（机械工程专业论文）气动肌腱实现气动力伺服控制系统的研究.pdf

全文摘要 全文摘要 气动技术具有成本低、重量轻、无污染、维护方便和抗干扰强等优点，使其 在工业生产中得到广泛应用，已成为当今实现自动化的重要手段。近年来，气动 技术蓬勃发展，各类新技术、新产品层出不穷，气动肌腱就是新近来推出的新产 品。本文研究的就是用气动肌腱来实现力伺服控制系统，首先从理论上作了分析， 然后也从实验上作了分析研究。这是一种新颖恒张力解决方法，可广泛用于控制 布匹、纸张等张力。 本论文主要分为五个章节： 第一章首先扼要叙述了气动技术的特点、应用现状和最新发展趋势。然后针 对恒张力控制系统作了必要的介绍，提出了课题，说明了本课题的研究意义，并 且对本课题的工作内容作了介绍。 第二章主要介绍了气动肌腱的发展，气动肌腱的工作机理，以及气动肌腱的 性能特点，同时也介绍了目前气动肌腱的一些应用情况。 第三章先分析了气动肌腱的静态数学模型，然后以常规气缸作为模板来分 析气动肌腱的动力特性，并针对气动肌腱力伺服控制系统作理论分析。 第四章首先根据恒张力控制系统的原理提出了力伺服控制系统的原理，然 后提出了气动系统原理图。在此基础上提出了力伺服控制系统实验台的构成，并 对各构成元件一一作了介绍，包括机械零件的设计。最后展示了实验台的真实结 构。 第五章首先对实验所用的软件m a t l a b 、s i m u l i n k 作了介绍，然后介绍 了实时信号的数据采集，最后用常规p i d 、模糊p i d 等控制算法对该力伺服控制 系统作了实验分析。 关键词：气动肌腱，伺服，恒张力，p i d ，模糊p i d 全文摘要 a b s t r a c t s i n c ep n e u m a t i cs y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo fl o wc o s t ，l o ww e i g h t v o l u m er a t i o ， a n t i p o l l u t i o n ，e a s yt om a i n t e n a n c ea n da n t i - j a m m i n g i th a sb e e nw i d e l yu s e di n m a n ym a n u f a c t u r ef i e l d s r e c e n t l yp n e u m a t i ct e c h n i q u eh a sg o td e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c hw i d e l y , m a n yn e wp r o d u c t sa r el a u n c h i n go u tm a r k e t t h ep n e u m a t i cm u s c l e i so n eo ft h en e wp r o d u c t st h a ti sr e l e a s e dt ot h em a r k e ti u s taf e wy e a r sa g o t h i s p a p e rg i v e sar e s u l to fs t u d yt h a ti st h es e r v oc o n t r o ls y s t e mo ft e n s i o nb yu s i n g p n e u m a t i cm u s c l e f i r s t l y , i tg i y e saa n a l y s i si nt h e o r e t i c a l l y , a n dt h e n ，i ts h o w st h e c o n c l u s i o no fe x p e r i m e n t a t i o n i ti san e ws o l u t i o nc a nb eu s e di nc o n s t a n tt e n s i o n c o n t r o ls y s t e m ，f o re x a m p l e ，c l o t hr o l l i n gl i n e ，p a p e r r o l l i n gl i n g t h ew h o l ep a p e rc o n s i s t so ff i v es e c t i o n s ： c h a p t e ro n ei n t r o d u c e ss o m ei n f o r m a t i o no fp n e u m a t i c ，s u c ha sc h a r a c t e r i s t i c 。 c u r r e n ts t a t u so fa p p l i c a t i o n ，t h et r e n do fd e v e l o p m e n t o fc o u r s e i ti n t r o d u c et h e c o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mt o o a n dt h e n ，i td r a w so u tt h eq u e s t i o no fd i s c u s s i o n 。 