來源：電子技術(shù)應(yīng)用  作者：毛勇 王家廒 莊新彥 丘振

摘要：介紹了一種由氣動人工肌肉構(gòu)建的雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)利用氣動人工肌肉的柔性特性，可以有效控制雙足機(jī)器人快速行走或跑步時(shí)的落地腳沖擊問題。詳細(xì)給出了氣動人工肌肉的工作原理以及由其構(gòu)成的關(guān)節(jié)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。同時(shí)介紹了基于此硬件關(guān)節(jié)搭建的控制軟件系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：氣動人工肌肉頡頏關(guān)節(jié)軌跡跟蹤控制雙足機(jī)器人

雙足機(jī)器人相比于一般的移動機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)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(guān)注�？刂茩C(jī)器人獲得快速的行走速度以及實(shí)現(xiàn)跑動步態(tài)仍然是雙足機(jī)器人領(lǐng)域中具有挑戰(zhàn)性的問題之一。機(jī)器人快速行走或跑動時(shí)，擺動腳在落地的瞬間會產(chǎn)生一個(gè)較大的沖擊力，此力使落地腳反彈或使零力矩點(diǎn)(zeromoment point)產(chǎn)生較大跳變，從而造成機(jī)器人穩(wěn)定裕度降低和跌倒。這種現(xiàn)象被稱為沖擊效應(yīng)，它是制約雙足機(jī)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(qū)動器，McKibben型氣動肌肉是其中應(yīng)用最為廣泛的一種。它具有柔順、功率/質(zhì)量比大、在力，長度特性上與人類肌肉類似等優(yōu)點(diǎn)。由于其具有柔順性可控的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用氣動人工肌肉作為驅(qū)動器可以有效地解決雙足機(jī)器人的落地腳沖擊問題。因此，將氣動人工肌肉作為雙足機(jī)器人的驅(qū)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(diǎn)。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(jī)器人的研究剛剛起步，只有少數(shù)幾個(gè)雙足機(jī)器人項(xiàng)目對此進(jìn)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(guān)節(jié)的單自由度人工關(guān)節(jié)。此系統(tǒng)的硬件部分包括氣壓驅(qū)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(gòu)建了軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對此人工關(guān)節(jié)軌跡的跟蹤控制�；诒疚牡墓ぷ骺梢赃M(jìn)一步研究和解決氣動人工肌肉及關(guān)節(jié)的建模和控制問題，為設(shè)計(jì)和搭建基于氣動人工肌肉驅(qū)動器的雙足機(jī)器人打下基礎(chǔ)。

1 氣動人工肌肉關(guān)節(jié)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
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(qū)動器。McKibben氣動人工肌肉的主體主要由外層編織網(wǎng)和內(nèi)層彈性橡膠管組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖l為肌肉結(jié)構(gòu)圖，其中，Pi為輸入氣壓，其大小由控制器根據(jù)實(shí)際工作情況進(jìn)行控制。當(dāng)輸入端氣壓只增大時(shí)，內(nèi)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(chǎn)生軸向收縮力；而當(dāng)輸入端氣壓Pi降低時(shí)，導(dǎo)致人工肌肉伸長(松馳)，肌肉的剛度及驅(qū)動力也就隨之降低。肌肉的剛度可通過控制橡膠管內(nèi)的氣壓實(shí)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(guān)節(jié)系統(tǒng)
由于氣動人工肌肉只能提供單向驅(qū)動力，故需由兩條肌肉以類似生物頡頏肌的方式構(gòu)成對抗性回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以實(shí)現(xiàn)操作臂的力閉合。本文利用McKibben氣動人工肌肉作為驅(qū)動器搭建了單自由度頡頏關(guān)節(jié)系統(tǒng)。此系統(tǒng)的硬件部分由氣壓驅(qū)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(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1．2．1 氣壓驅(qū)動子系統(tǒng)
氣壓驅(qū)動子系統(tǒng)由氣源、壓力伺服比例閥、McKibben氣動人工肌肉及機(jī)構(gòu)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(dǎo)管經(jīng)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(jìn)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(qū)動機(jī)構(gòu)部分的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，因此通過對肌肉壓力的控制即可達(dá)到軌跡跟蹤所需的關(guān)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(shí)理論作用力為300N，重復(fù)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(diào)節(jié)充氣閥門和進(jìn)氣閥門控制肌肉內(nèi)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(gòu)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(guān)節(jié)模型進(jìn)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(guān)節(jié)力矩的線性關(guān)系可以計(jì)算出關(guān)節(jié)力矩，從而完成關(guān)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(tuán)公司7Ol所的BK-