气动人工肌肉驱动机器人关节研究及应用
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河南科技大学 硕士学位论文 气动人工肌肉驱动机器人关节研究及应用 姓名：李继磊 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：韩建海 20080601
摘 要
论文题目： 专究及应用 机械电子工程 李继磊 韩建海
摘
要
随着机器人领域的不断扩展，仿生机器人及服务机器人研究的深入，人们对 安全性好、重量轻的柔性驱动器的需求在不断增长。气动人工肌肉作为一种新型 驱动器，以其出力 - 重量比高、柔性好以及和生物肌肉特性的接近等一些优点成 为具有广阔发展潜力的一种柔性驱动器。它已经在仿人机器人、爬行机器人、助 力装置以及康复器械等方面得到应用。但气动肌肉的广泛研究也就是近十几年的 事情，从基本理论到实际应用仍然有许多问题有待研究和解决。因此，本研究的 主要目的就是通过研究气动肌肉及其驱动关节的特性与控制，为气动肌肉深入广 泛的应用打下坚实的基础。 本文首先综述了气动人工肌肉的研究现状，在此基础上提出一种廉价、结构 简单、体积小的气动人工肌肉的制作方案。介绍气动人工肌肉的工作原理，并制 作了实物模型，建立试验装置并对其性能进行测试。其次，模仿生物关节的工作 方式，采用一对对抗性气动肌肉驱动的关节是气动肌肉最普遍的应用方式，因 此，本文重点进行了关节的建模研究和特性分析。在建模过程中采用的是简化模 型，并通过引入的几个参数，将关节的模型进行简化，得到的关节模型具有一定 的实用价值。在此理论基础上设计了一个单关节的闭环控制系统，通过加入常用 的工业 PID 控制算法来实现单关节的位置控制。 最后，在气动肌肉及其驱动关节的研究基础上，本文设计了一个气动肌肉驱 动的下肢康复训练装置，主要包括机械结构的设计、硬件电路的设计和控制程序 的编制，完成对其性能的检测。该训练装置有两个自由度，可以实现膝关节和踝 关节的控制。试验结果表明，该训练装置具有制作简单，运动范围和强度易调 整，特别是系统的安全性和柔顺性高等特点，有望在实际中得到应用。
关 键 词：气动人工肌肉，关节，位置控制，PID 算法，下肢康复训练装置 论文类型：应用基础研究
I
摘要
Subject: Research on robot joint actuated by pneumatic artificial muscle and its application Specialty: Mechatronics Engineering Name: Li Jilei Supervisor: Han Jianhai
III
符号表
符号表
D0——初始直径(m)； β0——初始编织角(°)； L0——初始长度(m)； b——单根编织网长度(m)； β——编织角(°)； p——气动肌肉充气压力(Pa)； L——气动肌肉长度(m)； D——气动肌肉直径(m)； n——单根编织网线在气动肌肉表面的缠绕圈数； V——气动肌肉容腔体积(m3)； F——气动肌肉张力(N)； ε——气动肌肉的收缩比； ∆ε——气动肌肉收缩比变化量； θ——关节转角(°)； r——关节作用半径(m)； M——关节转矩(N.m)； ∆p——气动肌肉充气压力变化量( Pa )； t——时间(s)； KP——比例系数； KI——积分系数； KD——微分系数； ωs——采样频率(Hz)；
II
河南科技大学硕士学位论文
hardware circuit and the program of control and testing its capability. The training device has two degrees and can control the knee joint and hough. The results of experiments prove that the training device is easy to make, and can set the scope and strength of the movement at will in light of the patient’s case, especially in safety and flexibility of the system is improved greatly, and may be applied in practice.
