气动人工肌肉在空投着陆缓冲中的应用构想.pdf

2 0 1 2年 2月 第 4 0卷 第3 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUU C S F e b．2 0l 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 3 ． 0 2 4 气动人工肌肉在空投着陆缓冲中的应用构想 王宏 ． 桂林空军学院， 赵 西友 广西桂林 5 4 1 0 0 3 摘要基于气动人工肌肉的特点和缩距缓冲原理，提出一种气动人工肌肉在空投着陆缓冲中应用的初步方案 ，以期在 现有空投系统的基础上提高空投质量，增强稳定性。介绍气动人工肌肉的选择、系统的硬件组成，阐述气动人工肌肉与现 有空投系统的结合方式及其工作控制过程，并分析系统涉及的关键技术。 关键词 气动人工肌肉；空投；着陆缓冲 中图分类号 T P 2 7 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 3 0 8 4 3 The Ap pl i c a tio n Co nc e ptio n o f Pn e uma tic Ar t i fic i a l M u s c l e i n Pa r a dr o p La nd i ng Bu f f e r i ng W ANG Ho n g．Z HA0 Xi y o u G u i l i n A i r F o r c e A c a d e m y ，G u i l i n G u a n g x i 5 4 1 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n c h a r a c t e ri s t i c s o f p n e u ma ti c a r t i fi c i a l mu s c l e a n d d i s t a n c e s h o r t e n i n g b u ff e rin g p rin c i p l e，a p r e l i mi n a r y s c h e me f o r t h e a p p l i c a t i o n o f p n e u ma ti c a r t i f i c i al mu s c l e i n p a r a d rop l and i n g b u ffe rin g Was p r o p o s e d，i n o r d e r t o i n c r e a s e t h e p a r a d rop we i g h t and i mp r o v e s t a b i l i t y w i t h o u t a ff e c t i n g the e x i s ti n g p ara d r o p s y s t e m．Co r r e l a ti v e ma i n c o n t e n t we r e i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g t h e c h o i c e o f p n e u ma t i c a r t i fi c i al mu s c l e，the h a r d w a r e c o mp o s i t i o n o f t h e s y s t e m，c o mb i n a t i o n o f p n e u ma t i c a r t i fi c i al mu s c l e wi th e x i s t i n g p a r a d r o p s y s t e m ，an d c o r r e s po n d i n g w o r k i n g c o n t r o l p r o c e s s F u r t h e r mo r e ，t h e c o r r e l a t i v e k e y t e c h n o l o g i e s o f t h e s y s t e m we r e a n n l y z e d ． Ke y wo r d s P n e u ma t i c a r t i fi c i al mu s c l e ；P a r a d rop；L a n d i n g b u ff e r i n g 由于空投着陆缓冲技术在军事和减灾救援中的重 要作用，历来受到世界各国的普遍关注。