气动人工肌肉

McKibben气动人工肌肉的测量和建模

Ching-Ping Chou and Blake Hannaford

Member, ZEEE

摘要：本文报道了测量和建模McKibben人工肌肉气动执行机构。此装置，首先在1950年开发的，包含扩大管周围编织线。我们通过静态和动态长度张力的测试结果，得出一个线性模型。并将结果与人体的肌肉属性相比较，以评估是否适合人体肌肉仿真。McKibben执行器基于生物学的机器人手臂。

一、引言

McKibben气动人工肌肉的研究在1950年和1960年，主要是发达的假肢。他们最近被商业化的日本机器人应用普利司通橡胶公司的J.温特斯博士用来重

新设计建造生物力学逼真的骨骼模型。McKibben肌肉包括一个内部膀胱周围由编织网是连接外壳（具有灵活且不可扩展的线程）在两端的接头或一些类似肌腱的结构（图1（a）条）。当膀胱加压，高的高压气体推压其内表面上，并针对外部的外壳，且很容易增加其体积。由于纵向刚度非常高的编织网壳中的线程，执行器缩短根据它的容量的增加和/或，如果它产生张力被耦合到一个机械负载。这种物理配置导致McKibben本的肌肉有可变刚度春天的特性，非线性弹性被动，身体的柔韧性，和很轻的重量比其他种类的人工致动器[9]。

之间的关系紧张，长度，速度不同的激活是主要特征从类型区分。人骨骼肌也有其自己的特殊特性：例如，凸状主动张力长度关系[5]，非线性被动拉伸长度的关系，和双曲张力速度关系[11]。每个属性也是一个函数激活电平[14]，[18]，[19]。为了说明的相似性（或不）生物肌肉，三种类型的McKibben肌肉，两个普利司通设计者和博士共同进行了测试。另外，由于气动执行器，实验和建模简单的气动回路都包括在内。

在本文中，所有的实验，理论，建模，和模拟分为四个主要部分：准静态和动态拉伸长度的关系;第三节，气动回路;第四节，等距等渗实验和第五节，能源转换和效率估计。

第二节：1）一个理想化的静态McKibben的肌肉的物理模型进行分析一个简单的理论方法，2）动态试验机将描述;

3）的一系列准静态和动态实验进行说明，显示的速度不敏感紧张长度滞后;

4）简化的静态模型将描述基于实验数据和一个理论方法和

5）的准静态和动态特性进行分析。

在第三条：1）两个动态实验进行说明简单的气动回路和；

2）与线性或非线性的气体集中参数模型;阻力将描述模拟。

在第四节中，等距和等渗实验的气动行为将被显示。在第五节，能源转换和根据气体动力学和热力学效率将是估计。

最后，致动器和气动系统进行比较生物肌肉。在一般情况下，McKibben人工肌肉更类似于生物肌肉比起其他种人工执行器。然而，气动系统，提供控制和执行器的电源，还需要一个很大的改进，以成一个可行的实施独立的系统。二、张力和长度的动静态关系

McKibben肌肉转换气动的致动器（或液压）的能量转化为机械形式转移膀胱的内表面上所施加的压力缩短张力。找关系的紧张，长度和压力，理论方法和几个实验中，将被分析的简化模型。

A.静态物理模型

McKibben肌肉为了找到作为压力的函数的张力和致动器的长度而不考虑详细的几何结构，理论方法的基础上节能首先介绍。

McKibben肌肉做输入工作（胜）当气体推内胆表面。这是

其中，P是绝对的内部的气体压力，PO，环境压力（1大气压=1.0336巴），PI，相对的压力，的Si，总的内表面，DSJ面积矢量，DLJ内表面位移和dV体积的变化。输出工作（Wout）了当执行器缩短关联的体积变化，这是

