基于McKibben型氣動(dòng)人工肌肉實(shí)現(xiàn)構(gòu)建機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的軟硬件系統(tǒng)

介紹了一種由氣動(dòng)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(dòng)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(wèn)題。

詳細(xì)給出了氣動(dòng)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)。

雙足機(jī)器人相比于一般的移動(dòng)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有更好的移動(dòng)能力，因而受到研究者的廣泛關(guān)注。控制機(jī)器人獲得快速的行走速度以及實(shí)現(xiàn)跑動(dòng)步態(tài)仍然是雙足機(jī)器人領(lǐng)域中具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。機(jī)器人快速行走或跑動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)腳在落地的瞬間會(huì)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(chēng)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(dòng)人工肌肉是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的驅(qū)動(dòng)器，McKibben型氣動(dòng)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(zhǎng)度特性上與人類(lèi)肌肉類(lèi)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(dòng)人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)器可以有效地解決雙足機(jī)器人的落地腳沖擊問(wèn)題。因此，將氣動(dòng)人工肌肉作為雙足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器具有良好的前景。但是，人工肌肉具有高度非線(xiàn)性的特點(diǎn)。并伴隨有遲滯現(xiàn)象，使得對(duì)其建攘和控制困難。目前，基于氣動(dòng)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(duì)此進(jìn)行了研究。本文利用MeKibben氣動(dòng)人工肌肉搭建了類(lèi)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(dòng)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(duì)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(dòng)人工肌肉及關(guān)節(jié)的建模和控制問(wèn)題，為設(shè)計(jì)和搭建基于氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的雙足機(jī)器人打下基礎(chǔ)。

1、氣動(dòng)人工肌肉關(guān)節(jié)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

1.1 氣動(dòng)人工肌肉

McKibben氣動(dòng)人工肌肉是由美國(guó)醫(yī)生Joseph.L.MeKibben發(fā)明并以其名字命名的一種柔性氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。McKibben氣動(dòng)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1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(zhǎng)，限制肌肉只能徑向變形（直徑變大，長(zhǎng)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(zhǎng)（松馳），肌肉的剛度及驅(qū)動(dòng)力也就隨之降低。肌肉的剛度可通過(guò)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(dòng)人工肌肉只能提供單向驅(qū)動(dòng)力，故需由兩條肌肉以類(lèi)似生物頡頏肌的方式構(gòu)成對(duì)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(dòng)人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)子系統(tǒng)

氣壓驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)由氣源、壓力伺服比例閥、McKibben氣動(dòng)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(guò)伺服比例閥送人氣動(dòng)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(mén)和一進(jìn)氣閥門(mén)。通過(guò)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(dòng)肌肉輸出收縮張力并驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此通過(guò)對(duì)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(dòng)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(zhǎng)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(guò)調(diào)節(jié)充氣閥門(mén)和進(jìn)氣閥門(mén)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(xiàn)位移傳感器構(gòu)成。通過(guò)直線(xiàn)位移傳感器可以測(cè)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(cè)量肌肉拉力，根據(jù)此拉力與關(guān)節(jié)力矩的線(xiàn)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-2F型高精度S形測(cè)力/稱(chēng)重傳感器。其測(cè)量作用力的最大范圍可達(dá)80kg，精度為0.05%。輸出經(jīng)過(guò)TS-2型放大器放大后，輸出電壓范圍為-5V～+5V。直線(xiàn)位移傳感器采用了WDL型直滑式導(dǎo)電塑料電位計(jì)。

1.2.3 控制子系統(tǒng)

控制子系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）、A/D采集卡、D/A轉(zhuǎn)換卡組成。軟件控制系統(tǒng)運(yùn)行于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，并通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換為模擬量。此模擬量用以控制壓力伺服比例閥的輸出氣壓。A/D轉(zhuǎn)換器采集拉力傳感器和直線(xiàn)位移傳感器的數(shù)據(jù)，并提供給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可由軟件處理的數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)中采用的D/A轉(zhuǎn)換器為PCL-726型6通道模擬量輸出卡。它提供了6個(gè)12位雙緩沖的模擬量輸出通道，可滿(mǎn)足肌肉伺服控制的需要。MD采集卡采用了PCL-813B型12位32通道A/D卡，它提供了32通道帶隔離的直流電壓測(cè)量，精度可以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

1.3 軟件系統(tǒng)

氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的頡頏關(guān)節(jié)中有2條肌肉的壓力為系統(tǒng)的控制變量。由于系統(tǒng)通過(guò)2個(gè)自由變量控制一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，所以構(gòu)成了冗余驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?？梢宰C明，此系統(tǒng)可對(duì)關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)剛度進(jìn)行獨(dú)立控制。其中，前者與2條肌肉壓力差有關(guān)，后者與肌肉壓力和有關(guān)。通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)力矩的控制可以實(shí)現(xiàn)精確的關(guān)節(jié)軌跡跟蹤，而通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)剛度的控制可以降低落地腳沖擊及系統(tǒng)能耗。