s t a t e st h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h ，a n dt h em a i nt a s ko ft h et h e s i s c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st h eh i s t o r yo fp n e u m a t i cm u s c l ed e v e l o p m e n t ，w o r k i n g p r i n c i p l eo fp n e u m a t i cm u s c l ea n dc h a r a c t e r i s t i c m e a n w h i l ei tg i v e ss o m ea p p l i c a t i o n e x a m p l e s c h a p t e rt h r e ea n a ly s e st h es t a t i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp n e u m a t i cm u s c l e a n d a l s oa n a l y s e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ct h a ti sb a s e do nn o r m a lc y l i n d e r t h e ni t g iv e st h e o r e t i c a la n a l y s i so ft e n s i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e mb yu s i n gp n e u m a t i cm u s c l e c h a p t e rf o u ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo ft e n s i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e m t h e n p r e s e n tt h ep n e u m a t i cc i r c u i to ft h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep n e u m a t i cc i r c u i t ，i t d e s c r i b e st h ec o n s t r u c t i o no ft h ee x p e r i m e n t p l a t f o r m t h e n i ti n t r o d u c e st h e c o m p o n e n to n eb yo n ew h i c hc o n s i s to ft h es e r v oc o n t r o ls y s t e m a tl a s tt h e c o n s t r u c t i o np i c t u r ei sp r e s e n t e d 。 c h a p t e rf i v ep r e s e n t s t h es o f t w a r em a t l a ba n ds i m u l i n kw h i c hi su s e di n e x p e r i m e n ta n a l y s i s a f t e rt h a t ，i ti n t r o d u c e st h ed a t ac o l l e c t i o ni nr e a lt i m e i nt h ee n d t h ep a p e rg i v e st h ee x p e r i m e n ta n a l y s i so ft e n s i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e mb yu s i n g c o n t r o la l g o r i t h m ，t h ec o n t r o la l g o r i t h mi sn o r m a lp i d ，f u z z y p d ，e t c k e yw o r d s ：p n e u m a t i cm u s c l e ，s e r v o ，c o n s t a n tt e n s i o n ，p i d ，f u z z y p i d 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弓俦碧砻 y 上海交通大学上海父迥大莩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密团，在签年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 。