其中F是轴向张力，和dL，轴向位移。从节能的观点，输入工作等于输出的工作，如果一个系统是无损和无能量存储。假设执行器是在理想条件。然后我们可以使用“虚功”的说法

因此，由式（1）和（2）中，

为了估计每升的体积变化，首先我们假设的可扩展性壳线程是非常低的（因为它必须被选择），因此致动器量将只取决于它的长度。此外，中间部的致动器被模拟为一个完美的气缸零壁的厚度（图1（b）条），其中L是长度的缸，0是编织线和气缸之间的角度长轴，D是气缸的直径，正圈数一个线程，B螺纹长度。L和D可以表示8恒定参数n和b的功能，

圆柱体的体积是

因此，由式（4b）中，F可以表示为P'和8的功能

这相当于

在这里，角度长轴为0时的直径等于90，舒尔特文献[17]中使用的是相同的形式。张力因此线性比例的气压，为单调编织角（0<8<90'）的功能。最大当F = 0时，也就是，缩短达到，8=54.7'。请注意，尽管我们取得的张力与这里假设理想缸，张力总是可以，来自所知道的任意形状的致动器的dV/ dL的（4B）而假设致动器将被视为非理想的。

B.动态试验机

对于下面的实验中，测试系统，能够的制造和记录所需型态的张力，建长度，和压力的致动器（图2）。该系统包括一台IBM兼容的个人计算机（PC，16MHz 的386SX，实时更新率高达5 kHz），PC扩展总线接口和定时器电路，A / D，D / A转换器，模拟滤波器和放大器，压力传感器（6.8 bar最大），应变式力传感器（最大100 N），滤波器，放大器，1/4马力直流电动机与PO WER放大器（RT24 A最大。电流），光的角位置的增量式编码器（每转1600步）和一个解码器，一个压力调节器（10巴最大），电磁阀（费斯托比例压力稳压器MPP-3-1/8，最大10 bar），两个气体蓄能器（3 IN3和10立方英寸的），以及灵活的管（Q51/ 8“）。

通过利用不同的组合的U0通道和软件的设置，该系统可以进行各种测试条件，如恒定的压力测试，等距的测试，等渗测试，气动回路测试等。

C.准静态和动态实验

由于没有解析解来描述生物肌张力长度激活的关系，各种被选为测试配置说明的一部分这种关系，如静态张力下的长度关系

恒定的激活水平[5]，等距至等渗快速释放实验[3]，等速试验[3]，[13]等轴测响应激活张力[11，[2]等请注意激活肌肉力学总是输入，其他两个量中的任一个（紧张和长度）可能是输入或输出。

致动器的压力是类似的激活电平，最初将被认为作为输入到致动器，这将在保持为常数尽可能在这些实验中，以尽量减少压力动态的影响，从而简化了分析在准静态实验测试三种类型的执行一个在动态实验还测试了。该第一个休息长，1.1厘米，14厘米，用尼龙外壳直径在5巴的无负载。第二个，与玻璃纤维壳，

是20厘米，长0.9厘米，直径。而第三个普利司通制造的，为14.7厘米长，1.5厘米的直径。第一，在准静态实验，尼龙外壳执行器进行了试验。一组低频三角波位移（相对静息长度，罗= 14厘米），最好覆盖的线性张力的区域相对应的不同的压力被选择作为输入的水平。位移大的工作范围（产生峰值的1赫兹速度约0.5 LOLS）。通过手动调节压力，获得六所需的恒定水平（0-5栏相）。由于：1）长度变化的致动器的体积变化，2）在连接管路中的气体的粘度，以及3）调节器的输出滞后，当测得的压力将增加驱动器延长和缩短时，会降低。为了减少的压力变化，10立方英寸（164立方厘米）蓄能器连接到调节器，和一个3立方英寸F49立方厘米）蓄能器是直接连接到致动器。作为一个因此，压力变化被限制在低于0.1巴由于大的蓄电池的总容量，和由于接近压力滞后几乎是不可估量的位置（致动器），第二累加器。图中所示为测得的压力和张力位移的响应（图3（a））。通过减少压力变化的影响，磁滞回线的张力示出的关系。的宽度和高度循环是约0.2-0.5厘米和5-10?的，分别。二进行了进一步的实验，以示出多个特征滞后。

