基于氣動人工肌肉的雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計

　　詳細(xì)給出了氣動人工肌肉的工作原理以及由其構(gòu)成的關(guān)節(jié)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。同時介紹了基于此硬件關(guān)節(jié)搭建的控制軟件系統(tǒng)。

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

　　氣動人工肌肉是近年來發(fā)展起來的一種新型的驅(qū)動器，McKibben型氣動肌肉是其中應(yīng)用最為廣泛的一種。它具有柔順、功率/質(zhì)量比大、在力，長度特性上與人類肌肉類似等優(yōu)點。由于其具有柔順性可控的優(yōu)點，應(yīng)用氣動人工肌肉作為驅(qū)動器可以有效地解決雙足機(jī)器人的落地腳沖擊問題。因此，將氣動人工肌肉作為雙足機(jī)器人的驅(qū)動器具有良好的前景。但是，人工肌肉具有高度非線性的特點。并伴隨有遲滯現(xiàn)象，使得對其建攘和控制困難。目前，基于氣動人工肌肉的雙足機(jī)器人的研究剛剛起步，只有少數(shù)幾個雙足機(jī)器人項目對此進(jìn)行了研究。本文利用MeKibben氣動人工肌肉搭建了類似生物頡頏關(guān)節(jié)的單自由度人工關(guān)節(jié)。此系統(tǒng)的硬件部分包括氣壓驅(qū)動子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)。在此硬件系統(tǒng)上構(gòu)建了軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了對此人工關(guān)節(jié)軌跡的跟蹤控制。基于本文的工作可以進(jìn)一步研究和解決氣動人工肌肉及關(guān)節(jié)的建模和控制問題，為設(shè)計和搭建基于氣動人工肌肉驅(qū)動器的雙足機(jī)器人打下基礎(chǔ)。

　　1 氣動人工肌肉關(guān)節(jié)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

　　1.1 氣動人工肌肉

　　McKibben氣動人工肌肉是由美國醫(yī)生Joseph.L.MeKibben發(fā)明并以其名字命名的一種柔性氣動驅(qū)動器。McKibben氣動人工肌肉的主體主要由外層編織網(wǎng)和內(nèi)層彈性橡膠管組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖l為肌肉結(jié)構(gòu)圖，其中，Pi為輸入氣壓，其大小由控制器根據(jù)實際工作情況進(jìn)行控制。當(dāng)輸入端氣壓只增大時，內(nèi)層橡膠管膨脹，由于外層編織網(wǎng)剛度很大，幾乎不能伸長，限制肌肉只能徑向變形(直徑變大，長度縮短)，產(chǎn)生軸向收縮力;而當(dāng)輸入端氣壓Pi降低時，導(dǎo)致人工肌肉伸長(松馳)，肌肉的剛度及驅(qū)動力也就隨之降低。肌肉的剛度可通過控制橡膠管內(nèi)的氣壓實現(xiàn)，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(jié)系統(tǒng)

　　由于氣動人工肌肉只能提供單向驅(qū)動力，故需由兩條肌肉以類似生物頡頏肌的方式構(gòu)成對抗性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以實現(xiàn)操作臂的力閉合。本文利用McKibben氣動人工肌肉作為驅(qū)動器搭建了單自由度頡頏關(guān)節(jié)系統(tǒng)。此系統(tǒng)的硬件部分由氣壓驅(qū)動子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　1.2.1 氣壓驅(qū)動子系統(tǒng)

　　氣壓驅(qū)動子系統(tǒng)由氣源、壓力伺服比例閥、McKibben氣動人工肌肉及機(jī)構(gòu)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(dǎo)管經(jīng)過伺服比例閥送人氣動人工肌肉中。每條肌肉均與一伺服比例閥相連并有一出氣閥門和一進(jìn)氣閥門。通過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。加壓后的氣動肌肉輸出收縮張力并驅(qū)動機(jī)構(gòu)部分的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，因此通過對肌肉壓力的控制即可達(dá)到軌跡跟蹤所需的關(guān)節(jié)力矩。本系統(tǒng)中采用的McKibben氣動人工肌肉為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，最大收縮為肌肉長度的25%，O.6MPa時理論作用力為300N，重復(fù)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調(diào)節(jié)充氣閥門和進(jìn)氣閥門控制肌肉內(nèi)氣壓。本系統(tǒng)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(tǒng)

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

　　1.2.3 控制子系統(tǒng)

　　控制子系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機(jī)(IPC)、A/D采集卡、D/A轉(zhuǎn)換卡組成。軟件控制系統(tǒng)運(yùn)行于工業(yè)控制計算機(jī)上，并通過D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字控制量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器采集拉力傳感器和直線位移傳感器的數(shù)據(jù)，并提供給工業(yè)控制計算機(jī)可由軟件處理的數(shù)字信號。本系統(tǒng)中采用的D/A轉(zhuǎn)換器為PCL-726型6通道模擬量輸出卡。它提供了6個12位雙緩沖的模擬量輸出通道，可滿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，精度可以滿足系統(tǒng)要求。