不保密固。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： 移眈 日期：d 弓年7 月og 日 指导教师签名： 吧水 日期：( 7 ；年罗月鄙日 第一章绪论 第一章绪论 摘要 本章首先介绍了气动技术的特点、气动技术的发展现状及其最新发展方向， 其次提出了本课题的研究方向。 1 1 气动技术概述m 气动是气压传动及控制的简称，也可称为气动技术。它是以压缩空气为动力 源来驱动和控制各种机械设备以实现生产过程化和自动化的一种技术。它主要包 含两个方面的内容：即气压传动和气动控制。它与液压传动和控制是同一学科， 两者总称为流体传动与控制。气动以压缩空气作为传递动力和信号的介质，通过 气缸和气马达得到工作机所需要的直线运动和回转运动。作为一种控制技术，气 动控制系统可利用各种气动控制元件组成控制回路或装置以达到生产过程自动 控制的目的。 1 1 1 气动技术的特点2 】 气动技术是以压缩气体为动力源，来驱动和控制各种机械设备以实现生产过 程机械化和自动化的一种技术。同其它传动技术，如液压传动、电气传动、机械 传动相比，气动技术具有以下优点：。 1 )使用、维修方便。任何气动系统均可采用多种方式实现自动控制，既 可结合电气进行混合控制，又可实现全气动控制。实现全气动控制时， 可利用气动逻辑元件或气控阀组成控制回路，传动和控制均采用压缩 空气为动力源，不必进行介质转换，具有结构简单、制造容易的特点。 且空气介质粘度小，在管道中流动时能量损失小，压缩空气便于集中 供应( 压缩空气站) 和远距离输送，供多台气动装置使用；因没有介 第一章绪论 质变质、更换、补充的问题，气动元件和装置排气处理简单，不会对 环境产生严重污染，使用和维修方便。 2 )安全、可靠。组成气动系统的各种元件和装置，可以根据不同工作场 合，选用合适的材料制成，能在高温、振动、辐射、灰尘、潮湿等恶 劣环境下安全可靠地工作。空气介质比较清洁、又无须防爆，因而在 化工、轻工、食品、医药卫生、铸锻、矿山机械及国防工业上使用更 具有优越性。 3 ) 成本低、寿命长。气动用空气为介质，由于使用的空气工作压力较 低，其元件可用塑料、有色金属材料。成本低，且气动元件和装置本身结构 简单、工作寿命长。 但是与其他技术相比，气动也存在一些缺点： 1 ) 压缩空气须进行除尘、除水等处理。 2 ) 空气的可压缩性使系统效率低，且使气动系统的刚度低、定位精度差。 3 ) 系统运行时排放空气的噪声较大。 4 )气动信号的传递速度远比电信号低。 用气动技术来实现生产过程的自动化，是工业自动化的一种主要技术手段， 是一种低成本的自动化技术。到目前为止，气动技术倍受工业界的欢迎，其发展 呈现急剧上升的趋势。近年来，气动技术与微电子技术相结合，更使气动技术呈 现出新的生机，获得越来越广泛的应用。 1 1 2 气动技术的发展现状 气动技术的应用历史已久。最初，传统气动系统，其控制阀多采用频率较低 的电磁阀，控制方式多为开关控制，只能在两个机械设定位置可靠定位，并且其 运动速度只能靠单向节流阀单一设定，所以传统气动系统主要应用于矿山输送机 械、汽车制造、机床、冶金等行业。 随着科学技术、材料、工艺的新发展和人们观念的变化以及市场的需求，带 动气动技术飞跃地发展，气动技术已经在自动化控制领域内得到广泛的应用，显 示出强大的生命力，成为2 0 世纪应用最广、发展最快、也最易被接受及重视的 技术之一。工业各领域如机械、电子、钢铁、运行车辆及其制造、橡胶、纺织、 2 第一章绪论 轻工、化工、食品、包装、印刷、烟草等，气动技术已成为不可缺少的基本部分。 存尖端技术领域如核工业或宇航，气动技术取得了地位。在农林、园艺、楼宇自 动化等范畴，也得到了应用。可以说，气动技术应用于从民用到军工的各领域。 七十年代以来，世界主要工业国家气动产品的产量和品种均有不同程度的增 长。资料统计表明，目前世界上的自动化流程，近百分之三十的工业机器人上装 有气动装置；原苏联有百分之五十的自动化装置是靠气动技术实现的，远大于电 动和液压所占的比重；日本从1 9 7 5 年至1 9 8 5 年的1 5 年中，气动元件销售额增 长了4 1 倍，1 9 9 1 年液压与气动元件的总产值为七千亿日元，其中气动元件的 总产值达三千亿日元，占4 3 ，可见其气动技术应用已接近液压技术的应用；德 国气动元件产量1 9 8 3 年是1 9 7 0 年的2 5 倍；美国气动元件销售额平均增长率是 机械工业的1 5 倍左右。目前国外2 2 一2 9 的机器人，9 0 的包装机械，7 0 的铸 造焊接设备都装有气动系统或元件。采用气动技术的程度，已成为衡量一个国家 工业发展水平的重要指标之一。 相对来说，我国的气动技术起步较晚且应用还很不广泛，有待进一步的大力 发展。