本文在工控計(jì)算機(jī)中編寫(xiě)了氣動(dòng)人工肌肉關(guān)節(jié)系統(tǒng)的控制軟件及操作界面。通過(guò)此軟件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)肌肉模型的參數(shù)設(shè)定、穩(wěn)定的閉環(huán)控制及傳感器返回值的實(shí)時(shí)顯示和記錄等功能。軟件的主體部分包括軌跡規(guī)劃模塊和壓力控制模塊。軌跡規(guī)劃模塊實(shí)現(xiàn)了上層的關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃，并根據(jù)關(guān)節(jié)模型計(jì)算實(shí)現(xiàn)期望關(guān)節(jié)軌跡所需的關(guān)節(jié)力矩。壓力控制模塊執(zhí)行底層計(jì)算，它的輸入量為上層規(guī)劃得到的期望關(guān)節(jié)力矩。壓力計(jì)算模塊根據(jù)氣動(dòng)人工肌肉的實(shí)際模型計(jì)算控制肌肉運(yùn)動(dòng)所需壓力，其轅出為期望肌肉壓力值。智能PID控制算法模塊根據(jù)此期望壓力值和A/D采集得到的實(shí)際肌肉壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行智能PID控制，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。其輸出經(jīng)數(shù)值和D/A環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為輸出到硬件系統(tǒng)的實(shí)際控制電壓。軟件系統(tǒng)的框圖如圖3所示。

2 實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 氣動(dòng)關(guān)節(jié)系統(tǒng)模型

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)本文所搭建的氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)頡頏關(guān)節(jié)的準(zhǔn)確伺服控制。首先要對(duì)氣動(dòng)人工肌肉進(jìn)行建模。MeKibben氣動(dòng)人工肌肉由于具有非線(xiàn)性、時(shí)變特性，并且在工作時(shí)伴隨有遲滯現(xiàn)象，因而難于對(duì)其進(jìn)行建模和控制。大多數(shù)已有研究中對(duì)于McKibben氣動(dòng)人工肌肉的建模都采用Chou和Hannaford基于虛功原理給出的理論模型。此模型給出了肌肉出力的理想估計(jì)，然而此理論模型直接應(yīng)用于實(shí)際控制并不能得到良好的效果。本研究中采用了Reynolds等提出的三元肌肉動(dòng)力學(xué)模型，將氣動(dòng)肌肉近似為由非線(xiàn)性阻尼因子、非線(xiàn)性彈簧因子和非線(xiàn)性收縮力因子并聯(lián)構(gòu)成的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，則模型方程為：

其中，x為肌肉收縮長(zhǎng)度，當(dāng)肌肉完全伸張時(shí)x=0。K0、K1為彈簧因子系數(shù)，B0、B1為阻尼因子系數(shù)，F(xiàn)0、F1為收縮力因子。對(duì)于本文采用的氣動(dòng)人工肌肉，通過(guò)在本系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)，可對(duì)式（1）中的三元肌肉模型參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。當(dāng)肌肉壓力p取值在200kPa～650kPa之間時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的模型系數(shù)可得到滿(mǎn)意的近似效果。應(yīng)用此三元肌肉模型，本文所介紹的軟件系統(tǒng)對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行了閉環(huán)軌跡跟蹤控制，其控制精度優(yōu)于傳統(tǒng)的理論模型。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

在本文構(gòu)建的采用柔性驅(qū)動(dòng)器McKibben氣動(dòng)人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)源的機(jī)器人單自由度頡頏關(guān)節(jié)系統(tǒng)上，可對(duì)McKibben型氣動(dòng)人工肌肉的建模和控制進(jìn)行進(jìn)一步的研究。通過(guò)在本系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)，在對(duì)三元肌肉模型參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)的基礎(chǔ)上，利用本文實(shí)現(xiàn)的控制軟件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)的關(guān)節(jié)軌跡跟蹤控制。

在進(jìn)一步工作中，將基于已有的平臺(tái)和閉環(huán)控制方法重點(diǎn)研究?jī)蓚€(gè)問(wèn)題。首先研究關(guān)節(jié)剛度可控的軌跡跟蹤控制。利用此冗余系統(tǒng)的關(guān)節(jié)剛度量實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的目的，使機(jī)器人通過(guò)更好地利用自身關(guān)節(jié)的被動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性來(lái)降低能量損耗。其次研究在有沖擊情況下通過(guò)控制關(guān)節(jié)剛度降低沖擊影響，進(jìn)而為搭建由氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的雙足機(jī)器人提供理論準(zhǔn)備。

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