一种新型气动执行元件_气动人工肌肉

1、一种新型气动执行元件气动人工肌肉杨钢李宝仁刘军文章编号:1004-132 (2003)15-1347-03一种新型气动执行元件气动人工肌肉杨钢李宝仁刘军摘要:气动人工肌肉是一种结构简单、功率自重比大、有良好柔性、不会损害操作对象的新型气动执行元件。概述了气动人工肌肉的研究现状,分析了气动人工肌肉的优缺点和应用中存在的问题。在此基础上,指出目前气动人工肌肉的研究尚处于起步阶段,并给出了其有待进一步研究的方向。介绍了一些气动人工肌肉的应用实例。关键词:气动人工肌肉;机器人;仿生机械;生物肌肉中图分类号:TH138.51文献标识码:A杨钢博士研究生1气动人工肌肉自20世纪60诞生以来,在短短的40年

2、间,可编程序机器人、,体积庞大,由此组成的机器人已暴露出许多明显的缺点,如输出力与自重比过小、效率低、难以完成灵巧动作和高速步态等,可以说目前采用的执行元件已经限制了智能机器人的发展和扩大应用。于是,许多国家纷纷开展新型机器人驱动装置人工肌肉的研究。早在20世纪60年代,美国医生McKibben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。气动人工肌肉是由内部橡胶筒套及外部纤维编织网构成,因此气动人工肌肉也称橡胶驱动器(rubber2图1b,tuator),结构简图和实物模型分别见图1a、其外部编织网是由刚度很大的纤维组成。当对橡胶筒套充气时,橡胶筒套因弹性变形压迫外部

3、编织网,由于编织网刚度很大,限制其只能径向变形,直径变大,长度缩短。此时,如果将气动人工肌肉与负载相联,就会产生收缩力;反之,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。气动人工肌肉的运动方式和力 长度特性酷似生物肌肉。生物肌肉与气动人工肌肉特性的比较见文献1。(a)气动人工肌肉结构简图(b)FESTO公司生产的气动人工肌肉模型图1气动人工肌肉作为一种新型的拉伸执行元件,气动人工肌肉与其它执行元件相比较具有以下一些特有的优点:结构简单,重量轻,易于小型化;具有柔性,不会损害操作对象;动作平滑,无相对摩擦运动部件;输出力-自

4、重比大,能量转换效率高;在操作过程中产生的热、噪声小;价格低廉,维护方便,应用领域广泛。2气动人工肌肉的研究现状虽然于20世纪60年代日本就有将气囊式人工肌肉应用于二足步行机器人的尝试,但对气动人工肌肉真正引起重视,并进行系统的研究工作是在20世纪90年代以后。因此,目前气动人工肌肉的研究尚处在起步阶段。1961年美国科学家Schulte撰文分析了McKibben气动人工肌肉的特性。1988年日本Bridgestone公司将其商品化,用作机器人的执行元件,标志着气动人工肌肉开始应用于工业领域。90年代中期美国的Chou和Hannafor根据能量1347收稿日期:20020912© 1

5、994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 中国机械工程第14卷第15期2003年8月上半月守恒原理对气动人工肌肉建模为2F=2(3cos2-1)4(1)式中,D0为加压前的气动人工肌肉直径;为气动人工肌肉外部编织网的编织角;F为轴向收缩力;P为充气气压。并进行了大量实验,讨论分析了气动人工肌肉的静态特性和具体的气动执行系统的动态特性。12Tsagarakis等和刘荣提出了一些新的分度可达到±2°。Hesselroth等8使用神经网络系统控制气动人工肌肉,

6、通过训练之后,可以达到较好的跟踪性能。Cai等9使用滑模控制理论设计了控制器。气动人工肌肉在我国的研究始于20世纪90年代末期。宗光华10最早开始气动人工肌肉的控制理论研究,应用气动人工肌肉驱动关节采用变结构系统理论实现了机械手指夹持力控制。其后,刘荣2研究了气动人工肌肉驱动特性,考虑橡胶弹性力和摩擦力的影响,对Chou所建立的模型进行了完善。田社平等11,12进行了气动人工肌肉的静态分析,采用的控制方法主要是极点配置自适应预测控制。目前,究与国外还有相当的差距,。笔者在此方面做了一些工作,得出了其动态数学模型13。气动人工肌肉的研究仍然有许多空白尚待填补。析建模方法,对Chou3的研究成果进

