1、气动人工肌肉及其在双足机器人中的应用,2012.4,主要内容,仿肌肉驱动器概述 气动人工肌肉介绍 PAM在双足步行机器人中的应用总结及发展趋势,1、仿肌肉驱动器概述,机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等部分组成。对于仿生机器人的驱动，电机、气缸和液压等常见驱动器，虽然可以实现仿生机器人的运动，但存在诸多弊端，也制约着仿生机器人的发展。 目前，机器人已由单一的工业应用扩展到太空探索、海洋开发、军事和反恐等领域。人们对于机器人的性能提出了更高的要求，驱动作为机器人系统的重要组成部分也面临着重大挑战，尤其是仿生机器人中的应用。 驱动装置按照所使用的驱动器一般分为：电机驱动装置、气压驱
2、动装置以及液压驱动装置。,1.1 常见驱动装置比较,表：常见驱动方式优缺点比较,正是由于现有驱动装置存在上述的种种弊端，科研人员一直没有停止研制新型驱动器的研究工作，以克服现有驱动装置的种种弊端。,对于仿生机器人的驱动 ：1电机、气缸的刚性较大，不能良好的模拟生物的柔性运动；2电机需要齿轮等传动装置将旋转运动转为直线运动，装置较多，效率降低；气缸的工作状态有限；液压驱动器的体积过大；3仿生机器人的未来发展方向是微小型化，对于驱动器的要求也必然是微小化，而电机、气缸和液压驱动器则难以达到这一要求；,1.2 生物肌肉的组成,人体全身有639块骨骼肌，众多肌束，约60亿条呈圆柱形的肌纤维组成。每块肌
3、肉表面由称作“肌包膜”的结缔组织包裹着。肌肉内分布着血管和神经，负责调节肌肉的收缩和舒张。,图 生物肌肉的结构图,骨骼肌对研制人工肌肉的几点启发： 1肌肉直接驱动骨骼运动，不需要减速装置和传动元件，故传动简单，惯量小，工作轻便灵活；2肌肉属于单向力装置，运动形式是直线往复式，肌肉总是处于部分收缩状态以具有一定的承载能力，并有利于从“松弛”状态向收缩状态转化；3不存在机械系统中常见的松弛或迟缓运动，从而可以提高灵活性和效率。,生物的驱动装置-骨骼和肌肉，与电机等驱动装置相比较，具有柔韧性好、冗余度高、传动简单、力/自重比大、无噪声等优点。而且生物肌肉具有将化学能等温高效地直接转换为机械能的特性，
4、其高效率、无噪声、无污染、体积小、柔性机构分布式直接驱动及特殊地伺服性能等特点也十分引人注目。成为新型驱动装置的一个研究重点。 因此，上世纪60年代起，日本开始研制仿肌肉驱动器，美国海军、NASA、DRAPA等机构也纷纷开展仿肌肉驱动器的研究。,1.3仿肌肉驱动器的分类,现在国内外广泛研究使用的仿肌肉驱动器一般可以分为材料类、机械类和生物类。,材料类仿肌肉驱动器： 模拟动物肌肉收缩产生力的特性，利用材料在不同的外部控制下，如电压、电流、pH值等，材料内部的成分发生物理变化，产生形变和力。机械类仿肌肉驱动器: 不同于材料类仿肌肉驱动器，机械类仿肌肉驱动器都是结构发生变化，产生收缩和力。 生物类仿
5、肌肉驱动器: 目前尚处于实验室研制阶段，主要是利用动物活体细胞来充当驱动器。,表 仿肌肉驱动器的分类,虽然仿肌肉驱动器种类较多，但由于成本、实现难易程度等因素，投入实际应用的主要有形状记忆合金、电致收缩聚合物、压电陶瓷和气动人工肌肉四种。,表：四种仿肌肉驱动器与人类骨骼肌的性能比较,SMA (Shape Memory Alloy)是一种新型的功能材料，具有能量密度较高，结构简单，集传感、驱动和执行功能于一体，与生物肌肉极为相似。但是输出力较小和响应频率较低也成为SMA与动物肌肉最为明显的差异。 EAP (Electro active Polymer) 的高柔韧性、很高的传动应变和内在减震能力等
6、特性与动物肌肉十分相似。但是输出力较小，只适用于微小型机械的驱动。 PZT (Piezoelectric Transducer) 具有结构紧凑、体积小、驱动力大、位移分辨率高、控制简单，频率高等优点，其缺点是位移和输出力较小。,2、气动人工肌肉介绍,早在20世纪50 年代，美国医生McKibben 出于帮助手臂有残疾的人实现肢体矫正目的，发明了一种驱动假肢运动的气动执行元件, 即McKibben气动人工肌肉，(Pneumatic Artificial Muscle, PAM) 。 20世纪60年代开始，电动机技术由于不需要庞大的气源供给装置以及控制灵活、精度高而迅速取代了气动肌肉的应用领域。
7、随着机器人技术的发展，人们发现气动肌肉接近生物肌肉的特性非常适合用于仿生机器人的执行器。同时，随着BridgeStone、Shadow、FESTO 三家公司推出了商品化的气动肌肉产品，更加促进了研究人员对气动肌肉进行新的研究以及开发气动肌肉新的应用领域。,2.1 PAM分类,发展至今，已经出现各种结构形式的气动人工肌肉：编织网式气动人工肌肉、网孔式气动人工肌肉和嵌入式气动人工肌肉。其中，Mckibben型气动人工肌肉是将编织网式与嵌入式相结合的结构，是当前研究和应用最广泛的一种气动人工肌肉。,Fig. Various types of PAMs: (a) McKibben Muscle/Bra