KEY WORDS: pneumatic artificial muscle, joint, position control, PID arithmetic,
lower limbs rehabilitation training device
Dissertation Type: Application Basic Research
chou将气动肌肉简化为一个由变刚度的弹簧近似表示气动肌肉的理想特性部分一个恒刚度的弹簧近似表示橡胶的特性和一个非线性项表示形状的影响组成的模型13132气动肌肉的特性研究在气动肌肉的特性研究方面chou对几种不同类型的气动肌肉进行了等张等压和等长特性研究对响应过程功率输出及摩擦力的大小等进行了比较细致的分析和研究24klute等进行了气动肌肉的力速度特性试验为了使气动肌肉能够具有接近于生物肌肉的力速度特性即张力随速度增高而明显降低采用了液压阻尼和气动肌肉并联的方法从而得到了生物肌肉hi模型的一阶近似31caldwell等人针对气动肌肉的动态特性响应和电机相比较慢的缺点根据系统的充放气特点提出了提高系统带宽的途径即提高管路流量或者减少肌肉容积
1
河南科技大学硕士学位论文
组成仿生机构的特性，解决气动肌肉应用当中的一些实际问题，并以此来推进气 动肌肉的发展及其在众多领域的应用。因此，本课题的研究在基础理论方面和实 践方面都具有重要意义。课题研究成果对对仿生机构的发展也具有推动意义。
1.2 气动人工肌肉的发展及应用现状
ABSTRACT
With the application of the robot is expanding, and with the development of bionics robot and service robot, the demand for safety, lightweight and soft actuators are increasing. As a novel actuator with high force-weight ratio, pneumatic artificial muscle is very like biological muscle and has becoming a promising soft actuator. It has been applied to humanoid robots, climbing robots, assistant equipment and rehabilitation machines. However, the abroad studies of the pneumatic muscles are only the recent decade matters, and there are many topics should to be studied concerning the basic theory and the application of the pneumatic muscle. Therefore, the main goal of this paper is to lay solid foundation for the further application of pneumatic muscles through carrying research on the model, characteristics and control of the pneumatic muscles actuated joint. Firstly, the thesis discusses the process developed on Pneumatic Artificial Muscle, and then the principle of new kind of Pneumatic Artificial Muscle is explained. The working principium of Pneumatic Artificial Muscle is introduced. A prototype and the experimental system are built to carry out a series of experiments and tests. Secondly, the universal application of the pneumatic muscle is the joint actuated by a pair of pneumatic muscle, which imitate biologic joint. Therefore, much emphases of this paper were on the modeling and analysis of the joint. By applying the simplified model of the pneumatic muscle, the joint model was simplified by introducing some coefficients. The model of the joint has the value of practicality. Based on the theory analysis results, the single joint closed-loop control system are developed to research. In order to carry out the single joint’s position control, the PID arithmetic was used in the system. Thirdly, a lower limbs rehabilitation training device which actuated by pneumatic artificial muscle was designed based on the research of pneumatic artificial muscle and single joint’s position control. It includes the design of mechanical structure, the
