气动人工肌肉及其在双足机器人中的应用-文档资料ppt课件.ppt

病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程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 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1、仿肌肉驱动器概述、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、气压驱动装置以及液压驱动装置病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.1 常见驱动装置比较常见驱动装置比较驱动方式优点缺点电机驱动便于控制，实现精确的位置和速度；信号便于处理；配线容易；清洁，无噪声，价格较低。

力矩/质量比较低，需使用减速器获得低速大力矩，减速器的使用附加控制问题；容易产生电火花，在应用上受到限制气压驱动成本较低，可靠性高，易于维护，无污染难于准确控制速度和位置，出力小，有噪声，易锈蚀等一般用于控制要求不高、驱动力要求不大、成本低的产品液压驱动力矩/质量比较高，驱动器体积小质量轻可输出较大的驱动力；刚度大需配备液压动力源设备，内部漏油及油温影响驱动特性；管理、维修技术要求高；一次性投资较高等目前液压执行机构主要用于大型机械的驱动 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病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程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；病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.2 生物肌肉的组成生物肌肉的组成 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 生物肌肉的结构图病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程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，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病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.3仿肌肉驱动器的分类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 生物类仿肌肉驱动器生物类仿肌肉驱动器: 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病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程仿肌肉驱动器材料类形状记忆合金电致收缩聚合物磁致收缩聚合物压电陶瓷机械类气动人工肌肉电致收缩器磁致收缩器生物类心肌细胞表 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病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程表：四种仿肌肉驱动器与人类骨骼肌的性能比较类型应变系数/ (% )响应速度能量密度/ (W# kg-1)效率/ (% )执行位移/ (% )人类骨骼肌40L s s100455020SMA5s1000340L s s53010PZT0. 09L s s1000300.10.3PAM15s10003250030 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病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程2、气动人工肌肉、气动人工肌肉介绍介绍 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 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。

病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程2.1 PAM分类分类 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/Braided Muscle, (b) Pleated Muscle, (c) Yarlott Netted Muscle, (d) ROMAC Muscle and (e) Paynter Hyperboloid Muscle. 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程2.2 PAM基本结构基本结构 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 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程2.3 PAM工作原理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工作原理示意图病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程图 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 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程2.4 PAM建模及特性分析建模及特性分析 气动人工肌肉驱动特性的研究实质是建立其输出力输出力F、充气压力充气压力P以及长度长度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：l气动人工肌肉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l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 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程Chou的理想模型的理想模型 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；病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程气动肌肉长度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)病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程研究学者在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)病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程实验实验 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。