基于氣動人工肌肉的雙足機器人關節(jié)設計

　　介紹了一種由氣動人工肌肉構建的雙足機器人關節(jié)，該關節(jié)利用氣動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的落地腳沖擊問題。

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

　　雙足機器人相比于一般的移動機器人在非結構化環(huán)境中具有更好的移動能力，因而受到研究者的廣泛關注。控制機器人獲得快速的行走速度以及實現(xiàn)跑動步態(tài)仍然是雙足機器人領域中具有挑戰(zhàn)性的問題之一。機器人快速行走或跑動時，擺動腳在落地的瞬間會產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)產生較大跳變，從而造成機器人穩(wěn)定裕度降低和跌倒。這種現(xiàn)象被稱為沖擊效應，它是制約雙足機器人提高步行速度和跑步的因素。

　　氣動人工肌肉是近年來發(fā)展起來的一種新型的驅動器，McKibben型氣動肌肉是其中應用最為廣泛的一種。它具有柔順、功率/質量比大、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，應用氣動人工肌肉作為驅動器可以有效地解決雙足機器人的落地腳沖擊問題。因此，將氣動人工肌肉作為雙足機器人的驅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器人的研究剛剛起步，只有少數(shù)幾個雙足機器人項目對此進行了研究。本文利用MeKibben氣動人工肌肉搭建了類似生物頡頏關節(jié)的單自由度人工關節(jié)。此系統(tǒng)的硬件部分包括氣壓驅動子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)。在此硬件系統(tǒng)上構建了軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了對此人工關節(jié)軌跡的跟蹤控制?；诒疚牡墓ぷ骺梢赃M一步研究和解決氣動人工肌肉及關節(jié)的建模和控制問題，為設計和搭建基于氣動人工肌肉驅動器的雙足機器人打下基礎。

　　1 氣動人工肌肉關節(jié)系統(tǒng)軟硬件設計

　　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動器。McKibben氣動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(jù)實際工作情況進行控制。當輸入端氣壓只增大時，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，限制肌肉只能徑向變形(直徑變大，長度縮短)，產生軸向收縮力;而當輸入端氣壓Pi降低時，導致人工肌肉伸長(松馳)，肌肉的剛度及驅動力也就隨之降低。肌肉的剛度可通過控制橡膠管內的氣壓實現(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 單自由度關節(jié)系統(tǒng)

　　由于氣動人工肌肉只能提供單向驅動力，故需由兩條肌肉以類似生物頡頏肌的方式構成對抗性回轉關節(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動器搭建了單自由度頡頏關節(jié)系統(tǒng)。此系統(tǒng)的硬件部分由氣壓驅動子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

　　1.2.1 氣壓驅動子系統(tǒng)

　　氣壓驅動子系統(tǒng)由氣源、壓力伺服比例閥、McKibben氣動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動機構部分的關節(jié)轉動，因此通過對肌肉壓力的控制即可達到軌跡跟蹤所需的關節(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節(jié)充氣閥門和進氣閥門控制肌肉內氣壓。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節(jié)模型進行軌跡跟蹤控制。力傳感器測量肌肉拉力，根據(jù)此拉力與關節(jié)力矩的線性關系可以計算出關節(jié)力矩，從而完成關節(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80kg，精度為0.05%。輸出經過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(IPC)、A/D采集卡、D/A轉換卡組成。軟件控制系統(tǒng)運行于工業(yè)控制計算機上，并通過D/A轉換器將數(shù)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位移傳感器的數(shù)據(jù)，并提供給工業(yè)控制計算機可由軟件處理的數(shù)字信號。本系統(tǒng)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)

　　氣動人工肌肉驅動的頡頏關節(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動，所以構成了冗余驅動系統(tǒng)?？梢宰C明，此系統(tǒng)可對關節(jié)力矩與關節(jié)剛度進行獨立控制。其中，前者與2條肌肉壓力差有關，后者與肌肉壓力和有關。通過對關節(jié)力矩的控制可以實現(xiàn)精確的關節(jié)軌跡跟蹤，而通過對關節(jié)剛度的控制可以降低落地腳沖擊及系統(tǒng)能耗。

　　本文在工控計算機中編寫了氣動人工肌肉關節(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)了上層的關節(jié)軌跡規(guī)劃，并根據(jù)關節(jié)模型計算實現(xiàn)期望關節(jié)軌跡所需的關節(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)進行智能PID控制，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。其輸出經數(shù)值和D/A環(huán)節(jié)轉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)應用

　　2.1 氣動關節(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動頡頏關節(jié)的準確伺服控制.首先要對氣動人工肌肉進行建模。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)構成的動力學系統(tǒng)，則模型方程為：

　　其中，x為肌肉收縮長度，當肌肉完全伸張時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)進行準確估計。當肌肉壓力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。應用此三元肌肉模型，本文所介紹的軟件系統(tǒng)對關節(jié)進行了閉環(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)應用

　　在本文構建的采用柔性驅動器McKibben氣動人工肌肉作為驅動源的機器人單自由度頡頏關節(jié)系統(tǒng)上，可對McKibben型氣動人工肌肉的建模和控制進行進一步的研究。通過在本系統(tǒng)上的實驗，在對三元肌肉模型參數(shù)進行準確估計的基礎上，利用本文實現(xiàn)的控制軟件系統(tǒng)可實現(xiàn)了閉環(huán)的關節(jié)軌跡跟蹤控制。

　　在進一步工作中，將基于已有的平臺和閉環(huán)控制方法重點研究兩個問題。首先研究關節(jié)剛度可控的軌跡跟蹤控制。利用此冗余系統(tǒng)的關節(jié)剛度量實現(xiàn)優(yōu)化的目的，使機器人通過更好地利用自身關節(jié)的被動動力學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節(jié)剛度降低沖擊影響，進而為搭建由氣動肌肉驅動的雙足機器人提供理論準備。