IV
第 1 章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 课题来源 本课题为河南省自然科学基金资助项目（0311053400）。 1.1.2 课题意义 随着人类社会进入 21 世纪，仿生学日益成为推动科学进步的原动力和创新 点。在高新技术领域，以仿生技术为基础的智能计算机、智能材料、生物化工及 仿生机器人等领域成为研究的热点 [1,2] 。机械科学这门古老的学科，在仿生学的 推动下也焕发了新的活力。仿生学和机械工程学的结合产生了仿生机械学、生物 制造工程、组织工程及仿生计量学等边缘学科[3]。其中仿生机构学成为我国机械 学发展战略中机构学的重点研究领域之一[4]。 在仿生机械学的研究中，结构和功能的仿生是目前主要的研究内容。在这方 面研究中，仿生昆虫、仿生鱼及仿生机器人等成为人们研究的热点[5]。作为仿生 机械最基础的驱动器，人工肌肉的研究也一直受到人们的关注。采用传统的电 机、气缸等驱动器来驱动仿生机器人已经成为制约其进一步发展的瓶颈。只有对 驱动器和机械结构都实现仿生才能使仿生机器人具有更优良的特性。 服务机器人是在日常生活环境中和人类接触、为人类提供各种辅助工作的机 器人。随着社会的发展，服务机器人将有广阔的发展空间[6]。相比工业机器人来 说，对服务机器人的柔顺性、对人的亲和性和安全性的要求要远远大于对于其出 力和精度的要求。因此，在安全性和柔顺性方面具有突出优势的柔顺执行器将有 很大的发展前景。 近年来，以气动肌肉等为主的柔性执行器逐渐引起人们的重视，在仿生机器 人、服务机器人以及医疗康复器械中得到越来越多的应用。由于气动肌肉的广泛 研究也是近十几年的事情，因此其理论研究仍然有待深入，其应用过程中出现的 问题也有待解决。同时在我国气动肌肉应用方面的成果还不是很多，而气动肌肉 的产品在我国还是空白。 本课题的研究目的是加深完善气动肌肉的基础理论研究，很好了解气动肌肉
摘 要
论文题目： 专究及应用 机械电子工程 李继磊 韩建海
摘
要
随着机器人领域的不断扩展，仿生机器人及服务机器人研究的深入，人们对 安全性好、重量轻的柔性驱动器的需求在不断增长。气动人工肌肉作为一种新型 驱动器，以其出力 - 重量比高、柔性好以及和生物肌肉特性的接近等一些优点成 为具有广阔发展潜力的一种柔性驱动器。它已经在仿人机器人、爬行机器人、助 力装置以及康复器械等方面得到应用。但气动肌肉的广泛研究也就是近十几年的 事情，从基本理论到实际应用仍然有许多问题有待研究和解决。因此，本研究的 主要目的就是通过研究气动肌肉及其驱动关节的特性与控制，为气动肌肉深入广 泛的应用打下坚实的基础。 本文首先综述了气动人工肌肉的研究现状，在此基础上提出一种廉价、结构 简单、体积小的气动人工肌肉的制作方案。介绍气动人工肌肉的工作原理，并制 作了实物模型，建立试验装置并对其性能进行测试。其次，模仿生物关节的工作 方式，采用一对对抗性气动肌肉驱动的关节是气动肌肉最普遍的应用方式，因 此，本文重点进行了关节的建模研究和特性分析。在建模过程中采用的是简化模 型，并通过引入的几个参数，将关节的模型进行简化，得到的关节模型具有一定 的实用价值。在此理论基础上设计了一个单关节的闭环控制系统，通过加入常用 的工业 PID 控制算法来实现单关节的位置控制。 最后，在气动肌肉及其驱动关节的研究基础上，本文设计了一个气动肌肉驱 动的下肢康复训练装置，主要包括机械结构的设计、硬件电路的设计和控制程序 的编制，完成对其性能的检测。该训练装置有两个自由度，可以实现膝关节和踝 关节的控制。试验结果表明，该训练装置具有制作简单，运动范围和强度易调 整，特别是系统的安全性和柔顺性高等特点，有望在实际中得到应用。
关 键 词：气动人工肌肉，关节，位置控制，PID 算法，下肢康复训练装置 论文类型：应用基础研究
I
摘要
Subject: Research on robot joint actuated by pneumatic artificial muscle and its application Specialty: Mechatronics Engineering Name: Li Jilei Supervisor: Han Jianhai
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符号表
符号表
D0——初始直径(m)； β0——初始编织角(°)； L0——初始长度(m)； b——单根编织网长度(m)； β——编织角(°)； p——气动肌肉充气压力(Pa)； L——气动肌肉长度(m)； D——气动肌肉直径(m)； n——单根编织网线在气动肌肉表面的缠绕圈数； V——气动肌肉容腔体积(m3)； F——气动肌肉张力(N)； ε——气动肌肉的收缩比； ∆ε——气动肌肉收缩比变化量； θ——关节转角(°)； r——关节作用半径(m)； M——关节转矩(N.m)； ∆p——气动肌肉充气压力变化量( Pa )； t——时间(s)； KP——比例系数； KI——积分系数； KD——微分系数； ωs——采样频率(Hz)；
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河南科技大学硕士学位论文
hardware circuit and the program of control and testing its capability. The training device has two degrees and can control the knee joint and hough. The results of experiments prove that the training device is easy to make, and can set the scope and strength of the movement at will in light of the patient’s case, especially in safety and flexibility of the system is improved greatly, and may be applied in practice.