从1 9 6 7 年上海建立第一家气动元件厂开始，经过3 0 多年的发展，已形成 了一个独立的行业。然而无论从产品规模、种类、质量、销售额、应用范围，还 是从研究水平、研究人员的数量上来看，我国与国际先进水平相差甚远。而且， 气动技术的应用远远低于国际先进水平。如在国外工业发达国家，气动行业产值 为机械工业产值的1 一2 ，而我国目前只有0 1 - 0 3 。我国气动技术应用水平 也远远低于国际先进水平，控制技术仍局限于普通的点位开关控制，气动伺服技 术，尤其是电气比例伺服技术的高精度、高响应应用甚少。 因此，气动技术在工业上推广应用，对加快我国工业自动化发展速度，提高 我国工业产品在国际市场的竞争能力，意义巨大 1 1 3 气动技术的最新发展方向3 】 虽然气动技术从开始发展至今还未满5 0 年，但已在低成本自动化和高新技 术应用领域找到了自己的位置，尤其是进入八十年代以后，自动化技术经历了令 人瞩目的飞跃性发展，主要表现在以下几个方面： 1 ) 、自动化设备的应用覆盖面越来越广，从原先只应用于简单、重复的工艺 3 第一章绪论 过程扩大到复杂的工艺过程，并渗透于各行各业。 2 ) 、自动化机器在性能和功能上都有显著的提高，机械的节拍时间更短，运 动精度更高。 3 ) 、由于产品的多样化使柔性生产设备得到越来越广泛的应用，这类机器设 备要求能非常快捷地对之进行编程，以实现同一机器对不同种类或尺寸的工件进 行加工，从而大幅度地降低设备投资并实现小比量产品的生产自动化。 4 ) 、要求越来越短的设备设计、制造、调试周期和设备停机维修时间，以适 应市场的快速变化。 5 ) 、网络技术的发展，使工厂的网络化控制和管理、异地的信息传输等远程 控制技术得以实现。 为了适应这一发展形式，九十年代国际气动行业，在不断提高气动元器件的 性能和降低生产成本的同时，致力于发展各类新型元器件。气动元件有许多的种 类，在气动技术中所占比重最大的主要有两方面：气动执行元件和气动控制元件。 近几年来气动领域发展的趋势突出表现在两方面：气动技术与机械技术的结合 ( 这主要指气动执行元件) ，以及气动元件与电子技术的结合( 这主要指气动控 制元件) 。另外，随着微电子技术、控制技术与气动技术的结合，传感器技术、 现代控制理论的发展，尤其是计算机技术在气动技术中的应用，使新型伺服执行 组件、控制组件、传感组件以及控制器层出不穷，这都促进了气动技术水平达到 了一个新的高度。所以，无论在近期和未来，气动技术都会有创新的发展。气动 技术在工业自动化的进程中起着不可替代的作用。 1 ) 、气动技术与机械技术的结合1 3 1 自动化应用技术必须适应当今社会的高度发展，这就要求自动化设备的设 计、制造、调试周期大大缩短，这也要求组成自动化设备的各组成元件可以在最 短的时间内组合。所以，当今的发展趋势是，各元件的生产厂商不再把自己的产 品作为一个独立元件，而是把自己的元件作为自动化设备的一部分。他除了考虑 自己的产品外，考虑更多的是如何减少设备工作人员的设计时间，如何缩短整个 设备制造周期。而对于设备的设计人员来说，今后的趋势是，他只要考虑整个设 备的功能，而不需化时间考虑各元件的安装、连接，他只需选择各种元件就行。 所以，自动化应用技术的发展趋势就是要求各类元件模块化和标准化。同样，当 4 今7 t 功技术也朝着模块化和标准化发展。这突出表现在气动技术与机械技术的结 合j ，。 近儿年来新发展的人量集成气动、机构为一体的元器件，为设备制造商提供 了极大的方便，在这力m 】尤为突出的是各种新型的气动执行元件， t 动、机械一体化的特点是将传统的多种独立元件和机构经过优化和专门设 有机地集成为体，成为系列的规范产品。与此同时采用模块化的设计原理， 使产品的尺寸规格覆盖血更为广阔，为用户带来更多的方便和经济效益。 例如：图1 - l 所i j i 的高精度、高度直线坐标气缸，它是一种单括塞杆双作 用7l 缸，具有精密的导向功能，极强的抗扭矩性能和良好的负载性能，位蔼1 重复 精发商达o0 t r a m ，常用柬构成各种加工、定位的坐标系统。该气缸内置可移动 的导向筒和防转结构，精密导向有四个独立的、无间隙的滚珠轴承，保证了高的 弯曲强度、低振动及超高精密位置。行程终端设有液压缓冲器，气缸内置接近式 开：足，i 瓜目气缸伞行枉位置可调，通过内置的调整系统调节气缸全行程，且行程 位置的 幽1 1h m p 坐标气缸 斟l - 2 h m p 坐舶气缸h 。戚柏t 械手 例如：图1 2 所示的由l i m p 坐标气缸等组成的机械手，二轴加旋转、三点 ，、f ，全都f b 标准元件组合而成，不需另外设计连接件。 2 ) 气动技术与l 乜于技术的结合1 气电一体化的发腱表现尤为突出的为阀岛拄术和气动伺服定位技术。 阀岛技术的应用背景是以分散加= 模块( 工位) ，以及分散控制为模式的自 动加：1 - 线的广泛应用。传统的气动r 乜控系统分：采用单立的电磁阀组合在一起， 第一章绪论 然后把所有的电磁阀通过电线与p l c 相连，以达到p l c 控制电磁阀的目的。这 种传统方法有很多的缺点，电气连接线多，安装、调试、维修不方便，且投入的 时间、人力、费用多。