這種現象被稱(chēng)為沖擊效應，它是制約雙足機器人提高步行速度和跑步的因素。

　　氣動(dòng)人工肌肉是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的驅動(dòng)器，McKibben型氣動(dòng)肌肉是其中應用最為廣泛的一種。它具有柔順、功率/質(zhì)量比大、在力，長(cháng)度特性上與人類(lèi)肌肉類(lèi)似等優(yōu)點(diǎn)。由于其具有柔順性可控的優(yōu)點(diǎn)，應用氣動(dòng)人工肌肉作為驅動(dòng)器可以有效地解決雙足機器人的落地腳沖擊問(wèn)題。因此，將氣動(dòng)人工肌肉作為雙足機器人的驅動(dòng)器具有良好的前景。但是，人工肌肉具有高度非線(xiàn)性的特點(diǎn)。并伴隨有遲滯現象，使得對其建攘和控制困難。目前，基于氣動(dòng)人工肌肉的雙足機器人的研究剛剛起步，只有少數幾個(gè)雙足機器人項目對此進(jìn)行了研究。本文利用MeKibben氣動(dòng)人工肌肉搭建了類(lèi)似生物頡頏關(guān)節的單自由度人工關(guān)節。此系統的硬件部分包括氣壓驅動(dòng)子系統、傳感器子系統和控制子系統。在此硬件系統上構建了軟件系統，實(shí)現了對此人工關(guān)節軌跡的跟蹤控制?；诒疚牡墓ぷ骺梢赃M(jìn)一步研究和解決氣動(dòng)人工肌肉及關(guān)節的建模和控制問(wèn)題，為設計和搭建基于氣動(dòng)人工肌肉驅動(dòng)器的雙足機器人打下基礎。

　　1 氣動(dòng)人工肌肉關(guān)節系統軟硬件設計

　　1.1 氣動(dòng)人工肌肉

　　McKibben氣動(dòng)人工肌肉是由美國醫生Joseph.L.MeKibben發(fā)明并以其名字命名的一種柔性氣動(dòng)驅動(dòng)器。McKibben氣動(dòng)人工肌肉的主體主要由外層編織網(wǎng)和內層彈性橡膠管組成。其結構如圖1所示。

　　圖l為肌肉結構圖，其中，Pi為輸入氣壓，其大小由控制器根據實(shí)際工作情況進(jìn)行控制。當輸入端氣壓只增大時(shí)，內層橡膠管膨脹，由于外層編織網(wǎng)剛度很大，幾乎不能伸長(cháng)，限制肌肉只能徑向變形(直徑變大，長(cháng)度縮短)，產(chǎn)生軸向收縮力;而當輸入端氣壓Pi降低時(shí)，導致人工肌肉伸長(cháng)(松馳)，肌肉的剛度及驅動(dòng)力也就隨之降低。肌肉的剛度可通過(guò)控制橡膠管內的氣壓實(shí)現，這種肌自具有變剛度特性，可等效為一只變剛度的彈簧。

　　1.2 單自由度關(guān)節系統

　　由于氣動(dòng)人工肌肉只能提供單向驅動(dòng)力，故需由兩條肌肉以類(lèi)似生物頡頏肌的方式構成對抗性回轉關(guān)節以實(shí)現操作臂的力閉合。本文利用McKibben氣動(dòng)人工肌肉作為驅動(dòng)器搭建了單自由度頡頏關(guān)節系統。此系統的硬件部分由氣壓驅動(dòng)子系統、傳感器子系統和控制子系統組成。系統結構圖如圖2所示。

