平面对抗型气动人工肌肉关节设计与转角特性试验分析.pdf

液 压 气 动 与 密 1- ／ 20 1 5年 第 1 2期 d o i l O ．3 9 6 9 4 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 1 1 平面对抗型气动人工肌肉关节 设计与转角特性试验分析 张增猛 ， 陈佐钟， 弓永军 ， 侯交义， 苗 坚 大连海事大学 交通运输装备与海洋工程学 院， 辽宁 大连1 1 6 0 2 6 摘 要 根据气动人工肌肉驱动特性 ， 设计了平面对抗型气动人工肌肉关节 ， 采用气动比例减压阀调节人工肌肉压力， 搭建了平面对抗 型关节转角试验回路 ， 对关节转角静态特性进行了分析， 通过关节转角特性试验， 分析了关节理论转角与试验转角之间偏差产生的 原 因。 关键词 气动人工肌肉； 对抗型回转关节 ； 静态特性 ； 设计 中图分类号 T H1 3 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 ～ 0 8 1 3 2 0 1 5 1 2 0 0 3 6 0 4 Th e De s i g n a n d An gl e Ch a r a c t e r i s t i c Ex p e r i me n t a l o f Pl a n e Co n f r o n t a t i o n J o i nt wi t h P ne u ma t i c Ar t i fic i a l M us c l e Z H A NGZ e n g - me n g ， C HE NZ u o - z h o n g ， G O NG Y o n g -j u n ， HO UJ i a o - y i ， MI AOJ i a n T r a n s p o r t a t i o n E q u i p me n t a n d Oc e a n E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， Da l i a n Ma r i t i me Un i v e r s i t y , Da l i a n 1 1 6 0 2 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p l a n e c o n f r o n t a t i o n j o i n t i s d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e a c t u a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f p n e u ma t i c a r ti fi c i a l mu s c l e ． I n t h e s y s t e m， p n e u ma t i c p r o p o r t i o n a l p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e i s a d o p t e d t o r e g u l a t i n g a r t i fi c i a l mu s c l e s t r e s s ． T o s t u d y the s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c o f j o i n t a n g l e ， t h e c o n fr o n t a t i o n j o i n t a n g l e t e s t r i g i s b u i l d a n d e x p e ri me n t s are c a r r i e d o u t ． Re s u l t s s h o w t h a t t h e r e i s d e v i a t i o n b e t w e e n t h e t h e o r e t i c a l a n d t h e a c t u a l an g l e s ． Ke y wo r d s o n e um a fi c a r t i fi c i a l mu s c l e ； a g a i n s t t y p e r o t a r y j o i n t ； s t a t i c c h ara c t e r i s t i c ； d e s i g h O 引言 随着机器人技术的不断发展和完善， 对于机械手 臂的研究也在不断进步。机器手臂一般具有精确度 高 、 执行速度快 、 承载能力强等方面 的优点 ， 但在柔顺 性方面却有所欠缺。目前机械手臂的驱动器主要包括 各种电机、 液压缸 、 气压缸， 但是这些驱动器 自身有很 多不足之处， 造成以这些驱动器驱动的机械手臂的结 构复杂， 并且不具有 良好的柔顺性。