基于人工肌肉的机器人驱动关节设计与研究

文章编号:1002 0446(2008)02 0142 05

基于人工肌肉的机器人驱动关节设计与研究

应申舜,秦现生,任振国,冯华山,王战玺

(西北工业大学机电学院,陕西西安 710072)

摘 要:提出一种基于人工肌肉的新型驱动关节设计方法,用于提高机器人的驱动性能.通过定义关节结构的笛卡儿坐标系统,建立了反映关节结构参数与工作空间、结构强度、动力学特性之间关系的数学模型.在上述分析的基础上,采用多目标规划算法对驱动关节进行优化设计,并给出相应的设计变量、目标函数、约束条件和求解方法.最后,将该方法应用于某四足机器人髋关节的设计过程.仿真结果表明,基于人工肌肉的新型驱动关节具有良好的强度、灵巧度和承载能力.

关键词:人工肌肉;驱动关节;多目标规划;运动解耦中图分类号: TP 242 文献标识码: A

D esi gn and R esearch of Robot Drivi ng Jo i nt Based on ArtificialM uscles

Y I N G Shen shun ,Q I N X ian sheng ,RE N Zhen guo ,FE NG H ua shan ,WANG Zhan x i

(School ofM echatronics ,N ort hw este rn Pol y te chnical Universit y ,X i an 710072,Ch i na )

Abstract :In orde r to i m prove the dr i v i ng perfo r mance o f ex isti ng robo t ,an artifi c i a l m usc l e based m ethod is proposed to

desi gn nove l dr i v i ng joints .F i rstl y ,the Cartesian coordi nate syste m of the jo i nt mechan i s m is defi ned ,and a m athe m atica l m ode l is constructed to express the re lati onshi ps a m ong the struc t ure para m eters ,wo rkspace ,struc t ure i n tensity ,and dy na m ica l fea t ures o f the dr i v i ng j o ints .Based on t hese analyses ,a m ulti ob j ec ti ve prog ramm i ng algor it h m i s then utilized to opti m ize the design o f the driving j o i n ts ,and such re levant facto rs as the design var i ables ,objecti v e f uncti on ,constraint conditi ons and so l u tion m ethod are presented in deta i.l F i nall y ,the proposed m et hod is app lied to the sc i a tic j o i nt desi gn o f a quadruped robot ,and the si m u l a ti on results prov e t he advantages of the a rtific i a l m uscle based dr i v i ng j o i nt i n ter m s o f streng th ,dex terity ,and ca rry i ng capac it y .

K eyword s :artific i a lm uscle ;dr i v i ng j o i nt ;mu lti objecti v e prog ra mm i ng ;movem ent decoupli ng

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775186);西北工业大学科技创新基金资助项目(2006CR09);国防基础科研项目(A2720060275).收稿日期:2007-05-06

1 引言(Introduction)

机器人的关节驱动系统是机器人的重要部件之一,仿袋鼠机器人、仿人型跑步机器人等都需要结构

紧凑、能提供爆发力的驱动关节.研究表明[1]

,仿人型跑步机器人起跳时腿关节所需力矩约为520N m ,而目前采用稀土永磁技术的L W X 型无刷直流力矩电动机(重14.5kg )只能产生约25N m 的力矩.与电机驱动配套的减速装置、传动装置使得机器人关节结

构复杂、效率低,还会引起噪音[1]

.

为了获得输出力矩大、结构简单、运动范围大、易于控制的机器人关节,国内外专家和学者纷纷展开研究,并取得了一系列成果.如,文[2]设计了一种新型的三自由度垂直相交运动解耦液压伺服关节,具有较

高能量密度,适用于机器人操作臂;文[3]应用交流伺服系统直接驱动技术,设计出高性能的机器人关节一体化驱动系统;文[4]提出形状记忆合金驱动的机器人关节驱动器,采用推挽式结构,有效利用两条相同的S MA 弹簧以产生较大的输出力和动作幅度,对形状合金机器人关节驱动器的控制进行了充分的理论论证;文[5]设计了一种3自由度的关节系统,其结构、强度、运动、工作空间都经过优化,可广泛应用于多冗余空间操作臂、机器人关节等场合;文[6]用一对镍钛形状记忆合金实现水底行走机器人关节的摆动,结构简单有效.可见,机器人驱动关节设计受到广泛重视,基于人工肌肉的关节设计成为研究热点.但是,采用人工肌肉驱动的机器人关节由于结构的限

第30卷第2期 2008年3月

机器人

ROBO T

V o.l 30,N o .2M arch ,2008