　　1.2.1 氣壓驅動(dòng)子系統

　　氣壓驅動(dòng)子系統由氣源、壓力伺服比例閥、McKibben氣動(dòng)人工肌肉及機構部分組成。由氣源提供壓力為0.6～0.9MPa的壓縮氣體.壓縮氣體由導管經(jīng)過(guò)伺服比例閥送人氣動(dòng)人工肌肉中。每條肌肉均與一伺服比例閥相連并有一出氣閥門(mén)和一進(jìn)氣閥門(mén)。通過(guò)控制伺服比例閥上所加的電壓即可控制肌肉中的氣體壓力。加壓后的氣動(dòng)肌肉輸出收縮張力并驅動(dòng)機構部分的關(guān)節轉動(dòng)，因此通過(guò)對肌肉壓力的控制即可達到軌跡跟蹤所需的關(guān)節力矩。本系統中采用的McKibben氣動(dòng)人工肌肉為FESTO公司的MAS-20-300N型，其工作壓力范圍為0～O.6MPa，最大工作頻率為3Hz，最大收縮為肌肉長(cháng)度的25%，O.6MPa時(shí)理論作用力為300N，重復精度小于1%。壓力伺服比例閥接受控制端傳入的電壓輸入并通過(guò)調節充氣閥門(mén)和進(jìn)氣閥門(mén)控制肌肉內氣壓。本系統采用了SMC公司的丌ITVOO5C-2ML型壓力比例閥。此閥的輸入范圍為0～5VDC，輸出為0.001~0.9MPa之間的壓力。

　　1.2.2 傳感器子系統

　　傳感器子系統由力傳感器和直線(xiàn)位移傳感器構成。通過(guò)直線(xiàn)位移傳感器可以測量出肌肉的收縮量，根據此收縮量可以利用肌肉和關(guān)節模型進(jìn)行軌跡跟蹤控制。力傳感器測量肌肉拉力，根據此拉力與關(guān)節力矩的線(xiàn)性關(guān)系可以計算出關(guān)節力矩，從而完成關(guān)節的伺服閉環(huán)控制。本系統中采用的力傳感器是航天科技集團公司7Ol所的BK-2F型高精度S形測力/稱(chēng)重傳感器。其測量作用力的最大范圍可達80kg，精度為0.05%。輸出經(jīng)過(guò)TS-2型放大器放大后，輸出電壓范圍為-5V～+5V。直線(xiàn)位移傳感器采用了WDL型直滑式導電塑料電位計。

　　1.2.3 控制子系統

　　控制子系統由工業(yè)控制計算機(IPC)、A/D采集卡、D/A轉換卡組成。軟件控制系統運行于工業(yè)控制計算機上，并通過(guò)D/A轉換器將數字控制量轉換為模擬量。此模擬量用以控制壓力伺服比例閥的輸出氣壓。A/D轉換器采集拉力傳感器和直線(xiàn)位移傳感器的數據，并提供給工業(yè)控制計算機可由軟件處理的數字信號。本系統中采用的D/A轉換器為PCL-726型6通道模擬量輸出卡。它提供了6個(gè)12位雙緩沖的模擬量輸出通道，可滿(mǎn)足肌肉伺服控制的需要。MD采集卡采用了PCL-813B型12位32通道A/D卡，它提供了32通道帶隔離的直流電壓測量，精度可以滿(mǎn)足系統要求。

　　1.3 軟件系統

　　氣動(dòng)人工肌肉驅動(dòng)的頡頏關(guān)節中有2條肌肉的壓力為系統的控制變量。由于系統通過(guò)2個(gè)自由變量控制一個(gè)自由度的運動(dòng)，所以構成了冗余驅動(dòng)系統?？梢宰C明，此系統可對關(guān)節力矩與關(guān)節剛度進(jìn)行獨立控制。其中，前者與2條肌肉壓力差有關(guān)，后者與肌肉壓力和有關(guān)。通過(guò)對關(guān)節力矩的控制可以實(shí)現精確的關(guān)節軌跡跟蹤，而通過(guò)對關(guān)節剛度的控制可以降低落地腳沖擊及系統能耗。