8、ided Muscle, (b) Pleated Muscle, (c) Yarlott Netted Muscle, (d) ROMAC Muscle and (e) Paynter Hyperboloid Muscle.,2.2 PAM基本结构,Mckibben型气动人工肌肉呈筒状编织结构，其内部为圆柱状的橡胶套筒，其外部为双螺旋线编织的纤维编织层，橡胶套筒和纤维编织层的两端部与两端的连接附件相连，两端附件的功能不仅用于传力，而且起密封作用。,图 Mckibben型气动肌肉的结构图,图 FESTO公司研发的气动肌肉结构,2.3 PAM工作原理,当对橡胶套筒充气时，橡胶套筒因弹性变形压迫外部
9、纤维编织层，由于纤维编织网刚度很大，限制其只能径向变形，直径变大，长度缩短。若将气动人工肌肉与负载相连，就会产生收缩力；当放气时，气动人工肌肉弹性回缩，直径变细，长度增加，收缩力减小；但是，气动人工肌肉在无压状态下输出力为零，无承载能力；,图 PMA工作原理示意图,图 PMA在恒定负载下工作,图 PMA在恒定气压下工作,PMA运动的基本原理可分为两种情况：1)恒定负载，气压变化情况下工作2)恒定气压，负载变化情况下工作,2.4 PAM建模及特性分析,气动人工肌肉驱动特性的研究实质是建立其输出力F、充气压力P以及长度L三者之间的数学模型。 但是，气动人工肌肉的数学模型的建立比较困难：气动人工肌肉
10、主要由橡胶与纤维组成，影响气动人工肌肉的输出力与许多参数有关，比如橡胶的弹性力、橡胶与纤维编织网的内摩擦力、端部圆弧、温度变化以及加载的重复次数等。气动人工肌肉的传动介质为可压缩的气体，其位移和输出力与充气压力以及外负载等为非线性关系，这对气动人工肌肉的精确控制增添了难度。 目前，国内众多外学者所建立的各种PAM模型，大多是在Chou的理想模型的基础上建立了相应的改进模型。,Chou的理想模型 20世纪90年代，美国的Chou和Hannaford根据热力学第一定律的能量守恒原理，假设气动肌肉是工作在理想状态下，即气动肌肉在运动过程中没有能力损失，建立了气动人工肌肉的理想模型。（1）气动人工肌肉
11、无限长；（2）纤维刚度足够大，气动人工肌肉的在工作过程中纤维无伸长；（3）忽略橡胶的弹性；（4）忽略橡胶与编织网的摩擦；,图 气动肌肉理想几何模型,参数说明：b：纤维长度；n：编织纤维的圈数；：气动人工肌肉编织角；D ：加压前气动人工肌肉直径；,气动肌肉长度L：气动肌肉初始直径D：由几何关系，气动肌肉体积V：根据能量守恒原理，压缩空气的输入功完全等于气动肌肉收缩产生的输出功，即,p：气动人工肌肉容腔内绝对压力与环境大气压力差；F：为气动人工肌肉轴向收缩力；,(1),研究学者在Chou理想模型的基础上对模型进行了修改 ，即,式中： 气动人工肌肉的收缩率： A 与气动人工肌肉有关的常数： B 与气
12、动人工肌肉有关的常数：,基于上述的数学模型，研究人员以McKibben型气动人工肌肉为例进行了实验，对气动人工肌肉的特性进行分析。,(2),实验 McKibben型气动人工肌肉的参数：（1）轴向长度为340mm；（2）直径为2.5mm2.6mm（径向形状误差0.1mm之内）。其中，橡胶套筒具有一定的厚度，外径为1.3m，内径为0.9mm；（3）纤维编织角为21；（4）纤维编织层与橡胶套筒的间隙很小，可以忽略不计；,图 McKibben型气动人工肌肉实物图,Fig. Relationship between pneumatic pressure and contraction ratio,从上图
13、表可以直接看出，气动人工肌肉驱动器具有非线性位移、滞后等特性。 P=0.5MPa，L=97mm，收缩率=97/340=0.29由公式 (2) 知，气动人工肌肉收缩力F一定时，压力与收缩率成非线性二次关系。,在收缩力F测量实验中，固定气动肌肉驱动器两端以保持长度不变，即收缩率=0。通过改变充气压力，使用测压表测量收缩力F。,Fig. Experimental setup for force measurement,Fig. Relationship between pneumatic pressure and contraction force,由于PMA驱动器没有发生形变，所以几乎不存在滞后特
14、性。P=0.5MPa，收缩力F=14.8N由公式(2)可知，收缩率一定时，气动人工肌肉的收缩力与充气压力成正比关系。,F,通过大量实验研究，得出的实验结果与理想模型在数值上存在较大偏差，但趋势上基本一致，说明理论模型只是较定性地表明气动肌肉输出力的影响因素及关系。在数值是上出现上述偏差，原因在于理想模型忽略了下列因素：橡胶的弹性力橡胶与纤维编织网的摩擦力端部圆弧多次运动之后温度的变化系统建模和控制器设计中，必须基于实验数据对理论公式进行定量修正。,Klute首次将橡胶弹性应变能的概念引入到气动肌肉能量守恒方程中， 使得气动肌肉的数学模型中加入了橡胶内筒的弹性变形项。即：式中： dV-肌肉橡胶筒