为了克服这些传统方式实现的控制系统存在的缺点，气动 行业推出了阀岛技术，并引入了现场总线技术。 带现场总线的阀岛是指气动的电磁阀集成，加上电信号的输输出模块并集 合总线的接口技术，使之成为一个整体。现场总线技术的实质是通过串行信号传 递方式，并以一定的数据格式实现控制系统中信号的双向传输。这是当今自动化 控制技术一个重要的发展方向。带现场总线的阀岛的特点是每个阀岛上均带有1 个总线输入口和1 个总线输出口，这样当系统中有多个带现场总线阀岛或其他带 现场总线设备时，可以由近至远串联连接，只需一根4 股或2 股的屏蔽电缆实现。 这大幅度节省了接线时间，而且由于连线的减少使设备所占的空间减少，使设备 的维护更为方便。与此同时，阀岛技术也正朝着可编程阀岛和带网络接口的阀岛 方向发展。 气动伺服定位系统可非常方便地实现多点无级定位( 柔性定位) 和无级调速， 此外，利用伺服定位使气缸的运动速度连续可调性能替代了传统的节流阀加气缸 端位缓冲方式，可以达到最佳的速度缓冲效果，大幅度降低了动作时间，缩短了 工序节拍，提高了生产效率。 综上所述，气动技术的发展趋势将会朝着气机一体化和气一电一体化发展。 同时，自动化技术的发展要求自动化设备的设计人员能快速高效地进行气动系统 的优化设计，能合理地选用各种元件。这也将促使气动c a d c a e 的发展。所以， 气动c a d c a e 也将会是气动技术的一个发展趋势。 1 2 课题的提出和主要工作 1 2 1 课题的提出 在工业应用中，常常会用到力的控制系统，如造纸行业中，纸的收卷、放卷 中所涉及的恒张力控制系统。恒张力控制系统目前在造纸、纺织等行业中一般可 6 第一章绪论 采用：液压、气动、电动( 变频调速等) 、磁粉离合器等等驱动装置。这几种方 法各有优缺点： 优点缺点 液压 输出力大，功率高，控制方便，刚度高， 有污染 气动无污染，控制方便，机构简单，寿命k ，成本低控制精度低和刚度较低 电动控制精度高功率低，机构复杂，寿命 ( 变频低，成本高 凋速) 磁粉离安装方便， 价格高，响应慢 合器 由于气动系统机构简单，无污染，因而被广泛应用于各行各业，而气动力控 制系统一般也有好几种方法： 1 、传统的纯气动控制方法( 图l 1 ) ： 这种方法可通过减压阀对气缸的推力进行控制，但是调节不方便，无法实现 电信号输入控制，且由于气缸的摩擦力作用，所以调节精度不高。 图l l图1 - - 2 2 、采用比例阀的开环控制方法( 图1 2 ) ： 这种方法可通过比例压力阀对气缸的推力进行控制，比例压力阀的控制信号 一般为0 1 0 r 或4 2 0 m h 标准电信号，可通过p l c 直接进行控制，调节方便，但由 于气缸的摩擦力作用，所以调节精度不高。 3 、闭坏控制方法( 图l 一3 ) ： 7 第一章绪论 图i 一3 萱露 这种方法是在上面那种方法的基础上作一些改进，在气缸的前端加一个力传 感器，作为一个检测反馈元件。同样，力的控制采用比例压力阀。这种方法调节 方便，但目前气动驱动装置往往采用气缸，给控制系统的稳定性及控制精度带来 负面的影响。由于气缸的摩擦力作用，所以对调节精度也有一定的影响。 综合上面的几种方法，可以看到，由于执行机构采用气缸，所以在运动中免 不了存在摩擦力，而且摩擦力方向也会随着气缸运动趋势的不同而不同，同样摩 擦力的大小在气缸运动过程中也是不一样的。因此，摩擦力在控制中影响了其精 度，那么有没有一种执行元件在运动中没有摩擦力? 因而在控制中可以不考虑摩 擦力对他的影响。有，气动肌腱就不存在摩擦力。本课题要研究的就是另一种新 的力控制方法，用气动肌腱实现气动力伺服控制，气动的执行机构将不采用气缸， 而是采用气动肌腱。 用气动肌腱实现力伺服控制系统与一般的力伺服控制系统相比，还有许多优 点。由于气动肌腱本身的特点，系统的输出力特别大，是相同缸径气缸输出力的 1 0 倍大；由于系统采用的是比例伺服流量阀，且加上气动肌腱本身的频响快， 所以系统频响比一般的伺服控制系统要快；输入不同的气压力，气动肌腱可得到 不同的输出力，这一特性可使控制变得简单；气动肌腱实现的力伺服控制系统结 第章绪论 构简单，成本低。 气动肌腱是一种崭新的工业化无摩擦力气动执行机构，f e s t o 公司于2 0 0 1 年j 下式投入应用，目前尚无采用这一元件进行闭环力控制的先例，通过理论分析 可以期望采用这一元件组成的力伺服控制系统可以达到十分理想的技术和经济 性能，因此这是一个值得研究的课题。这种执行机构具有无摩擦的特点，用于气 动伺服系统有其独特的优点。所以本课题的研究将会填补这方面的空白，为气动 肌腱用于工业应用开辟一个新领域。 1 2 2 课题的主要工作 本课题的主要任务是用气动肌腱实现力伺服控制系统，在这一课题的进行过 程中，将围绕以下几个方面展开工作： 1 ) 从理论上深刻了解和分析气动肌腱及其组成的力伺服控制系统。 2 ) 完成力伺服控制系统实验台元件的选型。包括气动肌腱、比例流量伺服阀、 比例压力阀、力传感器等的选型。 3 ) 完成实验台架的机械结构、安装附件设计，以及实验台架的装配工作。 4 ) 完成数据采集卡外部数据i o 接口板的设计、调试以及测试系统电气部分的 连接、调试。 