　　本文在工控計算機中編寫(xiě)了氣動(dòng)人工肌肉關(guān)節系統的控制軟件及操作界面。通過(guò)此軟件系統可以實(shí)現肌肉模型的參數設定

　　、穩定的閉環(huán)控制及傳感器返回值的實(shí)時(shí)顯示和記錄等功能。軟件的主體部分包括軌跡規劃模塊和壓力控制模塊。軌跡規劃模塊實(shí)現了上層的關(guān)節軌跡規劃，并根據關(guān)節模型計算實(shí)現期望關(guān)節軌跡所需的關(guān)節力矩。壓力控制模塊執行底層計算，它的輸入量為上層規劃得到的期望關(guān)節力矩。壓力計算模塊根據氣動(dòng)人工肌肉的實(shí)際模型計算控制肌肉運動(dòng)所需壓力，其轅出為期望肌肉壓力值。智能PID控制算法模塊根據此期望壓力值和A/D采集得到的實(shí)際肌肉壓力數據進(jìn)行智能PID控制，從而實(shí)現閉環(huán)控制。其輸出經(jīng)數值和D/A環(huán)節轉換為輸出到硬件系統的實(shí)際控制電壓。軟件系統的框圖如圖3所示。

　　2 實(shí)驗及系統應用

　　2.1 氣動(dòng)關(guān)節系統模型

　　為了實(shí)現對本文所搭建的氣動(dòng)人工肌肉驅動(dòng)頡頏關(guān)節的準確伺服控制.首先要對氣動(dòng)人工肌肉進(jìn)行建模。MeKibben氣動(dòng)人工肌肉由于具有非線(xiàn)性、時(shí)變特性，并且在工作時(shí)伴隨有遲滯現象，因而難于對其進(jìn)行建模和控制。大多數已有研究中對于McKibben氣動(dòng)人工肌肉的建模都采用Chou和Hannaford基于虛功原理給出的理論模型。此模型給出了肌肉出力的理想估計，然而此理論模型直接應用于實(shí)際控制并不能得到良好的效果。本研究中采用了Reynolds等提出的三元肌肉動(dòng)力學(xué)模型，將氣動(dòng)肌肉近似為由非線(xiàn)性阻尼因子、非線(xiàn)性彈簧因子和非線(xiàn)性收縮力因子并聯(lián)構成的動(dòng)力學(xué)系統，則模型方程為：

　　其中，x為肌肉收縮長(cháng)度，當肌肉完全伸張時(shí)x=0。K0、K1為彈簧因子系數，B0、B1為阻尼因子系數，F0、F1為收縮力因子。對于本文采用的氣動(dòng)人工肌肉，通過(guò)在本系統上的實(shí)驗，可對式(1)中的三元肌肉模型參數進(jìn)行準確估計。當肌肉壓力p取值在200kPa～650kPa之間時(shí)，通過(guò)實(shí)驗得到的模型系數可得到滿(mǎn)意的近似效果。應用此三元肌肉模型，本文所介紹的軟件系統對關(guān)節進(jìn)行了閉環(huán)軌跡跟蹤控制，其控制精度優(yōu)于傳統的理論模型。

　　2.2 系統應用

　　在本文構建的采用柔性驅動(dòng)器McKibben氣動(dòng)人工肌肉作為驅動(dòng)源的機器人單自由度頡頏關(guān)節系統上，可對McKibben型氣動(dòng)人工肌肉的建模和控制進(jìn)行進(jìn)一步的研究。通過(guò)在本系統上的實(shí)驗，在對三元肌肉模型參數進(jìn)行準確估計的基礎上，利用本文實(shí)現的控制軟件系統可實(shí)現了閉環(huán)的關(guān)節軌跡跟蹤控制。

　　在進(jìn)一步工作中，將基于已有的平臺和閉環(huán)控制方法重點(diǎn)研究?jì)蓚€(gè)問(wèn)題。首先研究關(guān)節剛度可控的軌跡跟蹤控制。利用此冗余系統的關(guān)節剛度量實(shí)現優(yōu)化的目的，使機器人通過(guò)更好地利用自身關(guān)節的被動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性來(lái)降低能量損耗。其次研究在有沖擊情況下通過(guò)控制關(guān)節剛度降低沖擊影響，進(jìn)而為搭建由氣動(dòng)肌肉驅動(dòng)的雙足機器人提供理論準備。