自2 0世纪 中期以来 ，火箭、气囊、蜂窝纸、缩距等空投着陆缓 冲技术和手段相继成功地应用于实践并日趋完善，实 现了大、中件物资在超低空、高空、复杂气象等条件 下的空投或精确空投，在航天、军事和民用领域发挥 了显著作用。 气动人工肌肉是近年来发展起来的一种新型驱动 器 ，它具有功萼 苤 ／ 质量比大，在力、长度特性上与人 类肌肉类似等优点，且柔顺可控。基于气动人工肌肉 的以上特点 ，利用缩距缓冲原理，对气动人工肌肉在 空投着陆缓冲中的应用进行探索，提出了一种方案构 想 ，力求在现有空投系统的技术和装备基础上提高空 投质量 ，增强稳定性 。 1 气动人工肌肉的选择 缩距缓冲原理是通过在空投物着陆前的适当时机 快速缩短伞衣和物资之间的距离，产生一定 的提升 力 ，达到缓冲的目的，它只需要单向驱动力即可。气 动人工肌肉可以提供足够的轴向拉力，完全可以满足 缩距缓冲需求。气动人工肌肉按结构形式可分为 3 类编织式人工肌肉、网孔式人工肌肉和嵌入式人工 肌肉。根据各气动人工肌肉自身的特点和空投着陆缓 冲的实际需求，可选择编织式人工肌肉中的 Mc K ． i b b e n 气动人工肌 肉用于着陆时的缩距缓冲。它是 由 美国医生 J o s e p h L M c K i b b e n发明并 以其名字命名的 一 种柔性气动驱动器。Mc K i b b e n气动人工肌 肉的主 体主要由外层编织网和内层弹性橡胶管组成 ，其结构 如图 1 所示一O 外层剐性 媛罔 I 连 接 件 上 连 接 件 内 层 弹 性 橡 胶 管 充 气 口＼ 图 1 Mc K i b b e n气动人工肌肉 图 1中，P为输入气压，其大小由控制器根据实 际工作情况进行控制。当输入端气压值增大时，内层 橡胶管膨胀 ，由于外层编织网刚度很大，几乎不能伸 长，限制肌 肉只能径 向变形 直径 变大，长度缩 短 ，产生轴向收缩力；而 当输入端气压P降低时， 导致人工肌肉伸长 松驰 ，肌 肉的刚度及驱动力也 就随之降低。肌肉的刚度可通过控制橡胶管内的气压 实现，这种肌肉具有变刚度特性 ，可等效为一只变刚 收稿日期2 0 1 1 0 21 4 作者简介王宏 1 9 6 7 一 ，男 ，博士后，教授，研究方向为空降空投理论与应用。E m a i l s p w h w q 1 6 3 ． c o m。 第 3期 王宏 等气动人工肌肉在空投着陆缓冲中的应用构想 8 5 度 的弹簧 。 缩距缓冲技术是近十多年来发达国家研究的热点 之一，先后出现了几种典型的缩距器设计 ，包括活 塞 一滑轮缩距器、马达 一绞盘缩距器以及弹簧缩距等 等。这些缩距器虽然能够起到缓冲的作用 ，但对其在 工作过程中的控制非常困难。作者利用 Mc K i b b e n气 动人工肌肉具有的类似人体肌肉的拉力和伸缩特性以 及柔顺可控的优点 ，对其在缩距缓冲中的应用进行探 索，以期有效地解决空投着陆时的缓冲问题。立足现 有的有伞空投系统 ，通过两者的有机结合，借助气动 人工肌肉可控的特点 ，在着陆前的适当时机操纵气动 子系统工作 ，起到着陆缓冲的作用。 2 系统的硬件组成 根据 目前有伞空投系统的特点和缩距缓冲原理， 基于气动人工肌 肉的空投 着陆缓 冲系统的硬件部分拟 包括气压驱动子系统、传感器子系统和控制子系统。 通过与空投系统的巧妙结合，借助控制子系统的有效 控制 ，在着陆前的适当时机操纵气动子系统工作，起 到着陆缓冲的作用。 2 ． 1 气压驱动子 系统 气压 驱动 子 系统 由气 源、压力 伺 服 比例 阀、 Mc K i b b e n气动人工肌肉及机构部分组成。由气源提 供相应压力的压缩气体，压缩气体由导管经过伺服比 例阀送入气动人工肌肉中。每条肌肉均与一伺服比例 阀相连并有一出气阀门和一进气阀门。通过控制伺服 比例阀上所加的电压即可控制肌肉中的气体压力。加 压后的气动肌肉输出收缩张力并产生伸缩量，通过控 制肌肉压力即可达到控制肌肉动作的 目的。 