15、内部容积的变化； Vb-肌肉橡胶材料本身所占的体积； dW-是橡胶应变能密度的变化，即单位体积橡胶材料存储的能量；,在Toudu研究中，他还对Chou 的模型方程进行了修正， 引入了系数k来说明肌肉末端弧度对其收缩力的影响，即 当F=0时，最大收缩量,PAM模型的发展,3、PAM在双足步行机器人中的应用,气动人工肌肉是气动驱动器的一种，气动人工肌肉与普通的气缸不同，它是一种新型的拉伸型气动执行元件。它不仅具有气压驱动器的一些本质特征，而且还具有自己独特的力输出特性。输出力/自重比大，10倍于相同直径气缸所产生的力，相同直径气缸重量的1/8，适合作为运动装置的驱动器；较高的动态特性，由于没有运动
16、部件，可以实现高速运动(最大可达500m/s2和3m/s，依赖于压力、负载和固定装置)；定位方便，通过调节压力可轻松实现工况过程中定位；结构简单，重量轻，易于小型化；柔性好，不会损害操作对象；工作过程中产生的热、噪声等有害物质少，且适合恶劣的工作环境，包括在水下工作；价格低廉，维护方便；,表 McKibben型肌肉与生物肌肉的比较,从科学研究应用角度来看，高功率/重量比和高功率/体积比是气动肌肉相比较于传统驱动器最明显的优点，其次它具有柔性结构、力学性能与生物肌肉相似，这使得气动肌肉在仿生机器人、医疗康复、工业工程、航空航天等多个领域具有十分良好的应用前景。,A. Biorobotic App
17、lications,Shadow Biped Walker A pioneering PAMactuated robot has been the Shadow Biped Walker by Shadow Robot Co., a lifesize humanoid robot that has been in development since 1988. Twentyeight PAMs (fourteen on each leg) were acting across the eight joints of the robot, enabling a total of twelve D
18、egrees of Freedom (DOF).,3.1 气动人工肌肉的应用领域介绍,The Airics Robotic Arm Festo AG & Co. constructed the Airics robotic arm, which is depicted in with artificial bones and muscles. In this robot the bone structure was moved via 30 PAMs with the use of very small valves based on piezo technology.,The ”Aqua r
19、ay” robot Festo AG & Co. introduced the ”Aqua ray robot, a remotely controlled fish using six PAMs in three antagonistic pairs that move the two wings and the tail with the help of artificial tendons.,B. Medical Applications,A PAMactuated isokinetic equipment The development of a PAMactuated isokine
20、tic equipment, designed for recovery exercises of the hip and knee joints.,A wearable power assist glove driven by rubber PAMs has been described. This device was able to assist the bending motion and increase the grasping force of the fingers through the installation of curved rubber PAMs.,C. Indus
21、trial Applications,A twoDOF planar robotic manipulator that assisted in handling of heavy loads and was actuated by Pleated Pneumatic Artificial Muscles.,In the gripping process, the pneumatic artificial muscle was being fitted sufficiently close to the center of rotation of the finger, while this s
22、hort muscle was being adequate to execute the clamping motion.,D. Aerospace Applications,PMAs have primarily been used in parachute system for soft-landing and steering control. While the parachute system is dropping, a ground proximity sensor continually monitors the distance between the ground and