KEY WORDS: pneumatic artificial muscle, joint, position control, PID arithmetic,
lower limbs rehabilitation training device
Dissertation Type: Application Basic Research
chou将气动肌肉简化为一个由变刚度的弹簧近似表示气动肌肉的理想特性部分一个恒刚度的弹簧近似表示橡胶的特性和一个非线性项表示形状的影响组成的模型13132气动肌肉的特性研究在气动肌肉的特性研究方面chou对几种不同类型的气动肌肉进行了等张等压和等长特性研究对响应过程功率输出及摩擦力的大小等进行了比较细致的分析和研究24klute等进行了气动肌肉的力速度特性试验为了使气动肌肉能够具有接近于生物肌肉的力速度特性即张力随速度增高而明显降低采用了液压阻尼和气动肌肉并联的方法从而得到了生物肌肉hi模型的一阶近似31caldwell等人针对气动肌肉的动态特性响应和电机相比较慢的缺点根据系统的充放气特点提出了提高系统带宽的途径即提高管路流量或者减少肌肉容积
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河南科技大学硕士学位论文
组成仿生机构的特性，解决气动肌肉应用当中的一些实际问题，并以此来推进气 动肌肉的发展及其在众多领域的应用。因此，本课题的研究在基础理论方面和实 践方面都具有重要意义。课题研究成果对对仿生机构的发展也具有推动意义。
1.2 气动人工肌肉的发展及应用现状
ABSTRACT
With the application of the robot is expanding, and with the development of bionics robot and service robot, the demand for safety, lightweight and soft actuators are increasing. As a novel actuator with high force-weight ratio, pneumatic artificial muscle is very like biological muscle and has becoming a promising soft actuator. It has been applied to humanoid robots, climbing robots, assistant equipment and rehabilitation machines. However, the abroad studies of the pneumatic muscles are only the recent decade matters, and there are many topics should to be studied concerning the basic theory and the application of the pneumatic muscle. Therefore, the main goal of this paper is to lay solid foundation for the further application of pneumatic muscles through carrying research on the model, characteristics and control of the pneumatic muscles actuated joint. Firstly, the thesis discusses the process developed on Pneumatic Artificial Muscle, and then the principle of new kind of Pneumatic Artificial Muscle is explained. The working principium of Pneumatic Artificial Muscle is introduced. A prototype and the experimental system are built to carry out a series of experiments and tests. Secondly, the universal application of the pneumatic muscle is the joint actuated by a pair of pneumatic muscle, which imitate biologic joint. Therefore, much emphases of this paper were on the modeling and analysis of the joint. By applying the simplified model of the pneumatic muscle, the joint model was simplified by introducing some coefficients. The model of the joint has the value of practicality. Based on the theory analysis results, the single joint closed-loop control system are developed to research. In order to carry out the single joint’s position control, the PID arithmetic was used in the system. Thirdly, a lower limbs rehabilitation training device which actuated by pneumatic artificial muscle was designed based on the research of pneumatic artificial muscle and single joint’s position control. It includes the design of mechanical structure, the
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第 1 章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 课题来源 本课题为河南省自然科学基金资助项目（0311053400）。 1.1.2 课题意义 随着人类社会进入 21 世纪，仿生学日益成为推动科学进步的原动力和创新 点。在高新技术领域，以仿生技术为基础的智能计算机、智能材料、生物化工及 仿生机器人等领域成为研究的热点 [1,2] 。机械科学这门古老的学科，在仿生学的 推动下也焕发了新的活力。仿生学和机械工程学的结合产生了仿生机械学、生物 制造工程、组织工程及仿生计量学等边缘学科[3]。其中仿生机构学成为我国机械 学发展战略中机构学的重点研究领域之一[4]。 在仿生机械学的研究中，结构和功能的仿生是目前主要的研究内容。在这方 面研究中，仿生昆虫、仿生鱼及仿生机器人等成为人们研究的热点[5]。作为仿生 机械最基础的驱动器，人工肌肉的研究也一直受到人们的关注。采用传统的电 机、气缸等驱动器来驱动仿生机器人已经成为制约其进一步发展的瓶颈。只有对 驱动器和机械结构都实现仿生才能使仿生机器人具有更优良的特性。 服务机器人是在日常生活环境中和人类接触、为人类提供各种辅助工作的机 器人。随着社会的发展，服务机器人将有广阔的发展空间[6]。相比工业机器人来 说，对服务机器人的柔顺性、对人的亲和性和安全性的要求要远远大于对于其出 力和精度的要求。因此，在安全性和柔顺性方面具有突出优势的柔顺执行器将有 很大的发展前景。 近年来，以气动肌肉等为主的柔性执行器逐渐引起人们的重视，在仿生机器 人、服务机器人以及医疗康复器械中得到越来越多的应用。由于气动肌肉的广泛 研究也是近十几年的事情，因此其理论研究仍然有待深入，其应用过程中出现的 问题也有待解决。同时在我国气动肌肉应用方面的成果还不是很多，而气动肌肉 的产品在我国还是空白。 本课题的研究目的是加深完善气动肌肉的基础理论研究，很好了解气动肌肉