　　1.3 軟件系統(tǒng)

　　氣動人工肌肉驅(qū)動的頡頏關(guān)節(jié)中有2條肌肉的壓力為系統(tǒng)的控制變量。由于系統(tǒng)通過2個自由變量控制一個自由度的運(yùn)動，所以構(gòu)成了冗余驅(qū)動系統(tǒng)?？梢宰C明，此系統(tǒng)可對關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)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)。通過對關(guān)節(jié)力矩的控制可以實現(xiàn)精確的關(guān)節(jié)軌跡跟蹤，而通過對關(guān)節(jié)剛度的控制可以降低落地腳沖擊及系統(tǒng)能耗。

　　本文在工控計算機(jī)中編寫了氣動人工肌肉關(guān)節(jié)系統(tǒng)的控制軟件及操作界面。通過此軟件系統(tǒng)可以實現(xiàn)肌肉模型的參數(shù)設(shè)定

　　、穩(wěn)定的閉環(huán)控制及傳感器返回值的實時顯示和記錄等功能。軟件的主體部分包括軌跡規(guī)劃模塊和壓力控制模塊。軌跡規(guī)劃模塊實現(xiàn)了上層的關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃，并根據(jù)關(guān)節(jié)模型計算實現(xiàn)期望關(guān)節(jié)軌跡所需的關(guān)節(jié)力矩。壓力控制模塊執(zhí)行底層計算，它的輸入量為上層規(guī)劃得到的期望關(guān)節(jié)力矩。壓力計算模塊根據(jù)氣動人工肌肉的實際模型計算控制肌肉運(yùn)動所需壓力，其轅出為期望肌肉壓力值。智能PID控制算法模塊根據(jù)此期望壓力值和A/D采集得到的實際肌肉壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行智能PID控制，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。其輸出經(jīng)數(shù)值和D/A環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為輸出到硬件系統(tǒng)的實際控制電壓。軟件系統(tǒng)的框圖如圖3所示。

　　2 實驗及系統(tǒng)應(yīng)用

　　2.1 氣動關(guān)節(jié)系統(tǒng)模型

　　為了實現(xiàn)對本文所搭建的氣動人工肌肉驅(qū)動頡頏關(guān)節(jié)的準(zhǔn)確伺服控制.首先要對氣動人工肌肉進(jìn)行建模。MeKibben氣動人工肌肉由于具有非線性、時變特性，并且在工作時伴隨有遲滯現(xiàn)象，因而難于對其進(jìn)行建模和控制。大多數(shù)已有研究中對于McKibben氣動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(yīng)用于實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力學(xué)模型，將氣動肌肉近似為由非線性阻尼因子、非線性彈簧因子和非線性收縮力因子并聯(lián)構(gòu)成的動力學(xué)系統(tǒng)，則模型方程為：

　　其中，x為肌肉收縮長度，當(dāng)肌肉完全伸張時x=0。K0、K1為彈簧因子系數(shù)，B0、B1為阻尼因子系數(shù)，F(xiàn)0、F1為收縮力因子。對于本文采用的氣動人工肌肉，通過在本系統(tǒng)上的實驗，可對式(1)中的三元肌肉模型參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確估計。當(dāng)肌肉壓力p取值在200kPa～650kPa之間時，通過實驗得到的模型系數(shù)可得到滿意的近似效果。應(yīng)用此三元肌肉模型，本文所介紹的軟件系統(tǒng)對關(guān)節(jié)進(jìn)行了閉環(huán)軌跡跟蹤控制，其控制精度優(yōu)于傳統(tǒng)的理論模型。

　　2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

　　在本文構(gòu)建的采用柔性驅(qū)動器McKibben氣動人工肌肉作為驅(qū)動源的機(jī)器人單自由度頡頏關(guān)節(jié)系統(tǒng)上，可對McKibben型氣動人工肌肉的建模和控制進(jìn)行進(jìn)一步的研究。通過在本系統(tǒng)上的實驗，在對三元肌肉模型參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確估計的基礎(chǔ)上，利用本文實現(xiàn)的控制軟件系統(tǒng)可實現(xiàn)了閉環(huán)的關(guān)節(jié)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)控制方法重點研究兩個問題。首先研究關(guān)節(jié)剛度可控的軌跡跟蹤控制。利用此冗余系統(tǒng)的關(guān)節(jié)剛度量實現(xiàn)優(yōu)化的目的，使機(jī)器人通過更好地利用自身關(guān)節(jié)的被動動力學(xué)特性來降低能量損耗。其次研究在有沖擊情況下通過控制關(guān)節(jié)剛度降低沖擊影響，進(jìn)而為搭建由氣動肌肉驅(qū)動的雙足機(jī)器人提供理論準(zhǔn)備。