23、 the payload . When the gas pressurizes the PMA, it contracts strongly and exerts a tension force between the suspension lines and the payload. To initiate a steering maneuver, the PMA on one side is deflated. Its length is elongated causing the parachute canopy to tilt.,3.2 PAM关节驱动方式分析,PAM驱动器可以构成多种
24、形式的驱动关节，不需要减速装置和传动机构。PAM只能产生收缩力，从根本上讲是一种由气压控制的具有单向运动特性的直线驱动器。因此使用PAM驱动一个类似人的转动关节，需要将PAM构成对拉机构，才能把PAM的直线运动转换成关节的转动。 常见的机构为人工肌肉-弹簧组合结构、一对气动人工肌肉对拉结构。,图 PAM驱动关节方式的对比,第一种驱动方式采用1根PAM拉1根弹簧驱动过程中，由于只需要采用 1 根气动人工肌肉，较为经济；只使用 1 根气动人工肌肉拉动关节时，达到同样的旋转角度所需的气动人工肌肉长度较长，一般为第二种方式中所需气动人工肌肉长度的两倍，这就增大了机构的尺寸，降低了整个机械结构的紧凑性；
25、因为弹簧的可控性差，所以拉动时可能存在抖动问题；此外，由于弹簧只能被拉长，使得关节的旋转方向性较差；第二种驱动方式采用2根PAM组成对拉机构 2根PAM通过对拉组成单自由度的转动关节，可以获得较大的输出转矩，其原理类似于生物医学中的二头肌-三头肌模型。,目前，又出现了采用多根PAM并联构成多自由度平台，其姿态由改变气动肌肉的长度来实现。,韩国先进科学与技术研究所研制的双足步行机器人,基于PAM驱动的机器人存在的问题基于PAM驱动的机器人机构设计 控制系统设计,3.3 PAM在仿双足步行机器人中的应用实例分析,双足行走是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统，因而也一直是仿生机器人的研究热
26、点之一。由于双足步行仿生机器人的质量较大，对应的驱动力也较大。PAM类型仿肌肉驱动器的输出力大，使其成为此类机器人的常用驱动器。,基于PAM驱动的机器人存在的问题？,PAM的尺寸及空间布置,PAM最大直径：Dmax=41mm;2根PAM间的最大距离：smax=70mm，铰链半径 r=35mm；PAM 长度L=200mm，L=20%L； Lmax=40mm，偏转角60； 通常机器人关节转角为120时才能避免行走过程中的障碍，150时才能实现起坐运动。,图 PAM驱动关节基本结构,基于PAM驱动的机器人存在的问题？,PAM控制器尺寸大小,12个控制阀，总体积约9000cm3。比例减压阀实现了压力反
27、馈控制，简化控制系统设计，但体积大、成本高、响应带宽受限。采用高速开关阀替代比例减压阀，高速开关阀的阀芯质量和行程都很小，因此响应速度很快，压力损失小，便于实时控制，同时制造成本低，适合用于PWM方式控制。,图 比例减压阀尺寸：62mm117mm 67mm (width height depth),基于PAM驱动的机器人机构设计,每条腿有6个自由度，髋关节3个，膝关节1个，踝关节2个。因此，机器人双腿共有12个自由度。由于PMA的尺寸及结构特点，髋关节无法达到电机驱动时的紧凑结构，而是将髋关节的3个自由度进行分解，如图所示。,Fig. The DOF of PMR,控制系统设计,位置信息由传感
28、器（编码器）测定，PMR共配置12个编码器；主控器通过位置反馈编码器动态地控制机器人关节的位置；由于机器人在步行过程中，不需要快速移动及关节转角较小，系统配有1或2个空气压缩机，可提供最大气压值为6bar，足以驱动机器人运动；,图 机器人控制系统原理框图,控制算法有待于进一步研究！Hesselroth等采用神经网络控制气动人工肌肉，通过训练之后，可以达到较好的跟踪性能。K.Osuka将气动人工肌肉线性化后，采用H理论设计了气动人工肌肉控制器。日本科学家宇野元雄和则次俊郎对气动人工肌肉位置控制系统的研究则表明，采用经典的P控制器，气动人工肌肉控制系统也可以获得较好的控制效果。 由于气动人工肌肉具
29、有非线性及自身的柔性，对其进行精确控制比较困难。以上算法大多是基于建立的仿真模型，应用于现实中的机器人系统，仍然存在很大问题。,日本大阪大学研制的双足步行机器人,日本大阪大学的Koh Hosoda等研制的双足机器人，选用McKibben 型PAM作为该双足机器人的驱动器，实现了机器人的行走、跑、跳三种运动模式，结构简单。,机构设计气压驱动设计控制系统设计动态行走-开关阀操作方式规划动态跑步-开关阀操作方式规划,机构设计,Fig. Mechanical design of a 2D biped robot that can walk, jump, and run: it has 1 hip jo