5 ) 控制方法的确定。 6 ) 对系统进行实验，采集实验数据并对数据进行分析。 1 3 本章小结 本章首先介绍了气动技术的特点、气动技术的发展现状及其最新发展方向。 气动技术与机械技术的结合产生了气动机械手等模块化技术的产品，气动技术与 电子技术的结合产生了阀岛技术、气动伺服技术等。其次提出了本课题的研究方 向，并描述了本课题的主要工作。 9 第二章气动肌腱的介绍 第二章气动肌腱的论述 摘要 本章主要介绍了气动肌腱的发展，气动肌腱的工作机理，以及气动肌腱的性 能特点，同时也介绍了目前气动肌腱的一些应用情况。 2 1 柔性气动驱动器的发展 进入2 0 世纪9 0 年代以来，一般功能的传统工业机器人的应用趋向饱和，而智 能机器人获得了较为迅速的发展。智能机器人是现在机器人研究的热赢5 l 。 一般认为，作为自主型的智能机器人应具有以下功能：( 1 ) 手功能：( 2 ) 足 功能；( 3 ) 感知功能；( 4 ) 记忆功能：( 5 ) 思考功能。手足功能是自主型智能机 器人的重要部分，手足也就是一种执行器，在智能机器人应用领域中，理想的执 行器应具有以下特点：( 1 ) 高功率，重量比和高功率体积比；( 2 ) 快速响应速 度；( 3 ) 准确的可重复控制；( 4 ) 良好的可靠性和鲁棒性；( 5 ) 在极端环境下的 稳定性；( 6 ) 清洁和高效；( 7 ) 可携带的轻便的功率源：( 8 ) 低成本。 从机器人关节的驱动器的类型看，较早的机器人的关节采用液压驱动，液压 驱动的特点控制相对简单，可以获得很高的功率重量比。不足之处在于泄漏成 本、安全等问题，以及需要压力油供应系统。这些问题导致了液压驱动的机器人 系统逐步变少。最近的机器人采用电驱动，首先是直流电机，后来是交流电机。 特点是控制简单、洁净、噪音低、成本相对较低。不足之处在于功率体积重量 比小，而且在某些( 如易燃易爆) 场合有爆炸的危险。 这些问题在设计灵巧手的时候尤为突出，因为灵巧手需要大量的小巧的驱动 器，( 一只手可能需要2 0 个或更多) 。显然，传统的电液驱动器只能部分满足以 上的要求，这促使人们把目光转向研究一些新的驱动技术，如：压电驱动器、形 状记忆合金驱动器、聚合材料人工肌肉驱动器和磁致伸缩驱动器等等，这其中包 括新型的柔性气动驱动器。 1 0 第二章气动肌腱的介绍 在这些柔性驱动器中，最有名的是m c k i b b e n 人工肌肉，许多的柔性气动驱 动器都是m c k i b b e n 人工肌肉或其变体。 2 1 1m e k i b b e n 人工肌肉 人体的运动主要是靠肌肉和关节来实现的，肌肉可以认为是一种执行器，通 过肌肉的收缩带动骨关节完成特定的动作。人工肌肉就是模拟生物肌肉收缩的执 行器。2 0 世纪5 0 年代，美国医生j o s e p h l m c k i b b e n 发明了一种以其名字命名 的气动人工肌肉，即m c k i b b e n 人工肌肉，并用其驱动假肢运动，因为在装置的 外层使用了编织网，所以也被称为b r a i d e da c t u a t o r 。其构造如图2 1 所示。 橡胶内层 图2 一lm c k i b b e n 假肢气动执行装置构造图 尼龙纤维编织网的刚度很大，在橡胶内层充入压缩气体时限制橡胶层只能径 向膨胀，从而使人工肌肉的直径变粗，长度缩短，压缩气体放出时橡胶层径向收 缩，人工肌肉直径变小，长度恢复。英国d g g a l d w e l l 等人进行研究的人工肌 肉伸长和收缩的一组数据，如表2 1 所示： 表2 1 伸长和收缩数据 第二章气动肌腱的介绍 该执行器的功率质量比超过l k w k g ，在输入气压2 0 0 k p a 时，输出的收缩 力可达5 0 n 。 从结构原理上来说，m c k i b b e n 人工肌肉的实质就是在橡胶体外加上某种机 械约束，从而产生某种变形。s h i n i c h ih i r a i 等人对各种机械约束下的橡胶体冲 压变形作了详细的讨论，并对各种变形形式的相互组合也作了进一步的探讨。 m c k i b b e n 人工肌肉实际就是r f ：l f 型约束的驱动器，如图2 2 所示。 跹1 ，龇y m f , a f 型约束的驱动器在加强纤维所在的母线上长度不变，其他母 线则会相应地伸缩，整个驱动器就会发生向某个方向的弯曲；c f 型约束的驱动 器在分布在圆周上的加强纤维的作用下在径向上发生伸缩变形；r f 和l f 型约 束的驱动器在伸缩的同时伴随着扭转。通过多个驱动器的组合或约束型式的组合 将产生新的驱动器，约束的型式也可以是多样的，如嵌入在橡胶体中。 m c k i b b e n 人工肌肉最初的设计是为了辅助残疾手指的运动1 1 6 j ，但由于要总 带有一个又大又重的储气罐以及气动技术上的些原因，6 0 年代后期就被电机 取代。