近年来， 由气压驱 动的机械手因为其功率质量比大、 成本低、 重量轻和系 统简单 已经广泛用于工业领域。 日本同志社大学的 N o b u t a k a T s u j i u c h i 等人 用两根 气动肌 肉从 能量 的角 度建立了1 自由度的关节模型， 通过搭建的P I D控制系 统分析了关节臂的相应速度， 美国斯坦福大学的D o n g ． i u n s h i n 等人圆 设计了用多个平行的气动肌肉来驱动关 节， 这样就增加了运动和可用转矩的范围， 同时避免了 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 2 8 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 0 0 5 0 2 8 ； 交通运输部交通应 用基础研究资助项 目 2 0 1 2 3 2 9 2 2 5 O 5 O ； 辽宁省自然科学基金资助项目 2 0 1 2 0 2 0 1 6 ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助 3 1 3 2 0 1 4 3 0 3 作者简介 张增猛 1 9 7 9 一 ， 男， 山东济南人， 副教授 ， 博士， 主要从事流 体技术方面的科研和教学工作。 3 6 系统变得笨重 ， 日本大阪大学 的Y o h e i A r i g a 等人 为 了 避免气动肌肉的非线性特性 ， 提出了一个线性近似模 型来解释由摩擦和弹性引起的能量损失 ， 北京理工大 学的刘昊等人 设计了一种2 阶自抗扰控制器对气动人 工肌肉关节系统进行线性补偿 ， 东北大学的杨辉等人 利用刚体模型法建立了三自由度气动仿生肘关节运动 学逆解数学模型。项超群等人嘲 基于人体的拮抗肌对 拉驱动原理， 利用 P AM驱动器 ， 设计了三 自由度的仿生 关节。在A d a m s 环境下建立关节模型虚拟样机，并对其 进行了运动仿真。由于气动人工肌肉最基本的应用方 式是由一对对抗 型气动人工肌 肉驱动关节 ， 因此关节 模型与转角特性的研究是气动人工肌肉应用的基础。 本文以气动人工肌肉输出特性的经验公式为基础 ， 对 关节的模型和转角特性进行了理论分析 ， 并基于所搭 建的关节试验平台开展了关节转角特性试验。 1 关节设计与工作原理 1 ． 1工作原理 气动人工肌肉是 由气压控制且单向运动的驱动 器， 只能在充气时产生收缩力， 因此无法采用单根气动 肌肉实现关节的双向运动 ， 需要利用两根气动肌肉组 成对抗性关节 ， 将气动人工肌肉在直线上的收缩运动 Hy d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ． 1 2．2 0 1 5 转换成关节的转动 ， 从而实现关节的双向运动 ， 如图 1 所示 ， 关节的转角输出就由两根人工肌肉的收缩量 决定 。 图 1 对抗型气 动人 工肌 肉 1 ． 2 转角转矩范 围与轮直径的关 系 对于直径 d 对应 9 O o 转角 的人工肌 肉收缩量为s ， s a r d ／ 4 ， 收缩率e s ／L o ， 式中厶为气动人工肌肉的原长， 由 德国F e s t o 公司的气动人工肌肉说明书， 可知一定充气 压力和 收缩率下 的人工 肌 肉收缩力 F如图 2中所示 。 关节极限位置的转矩 T -- F d ／ 2 。 图2 德国 F e s t o 公 司气动肌 肉输出力一 收缩 率曲线 根据 图2 查找气动人工肌 肉不 同收缩量对应 的输 出力可制成表 1 。 由表 1 可以看出， 随着轮直径的增大 ， 关节输出的 最大转矩先变大后变小 。当轮的直径过小关节结构的 设计变得困难， 当轮的直径过大关节的输出转矩又会 变小 ， 综合考虑气动肌肉的收缩量、 关节结构以及关节 最大输 出扭矩大小等 因素 ， 试验 中取轮的直径 d 7 0 m m， 此时， 极限位置时的输出力矩可达到 1 4 N m。 1 ．3关节数学模型 气动人工肌肉输出力、 充气压力和收缩率的静态 关系一般采用式 1 描述网 F _- - p d V p [c z 1 一 占 一 6 ] 1 式 中卜_ 气 动人工肌肉的输 出力 ； ￡ ．气动人工肌肉长度 ； 动人工肌 肉内腔容积 ； p 气动人工肌肉充气压力； 8 气 动人工肌肉收缩率。 由图2 可查得收缩率为 1 ％时气动肌肉输出力与充 气压力之间的关系如表 2 所示 。 表1轮直径一 关节输出转矩对照表 直径 1 Ⅱ 1 收缩量 s ／ m m收缩率8 输出力F ／ N 输出力矩 T ／ N m 表2气动肌肉输出力与充气压力对照表 充气压力p ／ M P a O ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 4 0 ． 5 0 ． 