30、int, 2 knee joints, and 2 ankle joints. All the joints are antagonistically driven by elastic pneumatic actuators.,机器人踝关节处有4根PAM，分为2组，膝关节处各有2根PAM，髋关节有2根PAM，总共14根PAM 。,气压驱动设计,Fig. A pneumatic actuator and air design for the biped robot; the actuator is controlled by a 3-position solenoid valve with a
31、 closed center position.,控制系统设计,Fig. Configuration of the 2D biped robot driven by pneumatic actuators,Mckibben型PAM，共需14根PAM， L=0.2m，D=0.04m P=0.7Mpa时F=800N高速开关阀VQZ1000(SMC)，重量0.84Kg，共需14个高速开关电磁阀。主控制器采用Renesas Technology公司生产的H8微处理器芯片，接收和处理传感器传送的信号，并控制高速开关阀的通断。气源为两瓶CO2气体，每一瓶重量为0.7Kg，气压为1.2MPa。机器人配置的电
32、源质量为0.1Kg。在机器人足部底部安装有接触开关来监控机器人的运动方式。,动态行走-开关阀操作方式规划,Fig. Proposed valve operation scheme for dynamic walking. The knee and ankle extensor muscles of the swing leg are filled with a certain amount of air at the commencement of the walking trial, and are not operated during the experiment. The muscle
33、s of the stance leg are also not operated as well. Valve operation is initiated by the touch signal from the sensor embedded on the sole. stance leg swing leg,Fig. A walking sequence: the average walking cycle, the average stride, and the average velocity were 1.38 (s), 0.35 (m), and 0.51 (m/s), res
34、pectively. Air pressure was 0.6 (MPa). The robot could walk more than 30 steps.,工作气压：P=0. 6 MPa行走一个循环平均时间：t=1.38s平均步幅：s=0. 35 m平均行走速度：v=0. 51m /s,动态跑步-开关阀操作方式规划,Fig. Proposed valve operation scheme for running,跑步运动的开关阀的操作方式规划相比于行走运动来说较复杂。其中，髋关节的肌肉运动和行走方式中的肌肉运动相同。,Fig. A running sequence: the flight
35、time and speed were 0.12 (s) and 1.13 (m/s), respectively. Air pressure was 0.6 (MPa). It could run at most 5 steps.,工作气压：P=0. 6 MPa空中停留时间：t=0.12s跑步速度：v=1. 13m /s,4、总结及PAM发展趋势,与传统驱动器相比较，气动人工肌肉具有功率/重量比大、功率/体积比大较为显著的优点，同时其柔性结构、力学性能与生物肌肉相似，使得其广泛应用于诸多领域，尤其是在仿生机器人中的应用。 气动人工肌肉也存在一些缺点，如：气动人工肌肉与传统气动执行元件相比较，
36、行程较小；气动人工肌肉的变形为非线性环节，具有时变性。且其传动介质为可压缩的气体，其位移和输出力与充气压力以及外负载等为非线性关系，准确控制其位移较困难；,发展趋势：基本特性和模型研究 气动肌肉的基本特性和模型是控制和应用的基础，虽然它的结构简单，但是内部机理却十分复杂，这是由于气动肌肉工作过程中存在非弹性变形和摩擦力影响，导致精确建模十分困难。新型结构和相应元件的研究 目前的气动人工肌肉仍然存在着一些不足之处，为了进一步改善气动人工肌肉的性能，很多学者从不同的应用角度做了改进，包括降低摩擦力、双作用驱动、多自由度、小型化、集成化、便携驱动源等方面。控制策略研究 由于气动肌肉自身的非线性和柔性，以及空气介质的可压缩性，寻找合适的控制策略也是研究的重点内容。,Thanks for your attention!,