8 0 年代，世界上一些学者和厂家再次注意到气动人工肌肉的潜在价值， 相继研制和开发出各种类型的气动人工肌肉，如美国学者g i m m e g a 和m k u k o l j 设计的r o m a c ，日本b r i d g e s t o n e 公司生产的r u b b e r t u a t o r ，日本东芝公司生产 的三自由度气动肌肉，德国f e s t o 公司生产的f l u i dm u s c l e ，英国s h a d o w 公司生 产的a i rm u s c l e ，比利时f r a n k 博士设计的p l e a t e dp a m 等。虽然每种气动肌肉 都有其独特的优点，但到目前为止，只有日本b r i d g e s t o n e 公司生产的 r u b b e r t u a t o r ，德国f e s t o 公司生产的f l u i dm u s c l e ，英国s h a d o w 公司生产的a i r m u s c l e 得到广泛的推广和应用。由于这三种气动肌肉都是以m c k i b b e n 肌肉为原 型进行设计的，所以都统称为m c k i b b e n 气动肌肉。 1 2 第二章气动肌腱的介绍 回国圄国回 x f虾x m fy m fa f 圄囱圄目目 c fr fl fr j 8 0 x fr 1 8 0 f 回回国圄国 x f y fx f x m fx f c fr f - l frl8 0 x f - l18 0 x f 2 1 2 皱褶式人工肌肉 图2 2r f - l f 型约束驱动器 由于橡胶的变形不是完全弹性的，而且在橡胶和编织网之间以及网线之间有 摩擦，这种人工肌肉的响应表现出很大的滞后性，这损害了肌肉的性能，不得不 采用复杂的模型和控制算法。同时编织网材料的伸长也大大降低了输出的收缩 力，这种降低程度可能达到6 0 。 针对这一情况，f r a n kd a e r d e n 等人提出了皱褶式的人工肌肉，其原理图如 图2 3 所示。 承受气压的薄壁材料在一个方向上具有很高的拉伸刚度，同时在另一个方向 上有很好的柔韧性，可以自由地拉伸。在自然状态下，薄壁材料沿轴线方向折叠， 将受气压作用后膨胀的材料隐藏折叠处。充入压力气体后，折叠处的薄壁材料沿 着径向展开。由于展开和折叠都是在径向方向进行的，所以不会产生材料之间的 摩擦。而且展开不需要很大的能量，可以减少输出力的损失。 第= 章气功肌腱的什 所示 l 三二二二：二_ 一 斟2 3 皱褶式人t 肌肉原理划 另一类驱动器是f m a ( f l e x i b l e m i c r o a c u t a t o r ) 其结构原理图如图2 4 ( a ) ，( b ) “。弋疆 图2 - 4 f m a 驱动器结构原理图 它只有3 个独立的内部气腔，这3 个气腔的压力分别由3 个控制阀独立控制。 声 够 l 一 掉二章1 功肌腱的舟* 释m 的纤维起到加强的作用。1 j3 个气腔同时加相同的气压时，它保持轴线方向， “1 j 有1 个腔加 时，它向加压脏的反方向弯瞄，通过分别控制3 个腔的压力， 可以实现任意方阳的弯曲。它既可以充当肌肉，又可作为关节使用。具体的实现 形式有很多种，s h i n i c h i h i r a i 等人提出的p n e u m a t i cg r o u pa c t u a t o r s 就是一种实 现形式。h 奉的k o i c h is u z u m o r i 等研究人员在对f m a 的制作、小型化( 驱动 器卣径4 r a m ) 利存多自度机器人操作于上的应用方面，作了大量- i 。作； 214 弯管驱动器 h i d e y u k it s u k a g o s h i 等人提出了一种新型的驱动器模型一弯管驱动器 ( w o u n d t t u b e a c t u a t o r ) 。其结构原理图如图25 所示： ! j 。 h2 5 弯管驱动器变形示意吲 何个弯管都有受限制和不受限制的两部分组成，这种组成是周期性的。受限 制的部分【与2 3 ，小受限制的部分占剩f 的1 ，3 。受限制的部分膨胀，不受限制 的部分膨胀，专只有竹l 充如j _ e 缩空气时，在整个圆周上只有1 2 0 度的弯管膨胀。 从而使整个单7 l 发生弯曲变形。通过控制3 个弯管的气压可以实现在一定角度内 的b 弯i | | 。实验表明，往相同的占空比( 弹眭气管占用的空间与剩下的空目之 比) 相同的自) 兕f ，j _ l 】【一的弯曲程度，风箱驱动器( b e l l o w a c t u a t o r ，一种f m a ) 比弯符驱动器( w o u n d a c t u a t o r ) 需要更大的弯婚，如图2 6 所示。 第二l 动肌腿的升目 研究人员将多个返样的驱动器通过骨架串连起米，对各级驱动器分别控制， 驶计出用十存废墟叶_ 救生的“象鼻于”软管，通过在气管之外的剩余空问传送救 援物d 7 ，f 如。j ，7l 、水等) 。 幽2 6 风箱驱动器，弯管驱动器比较剀 22f e s t o 公司气动肌腱概述 l = _ c 小，n 7 j l 动叭脏也是在m c k i b b e n 人i 肌肉的基础上发展起来的，所以这 也是m c k i b b e n 人工肌肉的一种。气动肌腱是一种新型的拉伸型执行元件，是2 0 0 0 年由f e s t o 公司首先| 殳计推出的新概念气动元件。