6 输出力 F ／ N 2 0 0 4 8 0 7 2 0 1 O 0 0 1 2 6 0 1 5 0 0 将表2 中数据拟合可得到 ‘ F2 6 0 5 ． 7 p 一5 2 2 忽略式 2 中常数项联立式 1 、 2 得 2 6 0 5 ． 7 a 1 一 一 6 3 同理可得 收缩率为 2 ％一 1 5 ％时含有 口 、 b 的其他 1 4 个关系式， 分别带人占 的值将所得的1 5 个关系式进行拟 合可得 y 0 ． 0 0 5 l x 一0 ． 0 0 2 4 4 由式 3 、 4 的对应关系可知 a 0 ． 0 0 5 1 、 b 0 ． 0 0 2 4 于是 F p 。 [0 ．0 0 5 1 1 一 一 0 ．0 0 2 4 1 5 F p l o ．0 0 5 1 1 一 一 0 ． 0 0 2 4 1 6 其中 占 。 丁O r ， 占 7 r ／ 2 -O r 7 8 d 70 mm ， L o 3 00 mm 在无负载忽略摩擦力情况下有F 1 9 由式 5 ～ 式 9 可得关节转角 与人工肌肉充气压 力p 、 p 的关系曲线如图3 所示 。 液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 5年 第 1 2期 O 0 l 0 2 0 3 04 0 5 0 6 1 号压力 p 1 ／ Mp a 图 3 人工肌 肉关节角 度一 充气压力理论 曲线 图 2 关节试验系统 关节转角试验系统主要由三个环节组成 ， 分别为 机械关节环节， 压力控制环节以及数据采集环节。机 械关节环节如图 1 所示 ， 其中定义左侧气动人工肌肉为 l 号肌肉、 右侧气动人工肌肉为2 号肌肉， 关节臂与竖 直方 向的夹角为关节转 角0 。压 力控制环节如 图 4 所 示 ， 由两个 比例减压 阀分别控制两根气动人工肌 肉的 充气或放气， 并且控制每根气动人工肌肉在充气过程 中的收缩量大小 ， 从 而控制关节转过 的角度 。数据采 集环节 由安装在对 拉关节 轮轴上 的角位移传感 器来 实现。 两根气动肌肉分别采用独立的减压回路来调节充 气压力 ， 如 图4 所示 ， 试验系统包括气源 、 截止阀 、 减压 阀、 气动人工肌肉、 管路、 钢丝绳、 关节轮、 角位移传感 器 、 关节臂 。 图4 关 节试验 回路 两根气 动人 工肌 肉为德 国 F e s t o 公司 的MA S - 2 0 3 0 0 N A A MC K ～ E R B G。它 的原长 L o 3 0 0 m m、 输 出 力 F的范 围为 0 2 0 0 0 N、 最大收缩量 为 2 5 ％、 工作压 力P的范围为 0 0 ． 6MP a 。 减压阀选用S M C 公司的I T V 3 0 0 0 1 比例减压阀， 输入信号为0一 一 5 V， 输 出压力范 围为 0～0 ． 9 MP a ， 最大 流量约5 0 0 0 L ／ mi n 。 关节转角利用天海科D WQ T V ／ A 型角位移传感器 3 8 测 量 。其 输 出信 号 为 05 V， 转 角 测 量 范 围 为 0～ 1 8 0 。 ， 分辨 率 0 ． 0 2 2 。 ， 响应频 率 1 0 0 0 H z ， 线性度 0 ． 1 5 ％ FS。 3 关节转角试验及分析 3 ． 1静态试验 分 别 固定 2号肌 肉的压力 P 为 0 ． 1 、 0 ． 2 、 0 ． 3 、 0 ． 4 、 0 ． 5 、 0 ． 6 MP a ， 将 l 号 肌 肉压 力 P 。 每 隔 0 ． 0 5 MP a 从 0 ． 1 MP a 加压到 0 ． 6 MP a ， 得 到6 组静态转角特性 曲线如图5 所示 0 0 l 0 2 0 3 04 0 5 06 1 号压力 P 1 ／ MP a 图5 人工肌 肉关节角度一 充气 压力静态试验 图 对 比理论 曲线 和试验 曲线 可看 到 理论 曲线 和试 验 曲线均为上 凸曲线即曲线斜率随 1 号肌 肉充气压力 增加而减小 ； 关节的转角范围随 2 号肌 肉的充气压力增 加而减小 。关节理论最大转角与试验最大转角对 比情 况如表 3 所示 。 表3关节理论、 试验最大转角对比 由表 3可 知 理 论 转 角 与试 验 转 角 最 大 偏 差 为 2 2 ．2 2 ％， 偏差产生的原因主要有 人工肌肉输出力、 充 气压力和收缩率之间的经验公式不能准确描述人工肌 肉的真实驱动特性 ； 人工肌肉购买时间过长 ， 由说明书 中的曲线读取得到的数据不够可靠； 机械关节未安装 轴承， 试验过程中存在较大摩擦 ， 即试验并不是在空载 条件下进行的； 另外传感器误差也影响着试验偏差。 3 ． 2 对称压力试验 对称压力试验即将 1 号肌肉从0 ～ 0 ．6 M P a 变化 ， 而 2 号肌 肉从 0 ． 6 ～ 0 MP a 变化 。 设置试验的采样时间为6 0 s ， 每秒采集2 个数据点 ， 将采集到的数据点绘成关节转角 对 1 号肌 肉充气压力 P 的曲线如图6 所示 。 