7、行了一些完善。然而由于在推导过程中进行了一些假设,使得由公式所得到的理想特性与实际特性存在偏差,于是有些学者将实验测得气动人工肌肉特性进行数学拟合,用拟合得到的模型来代替理想模型进行研究。如美国空军实验室的Repperger等4将气动人工肌肉视为变刚度弹簧,认为气动人工肌肉的充气收缩过程为硬刚度弹簧,放气伸长过程为软刚度弹簧,所产生的力包括稳态和瞬态弹簧力,即Ftotal=Fsteady+Ftransient=()x(x)K(21x+)b2x+1x2+b0式中,ai、bi(i=1,)为实验拟合系数。3气动人工肌肉的应用世界著名气动公司德国FESTO公司认为气动人工肌肉的出现是气动技术的一场革命

8、,它具有广泛的应用前景,可应用于工业自动化、注塑加工、机器人技术、仿生机械、潜水器以及健身器材等众多领域。由于气动人工肌肉在收缩方向产生作用力,因而可以用两根气动人工肌肉组成类似一对人类“颉颃肌”驱动的单自由度关节。气动人工肌肉应用中有代表性的四种驱动方式见图2。目前,气动人工肌肉主要应用于机器人和仿生机械驱动装置,美国Vanderbilt的智能机器人实验室已经研制的检测用机器人RoBotic检测器的移动是由气动人工肌肉来实现的,该机器人可对桥梁、建筑、船只以及飞机等设备进行检测。英国Salfold大学的Caldwell采用18根气动人工肌肉设计了四手指机械柔性手,机械柔性手拇指具有3个自由度

9、,其它3个手指具有2个独立自由度和1个关联自由度,可实现并拢和手指弯曲动作。此外,基于重量、输出的考虑,Caldwell7还在机器人手臂的设计中采用气动人工肌肉作为肘关节和腕关节的驱动装置,并指出气动人工肌肉本身的柔性对于该系统来说并不是缺点,而是更好地模拟生物手臂的特性。从20世纪90年代后期开始对McKibben气动人工肌肉研究主要有两个方向,其一是以5Klute等为代表的从仿生学的角度研究气动人工肌肉,致力于用气动人工肌肉模拟或代替生物肌腱,是对气动人工肌肉特性研究的继续与深入。其二主要致力于气动人工肌肉执行系统的设计及应用研究。其工作的重点与难点在于气动人工肌肉的位置与输出力控制。由于

10、气动人工肌肉的非线性和自身的柔性,对其进行控制相当困难。4Repperger等设计了增益调节非线性反馈控制器对单根气动人工肌肉和弹簧组成的系统进行控6制。Caldwell等在这方面做了大量工作,设计了带前馈参量的离散PID控制器对一组对抗性气动人工肌肉驱动关节进行控制,通过反复试验调整控制器来获得超调量小的合适的闭环带宽。但是由于气源压力的波动、管道长度、温度变化以及人工肌肉本身的特性的影响,使得控制效果对前馈参量的变化非常敏感。为了克服参数变化的影响,文献7采用非线性极点配置自适应控制方法,在每次采样中断时,根据采样数据利用参数估计算法进行控制器的参数计算,并根据控制器参数计算的结果,修改控

11、制器的参数,再通过控制器输出控制信号对被控对象施加控制,以达到消除被控对象参数变化对系统性能的影响,其控制精1348© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 一种新型气动执行元件气动人工肌肉杨钢李宝仁刘军许多问题,例如研究简便通用的分析方法、简单高效的控制算法等。参考文献:(a)直线运动1TsagarakisN,CaldwellDG.ImprovedModelingConf.on.andAssessmentofPneumaticMuscleActuators

12、Proceedingsofthe2000IEEEInt.Robotics&Automation,SanFrancisco,20002刘荣.人工肌肉驱动特性研究.高技术通讯,1998(6):34383ChouCP,HannafordB.MeasurementandModel2(b)直线运动ingofMcKibbenPneumaticArtificialMuscle.IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,1996,12(1):901024ReppergerDW,JohnsonillipsCA.Non2linearDofAPneumatic(c)旋转