气压驱动子系统的设计需要针对具体的空投物质 量和空投过程的力学模型，通过理论计算和试验，确 定采用何种规格的气动人工肌肉，选择什么样的压力 伺服比例阀以及能够输入的压力值范围等，以满足空 投着陆时的缓冲要求。 2 ． 2 传感器子 系统 传感器子系统 由力传感器 和直线位移传感器构 成。通过直线位移传感器可以测量 出肌 肉的收缩量 ， 通过力传感器测量肌肉拉力 ，从而完成系统的伺服闭 环控制。系统中的力传感器可采用航天科技集团公司 7 0 1 所的 B K - 2 F型高精度 s形测力／ 称重传感器。其 测量精度为0 ． 0 5 ％。输出经过 T S - 2型放大器放大后 ， 输出电压范围为 一 5一 5 V。直线位移传感器可采用 WD L型直滑式导电塑料电位计。 传感器子系统主要是考虑到空投着陆过程中对缓 冲过程控制的需要而设计的，该子系统需根据实际需 要确定如何使用或是否使用。 2 ． 3控制 子 系统 控制子系统由单片机、A ／ D采集卡、D ／ A转换 卡组成。软件控制系统运行于单片机上，并通过 D ／ A转换器将数字控制量转换为模拟量。此模拟量用以 控制压力伺服 比例阀的输出气压。A ／ D转换器采集 拉力传感器和直线位移传感器的数据，并提供给单片 机可 由软件 处理 的数 字信 号。该 系统可采 用 A T - m e g ．2单片机，D ／ A转换器可采用 P C L - 7 2 6型 6通 道模拟量输出卡。它提供了6个 l 2位双缓冲的模拟 量输出通道，可满足肌肉伺服控制的需要。MD采集 卡可采用 P C L - -8 1 3 B型 1 2 位 3 2通道 A ／ D卡，它提供 了3 2通道带隔离的直流电压测量 ，精度可以满足系 统要求 。 控制子系统主要根据空投着陆缓冲的实际需要 ， 通过控制压力伺服比例阀的气压大小、进气速度甚至 频率来操纵气动人工肌肉子系统实现不同质量、不同 条件下的空投着陆缓冲目的。 3 气动人工肌肉与空投系统的结合 3 ． 1 气动人 工肌 肉的安 装 将气动人工 肌 肉 应用 于空投着陆 的 目 的就是 在 不 影 响 现 有 空 投 系统 的前提 下， 提高空投质量和增强 稳 定 性 。 因 此 ，如 何 将它与现有空投系统 进行巧妙结合也是研 究的重 点 内容。根据 目前有伞空投系统的 实际情况和缩距缓冲 原理 ，该 系统 拟采用 图2所示 的气动人工 肌肉安装方式。 ’ 图2 气动人工肌肉的安装图 图中，人工肌肉的上端与吊带的某个部位固定， 下端与吊带的某个部位或直接与空投物相连，气压源 和其他辅助设施可安装在空投物上，在空投物即将着 陆的某个时机，由控制子系统控制压力伺服比例阀对 人工肌肉进行充气，使其在短时间内回缩 ，而且当收 缩到位时，无需专 门制动，人工肌肉速度 自动降到 零 ，实现 自制动。借助回缩产生的拉力，气动人工肌 肉会在瞬间缩短伞衣和空投物之间的距离 ，而且可以 根据空投物的质量和缓冲的实际需要控制收缩的速度 和力度，对空投物产生一个适当的向上提升力，不但 达到减小着陆冲击的目的，而且还可以增强稳定性和 确保安全性 。 - 8 6 机床与液压 第 4 0卷 3 ． 2 系统 的控 制过 程 气动人工肌 肉在空投着陆缓 冲中的应用，不仅仅是在着陆前 的适当时机产生向上的拉力来减 轻冲击力，更重要的是利用其特 有的类似人体肌肉的特性，根据 空投的实际状况来决定气压大 小 、进气速度 、频率 、时机等， 达到柔顺和可控的效果。其中， 进气时机的把握需要专门的测高 传感子系统来支撑，这里暂不予 讨论。整个系统的工作控制过程 如 图 3 所示 。 4 关键技术分析 图3 系统工作 控制过程 气动人工肌肉虽然在学术界引起了很大的关注 ， 而且在众多领域内的应用越来越广泛，但在空投缓冲 技术领域中的应用 ，至少国内还没有成功的先例。基 于气动人工肌肉的空投着陆缓冲技术研究 ，是对新技 术在空投缓冲领域应用的大胆探索。其关键技术主要 包括以下几点 1 气动人工肌肉本身具有一定的体积和质量， 安装在什 么部位 、采用什么样的连接方式 ，既不影响 原有空投系统 的工作 ，同时又能很 好地达到缓 冲的 目 的，将是需要解决的关键之一。 2 通常中件和小件空投物质量都 比较大，要 想在很短的时间对其产生能起到缓冲作用的提升力， 仅靠普通的气动人工肌肉很难满足要求，还必须根据 空投的实际需求 ，针对空投的具体对象，从结构尺寸、 材料等方面对气动人工肌肉进行深入研究。 