它不是根普通的橡胶管， 而是一个能量转换装锚。如同人类的肌肉那样能产生很强的收缩力，它以崭新的 设计构思突破了气动g e 动器作功必须出气体介质( 流体) 推动活塞这一传统概念。 与传统的气缸相比，7l 缸具柯酒塞、( 或叶片) 活塞杆、密封圈、缸筒、端盖等 零部件，1 ：i = ! 气动肌腱刨简荦得多，它没有活塞、活塞杆、缸筒、密封阁等诸多零 部件。它只是段包鞋着特殊纤维栅格网的橡胶织物管和两段接头连接而组成。 没有任何像气缸活塞运动那样所产生的摩擦运动。然而，当管内通入压缩空气后， 气动肌腱却能产生相当丁同缸径气缸1 0 倍的拉伸力。 第l 曲肌脞的介绍 2 21 气动肌腱工作原理 幽2 7f e s t o 气动肌腱 f e s t o 气动肌腱是一个薄膜的收缩系统，橡胶管在土力作用r 收缩变短。这 是一种网格状加强的劂 i 形薄膜，网格状的材料山特殊纤维或余属丝组成，可抵 抗伸缩力，产生作用j 。而相对较软的高弹性材料可起到稳定的作用。 当内部自气压作刖时，圆柱形薄膜形成的压力管就产生轴向力和径向力，出 于有轴向力，硼杜彤管趋向仲长，然而杼向力产生车侧向的伸展，最终引起管子 的收缩。 祖：管f 的表而轴力和径向力的作用情况如图2 8 ： 吲28 薄膜表面作川力情况 第二章气动肌腱的介绍 根据分析，在这网格状的的结构中，存在一个“自然角度”，处于这个角度 时，轴向力和径向力保持平衡，而内部压力也不至于导致轴向力。这一自然角度 的分析如下： ua f u t a n 口= = 乩断t 2 x a f u = p d 缸 型a f i ：p 至d 2 + f z u4 f z = p 纠等1c o 筹s 4 【_ 一 2 口j 一。s 岗 一= = 5 4 7 。 ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 这一角度就是自然角度，约5 4 7 。，当压力改变时，气管长度和直径就有 变化。 气动肌腱由一根包裹着特殊纤维格栅网的橡胶织物管与两段连接接头组成 ( 见图2 8 ) 。特殊材质纤维格栅网预先嵌入在能承受高负载、高吸收能力的橡 胶材料中。气动肌腱内通入压缩空气后，橡胶管在气压力作用下开始变形，并膨 胀出来，使格栅中的纤维网格夹角变大，在长度方向收缩，气动肌腱便产生拉伸 力( 见图2 9 ) 。当气压力被释放后，弹性的橡胶材料迫使特殊纤维格栅回复 到原来位置。气压越高，变形就越大。 第= 幸7l 础【脏的舟绢 - 粼一 通气j 乜舌的嘭胀方同 凹2 9 网 格栅的膨胀方向 222 气动肌腱的连接接头 嘭胀后产生的拉f 力方向 气动肌腱的连接接头有好几种形式，f 面分别介绍一下： l 、标准的连接接头 标准的连接接头是种多齿的形式，活接螺母穿在肌腱管上，肌腱管卡于法 、二上，然后活接螺母旋于法兰上，使肌腱管固定。这种连接接头可以是敞开的或 是封闭的。见罔2 1 0 。 够 第二章气动肌腱的介绍 u b e r 图2 1 0 标准的连接接头 这种接头特别适合于加强管，但是这种接头也会对肌腱管产生损坏，就是活 接螺母不能拧得太紧。另外，在一些比较特殊的应用场合，如高温、高压、特殊 夹紧场合等等，为了在使用中不产生危险，就要在肌腱的另一端装带有限力装置 的接头。 2 、有限力装置的连接接头 带有限力装置的连接接头与标准的连接接头在外形和夹紧功能上是相同的， 只是法兰部分被分为了两部分，与外部的机械连接拉接头中间的套，肌腱管拉住 接头外部的法兰部分。碟形弹簧通过螺母和垫片来设定所要限制的力。见图2 一 l l ： 峙r 删r f n u t t 口r 山i s e f 【征啊i 帆u n 9 f i m s c h 图2 1 1 带限力装置的连接接头 丈幢i 瞳 t e li e r f l ：出r n 如果作用在肌腱管上的拉力大于碟形弹簧所设定的力，图中为向右方向，那 么法兰就会压迫碟形弹簧，随着肌腱管也向右移动。这种运动会使接头中问的套 与法兰之间的平面密封脱开，使肌腱内的压缩空气逃逸出去，从而使肌腱的拉力 第二章气动肌腱的介绍 降低，达到限力的目的。即使用户增加气压，用这种方法也可使所限制的力保持 在1 5 之内。这种方法是可逆的，当气压降低时，碟形弹簧又恢复到原来的位 置，套与法兰之间的平面密封又重新工作，肌腱又恢复功能。 2 2 3 气动肌腱的技术特性 气动肌腱共有3 种规格，即直径1 0 m m ，2 0 m m ，4 0 m m 。 1 、主要技术参数 气动肌腱的主要技术参数可见表2 1 。 表2 一l主要技术参数 技术参数 m a s 2 0m a s 4 0 丁作介质压缩空气 最人工作压力0 8 m p a 温度范围+ 5 6 0 度 拉伸力400n 自由悬吊状态：负载m a x3 0 k g 变形3 收缩位移m a x 重复精度 2 0 3 0 6 m p a 1 2 0 0 n 6 0 k g 0 6 m p a 4 0 0 0 n 1 2 0 k g 2 、气动肌腱的耗气量 气动肌腱的耗气量可根据以下公式进行计算： q = v 厂p 1 3 其中： q ：气动肌腱的耗气量。( l m i n ) v ： 肌腱膨