13、运动Proceedingsoftheericanl,1999,CzemieckiJM,HannafordB.McK2ibbenArtificialMuscle:PneumaticActuatorswithBiomechanicalIntelligence.IEEEConf.onAd2vancedIntelligentMechatronics,19996CaldwellDG,RazakA,GoodwinM.Braided.IFACConf.onInt.PneumaticMuscleActuators(d)旋转运动AutonomousVehicles,19937CaldwellDG,Medrano

14、-CerdaGA,GoodwinM.IEEEControlofPneumaticMuscleActuators图2气动人工肌肉驱动方式美国华盛顿大学的Klute教授在采用气动人工肌肉的仿生机械方面做了很多工作。他设计了一种由气动人工肌肉驱动的假肢装置,能模拟人的步伐,带动假肢上的关节运动,从而帮助截瘫患者在行走时减少能量损耗。48ControlSystemsMagazine,1995(2):408HesselrothT,SarkarK,PatrickP,etal.NeuralNetworkControlofaPneumaticRobotArm,IEEETransactiononSystems.

15、MAN.andCyber238netics,1994,24(1):289CaiD,YamauraH.ARobustContrllerforManip2ulatorDrivenbyArtificialMuscleActuator.Proc.oftheIEEEConf.onControlApplication,199610宗光华.利用变结构理论实现人工肌肉夹持力控4结语气动人工肌肉作为一种新型的气动执行元件,在特性分析、控制方法以及实际工业和医学等领域的应用与试验已经取得了一定的进展,其结构简单、动作灵活、功率自重比大、具有柔性、不会损害操作对象等优点也得到进一步认识,但也有一些缺点:气动人工肌肉

16、与传统气动执行元件相比行程小(气动人工肌肉空载时可达20%,有载时只可达到10%;而有的传统气缸可达到40%);气动人工肌肉的变形为非线性环节,具有时变性,使准确控制其位移十分困难;在工作过程中,气动人工肌肉自身温度会发生变化,随着温度的变化,其性能也会改变。这给高精度控制带来困难。因此若使气动人工肌肉实用化,还需要解决制.机器人,1990,12(4):152011田社平,林良明.人工肌肉静态特性及其测量.实用测试技术,1998,11(6):121412田社平,丁国清,林良明,等.人工肌肉自适应预测控制.仪器仪表学报,2001(3):868713杨钢,李宝仁,刘军.气动人工肌肉特性分析的新方法

17、,液压与气动,2002(10):2224(编辑晓舟)作者简介:杨钢,男,1973年生。华中科技大学(武汉市430074)机械科学与工程学院博士研究生。主要研究方向为新型气动元件、气动伺服控制。李宝仁,男,1962年生。华中科技大学机械科学与工程学院教授、博士研究生导师。刘军,男,1979年生。华中科技大学机械科学与工程学院硕士研究生。1349© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. .14,No.15,2003thefirsthalfofAugustCHIN

18、AMECHANICALENGINEERINGVolsmalldiameter,highaspectratioandhighstrength.Mul2tiwallcarbonnanotubesattachedonconventionalAFMsilicontipusinganopticalmicroscopewithtwoindepen2.Purifiednanotubesarealignedondenttranslationtablestheconductivetape,andattachedontheAFMtip.Thentheirlengthisdecreasedusingelectric

19、aletching.Usingthesemodifiedtips,weobtainedstructureswithsteeptrenchonthesiliconthatwaspreviouslyunobservable.withconventionalAFMcantilevertipsKeywords:carbonnanotubeatomicforcemicro2scope(AFM)tipnanometerStudyonFuzzyMulti-ObjectiveOptimizationofMe-chanicalComponentReliabilityBasedonEnergyConser-vat

20、ionWuWeidong(DalianUniversityofTechnolo2gy,Dalian,China)HuangHongzhongFengGangp133121335Abstract:Afterdiscoursingthelimitationanduncer2taintyofsteadyweightcoefficientbothinsubjectiveandobjectivetoeachsub-objectinmulti-objectiveopti2mizationandtheessenceofsatisfactorysolutionofmulti-objectiveoptimiza