3 对气动人工肌肉的控制是一个复杂的过程， 它既要把握进气的时机，又要控制气压的大小，进气 的速度、频率以及充气过程的闭环控制，它需要多个 子系统的支撑和配合工作，才能实现着陆缓冲及过程 可控的最终 目的。 4 空投 着 陆是一个 复 杂 的过 程 ，而 且要 受 到 地形、气象、风速等诸多因素的影响。因此 ，为了实 现对气动人工肌肉的准确伺服控制．就必须针对具体 的应用对象对气动人工肌肉进行建模。M c K i b b e n气 动人工肌肉由于具有非线性、时变特性 ，并且在工作 时伴随有迟滞现象 ，因而难于对其进行建模和控制。 大多数 已有研究 中对 于 M c K i b b e n 气 动人工 肌 肉的建 模都采用 C h o u和 H a n n a f o r d 基于虚功原理给出的理论 模型。此模型给出了肌肉出力的理想估计 ，然而此理 论模型直接应用于实际控制并不能得到良好的效果。 因而，能否建立正确的气动人工肌肉模型也是研究的 关键 。 参考文献 【 1 】臧克江， 郭艳玲， 马岩． 编织型气动人工肌肉几何特性研 究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 1 2 4 2 7 ， 3 0 ． 【 2 】 臧克江， 顾立志， 陶国 气动人工肌 肉研究与展望 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 4 4 7 ． 【 3 】杜经民， 朱端阳， 杨钢． 气动人工肌肉静态特性实验研究 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 5 2 1 2 3 ． 【 4 】 方贤德． 降落伞缩距软着陆技术的研究及其进展[ J ] ． 航天返回与遥感， 2 0 0 7 1 71 1 ． 【 5 】 卫玉芬 ， 李小宁． 气动人工肌肉的进展和应用[ J ] ． 机床 与液 压 ， 2 0 0 3 1 3 7 3 8 ． 上接第 4 6页 M A T L A B下。该轨迹的参考线速度与角速度为 0 ． 1 m ／ s ，∞ 0 ． 2 r a d ／ s ；参考初始位姿 一 0 ． 0 3 m， Y 0 ． 6 9 9 9 m， 1 ． 5 9 0 8 r a d ；实际线 速 度与 角速度初始值 为 V 0 ． 0 8 m ／ s ， 0 ． 0 3 m ／ s ；实际 初始位姿 0 ． 2 m，Y 0 ． 4 m， 2 ,r r ／ 3 r a d ；控制 参数 k ， 0 ． 9 ，k 0 ． 9 ，k 2 1 5 ，k 0 ． 6 。跟踪效 果 如图 3所示 。 1 O． 5 0 宴 一 o ． 5 一1 _1 ． 5 ．2 x ／ m t | s a 轨迹跟踪效果图 b 位姿误差分析曲线 图3 复合曲线轨迹跟踪仿真结果图 从图3可以得出文中所研究的控制算法可以对 参考轨迹进行有效跟踪，即可以使移动机器人的实际 轨迹平 滑收敛 于期望轨迹 。 参考文献 【 1 】 J I A N G Z P ， N I J M E I J E R H ． T r a c k i n g C o n t r o l o f M o b i l e R o b o t s A C a s e S t u d y i n B a c k s t e p p i n g [ J ] ． A u t o ma t i c ， 1 9 9 7 ， 3 3 7 1 3 9 31 3 9 9 ． 【 2 】马保离， 宗光华， 霍伟． 非完整链式系统的输出跟踪控 制一动态扩展线性化方法 [ J ] ．自动化学报， 1 9 9 9 ， 2 5 3 3 1 63 2 2 ． 【 3 】徐俊艳， 张培仁． 非完整轮式移动机器人轨迹跟踪控制 研究[ J ] ． 中国科学技术大学学报 ， 2 0 0 4， 3 4 3 3 7 6 3 8 0 ． 【 4 】刘全． 基于 P C I 总线的拟人臂机器人线驱动控制器及驱 动系统的开发[ D] ． 北京 北京航空航天大学， 2 0 0 6 ． 【 5 】 魏娟． 一种差速驱动机器人路径控制方法 [ J ] ． 制造业 自动化， 2 0 0 8 ， 3 0 1 0 8 0 8 2 ．