由图6 可以看到如下现象 关节转角变化平稳 ； 关 节转角能够在 0 。 ～ 9 0 。 范围内变化 ； 曲线 的对称性 比较 M MM MMM 1 23 4 56 0 OO 0O0 号彗 7 蛩弩号 2 22 222 二 二 I l 一一 ～一一 一 Hy d r a u l i c s P n e u mi c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 5 好 ， 在对称压力 0 - 3 MP a 处关节转角达到4 5 。 ； 取 1 号肌 肉压力为0 ． 1 ～ 0 ． 5 MP a 区间曲线的线性误差为6 ． 4 8 ％。 I 号压力 p 1 ／ MP a 图6关节转角一 1 号肌肉充气压力曲线图 4 结论 在本研究 中我们建立 了关节 数学模 型 ， 分析 了关 节转角静态特 l生， 得到 以下结论 1 静态特性 曲线斜率 随 1 号肌 肉压力增加 而减 小 ， 关节转角随2 号肌肉压力增加而减小 ； 2 关节 试验最 大转角 与理论 最大转 角偏 差 2 2． 2 2％ 3 对称压力试验 中线性偏差为 6 ． 8 4 ％。 一 - - 一 一 上接第3 5 页 数据点得到如图8 所示曲线。 由图可知速度 和湍动能曲线 基本呈对称状态 ， 由 于在撞击 区附近速度梯度较大 ， 剪切力较大 ， 所 以有一 些非对称 区域 。速度在撞击 区下降 明显 ， 在最中心速 度最低达到 1 ． 5 m ／ s ， 相应湍动能在喷孔出 口处有个稍大 值后急速下降， 然后在撞击区急速上升 ， 最高能达到 3 3 ．2 m ％ ， 在撞击区由于速度梯度大而引起的强烈流体 剪切力和湍流混合， 对生物柴油甲醇和原料油传质混 合有明显效果。 I ∞ g 、 鞠 星 ＼ 箍 雷 需 聪 径 阿距离 ／ I n 图8径向距离速度和湍动能分布曲线 3 结论 通过 F l u e n t l 5 ． 0 计算 了空化 器主要 的操作 因素 的 数值模拟及对结果的分析， 得出以下结论 ①人口压力 的增加导致孔内流速升高， 空化数减小， 空化云范围增 参考文献 【 1 ] N． T s u j i u c h i ， T ． K o i z u m i ， H． K a n ， e t a 1 ． Mo d e l i n g a n d C o n t r o l o f a J o i n t D r i v e n b y P n e u ma t i c A c t u a t o r [ R ] ． P o a o I E C O N P r o ． c e e d i n g s ， 2 0 0 9 ． [ 2 】 D o n g j u n S h i n ， I r e n e S a r d e l l i t t i ， Y o n g L a e P a r k ， e t a 1 ． D e s i g n a n d C o n t r o l o f a B i o i n s p i r e d H u m a n F ri e n d l y R o b o t O ] ． S p r i n g e r T r a c t s i n A d v a n c e d R o b o t i c s ， 2 0 0 9 ， 5 4 4 3 5 2 ． [ 3 】 Y． A r i g a ， H． T ． T ． P h a m ， M． U e m u r a ， e t a 1 ． N o v e l E q u i l i b ri u m P o i n t Co n t r o l o f Ag o n i s t An t a g o n i s t S y s t e m w i t h P n e u ma t i c A r t i fi c i a l Mu s c l e s [ R ] ． S t ． P a u l I C R A， 2 0 1 2 ． [ 4 ] 刘昊， 王涛， 范伟， 等． 气动人工肌肉关节的自抗扰控制[ J 】 ． 机 器人， 2 0 1 1 ， N 4 6 1 4 6 6 ． [ 5 】 杨辉， 郝丽娜， 项超群， 等． P A M仿生肘关节运动学逆解建模 及验证[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 5 ， 2 1 2 1 6 ． 『 6 ]6 项超群， 杨辉， 柳强， 等． 气动人工肌肉上肢仿生关节设计[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 4 ， 3 1 0 1 1 0 4 ． [ 7 】 隋立明， 张立勋． 气动肌肉驱动仿生关节的理论分析[ J 】 _ 机床 与液压， 2 0 0 7 ， 4 1 1 3 - 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