21、tion,itisshownthatnotonlythee2valuationofeachsub-objectinweightallocationshouldadoptdynamicevaluatingmethod,butalsotheclassicalmodelofmulti-objectiveoptimizationbasedon2torysolutionshouldbegeneralizedtofuzzymulti-tiveoptimizationmodelbasedontorysolution.Thispapertimizationinthem2tionand.pofmember2sh

22、ipfunctisetsry,eachsub-objectivefunctionisrintosatisfactoryfunction,thenanenergyrelationshipmodeloffuzzymulti-objectiveopti2mizationisbuiltingeneralizeduniformitysteadysatisfac2toryfunctionfieldandageneralevaluationfunctionofmulti-objectivesatisfactorysolutionisdevelopedthatiscomposedbycorrectingwei

23、ghtfunctionandgeneralizedpotentialforcefunction.Atlast,anillustrativeexampleofmulti-objectiveoptimizationofmechanicalcomponentreliabilityisgiven.Keywords:weightfunctionenergyconservationfuzzymulti-objectiveoptimizationsatisfactorysolutionInvestigationonDynamicFractureBehaviorforWeldedJointsBasedonLo

24、calApproachJingHongyang(TianjinUniversity,Tianjin,China)ZhangGuoshangWangDongpoHuoLixingZhangYufengp133621338Abstract:Tensiontestswereconductedatdifferenttemperaturesandloadingratesforatypicalweldedstruc2turesteelanditsweldedjoint.Itisfoundthattheeffectsoftheloadingrateandtemperaturerisinginducedbyt

25、hehighloadingrateonmaterialconstituentcanbedescribedbytheR-parameter.Theeffectsoftheloadingrateandthetemperatureonthefracturetoughnesswereanalyzedalso,thefracturebehavioratthedynamicloadingwaspredictedsuccessfullybythetestingresultsatstaticload2ingbasedonthelocalapproach.Keywords:loadingratefracture

26、toughnesslocalapproachweldedjointSimulationofBrass-typeTextureEvolutionofFCCPolycrystalsDongXianghuai(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,China)ZhengYingLiZhigangp133921341Abstract:Theface-centeredcubic(f.c.c.)crystalswithhighstackingfaultenergiesdeformpredominantlybycrystallographicslip.

27、Forthecrystalswithlowstack2ingfaultenergies,inadditiontocrystallographicslip,de2formationtwinningalsoplaysanimportantroleinmain2taininggeneralizedplasticflow.Inthispaperarate-de2pendentconstitutivemodelwhichaccountsforbothslipandtwinningisestablished,andimplementedbyfiniteel2ementcomputationalproced

28、uresdeveloped.Thetextureevolutionoff.c.c.metalsbyslipandtwinningwasstud2.Siiedbyusingelastic crystallineviscoplasticanalysism2ulationresultsshowthatinplanestraincompression,thedevelopmentofbrass-typetextureisaresultoflatticerotationduetobothslipandtwinning,twinningisveryimportanttotheevolutionofbras

29、s-typetextureinf.c.c.metalswithlowstackingfaultenergiesKeywords:polycrystalssliptwinningtextureevolutionSolidStateWeldingofSteelafterSurfaceQuench-ingYangYunlin(HenanUofScience&Technology,Luoyang,Henan)MaKuiWang21344:newisdis2this.thematerialswillbelidcertaindeformationconditionsarequenchedbylas

30、er.ThetwosteelsrandT10Aareusedtobeasobjectsforstudying.800,pre-stress56.Attheweldingconditionsof7506Mpa,pre-strainspeed0.3×10-27.0×10-2min-1,thetwosteelsaresuccessfullyweldedthrough40300swhetherthepairof40Cr-T10Aor40Cr-40Craftertheirsurfacesarequenchedbylaser.Thetensilestrengthofthejointreachestheintensityof40CrorT10Asteelandthedeformationofsampleisattherangeofexacti2tudewelding.Keywords:steellaserquenchingsolidstateweldingprecisionweldingOnStateandDevelopmentofMicromoldingSongMancang(DalianUniversityofTechnology,Dalian,Chi2na)WangMinjiep134521346Abstract:Inthispaper,thebackgroudand