首先，位移波形的频率是降低到0.25赫兹，而在工作范围内保持相同（这将产生约0.125 L＆峰值速度）。该结果几乎是相同的以前的情况下，这表明紧张长度的行为是独立在低的速度的速度。二，频率设置为1赫兹，而操作范围缩小一半左右（图3（b）中，实线）。张力上升路径保持不变（上升“初始条件”是相同的），但下降的路径是不同的（下降“初始条件”是不同的，由于规模较小经营范围）。因此，循环的宽度和高度的减少。这表明滞后是历史依赖。程序，以获取图。图3（a）重复另两个致动器，并将结果在相同的格式的如图所示。图3（c）及（d）。的刚度，摩擦，和可扩展性在上面的三个致动器有很大的不同。在动态实验，一组中高频正弦位移波形（相对于零张力长度）小的工作范围与施加到第一致动器。压力设定为相对5巴，并保持恒定在这种情况下相当不错（由于长度变化较小）。的频率和位移范围内的设计获得0.2-8.0 LOLS峰值速度，但仍保持在直线张力长度区域。粘滞摩擦阻尼力，如果衡量，会发现这是一个滞后宽度

的单调递增函数的速度。然而，本结果表明，该宽度的张力位移循环几乎是不变的，除了在较高略有下降频率（图4）。这些结果表明，与速度无关的滞后最有可能的是，其中占主导地位的库仑摩擦的致动器的总摩擦。粘性摩擦是多少小于库仑摩擦力，从而不可估量。

D.简化的静态模型

撇除上述库仑摩擦力，假设静态张力长度关系可以包括一个校正计算的壁的厚度，如果需要的话。从（8B），张力线性正比于压力，为单调通过应用的编织角（0<0<90）的功能。几何参数（测量从尼龙外壳致动器，B= 16.4厘米，N=3.15，

和产量= 1.66厘米）（8B）仿真结果示于图中。图5（a）但是，如果外壳的厚度和膀胱考虑的关系变得

通过插入（4B）的

这是更准确的，但更复杂的比（图8b）（图5（a）- （四），虚线=0.0762厘米补充）。

为了简化模型，张力目前被认为是的压力和长度的函数，和致动器是就像一个可变刚度弹性元件，或“气弹簧。”

其刚度（K DF/ml）的压力成比例，并且每单位压力（kg/ DP）的刚度接近

一个恒定在10至14厘米长的仿真（图5（E），公斤=0.461厘米，或4.61 NKM。BAR）。其结果是，它可以是线性（1）中，L在理论上是可能的最小长度（当F = 0时）。现在，考虑储存的能量通过致动器在其膀胱和外壳，产量

如果P'> P如果P'<12BPth阈值的压力，以克服膀胱的径向弹性扩大，Kp为

线性化的等效并联被动弹性常数膀胱材料与外壳线程剪切力，NL（- ）是非线性项由于非理想缸，而致动器在其极端的长度（图6（a）条）。的前两个产品条款也可以被表示为（12a）的

其中，Pa= P T H - KP /kg，FA = KP（LM，- LO）。实验估计这些参数，10个点假设静态张力长度压力对采样来自上述准静态的结果，并插入（13）（图6（b））。这一计算结果KG= 0.466，P= 0.062吧，LMIN= 9.91厘米，和FA =-16.0 N.此外，PTH和KP可以估算知道LO= 14.0厘米，这将产生PTH =0.903酒吧和Kp=3.92 NKM。请注意KG是非常靠近模拟的理论值（0.461厘米）模型。非线性项时变得显著执行机构是极短或极长，通常这日常工作范围内，并且将不再讨论M。

E.准静态和动态特性

它已被证明有滞后在tensionlength中周期，并占主导地位的摩擦是频率不敏感的库仑摩擦，这是由接触引起的膀胱和外壳之间，编织线程之间对方，和形状多变的膀胱，历史的依赖，使摩擦难以prehct精确地说，特别是在致动器被连接到人工骨头弯曲形状。所以，建议增加一个典型的摩擦值（+2.5 N，正，负延长起酥油）假设静态方程（（12a）的或（13）（12B））如果一个简单的摩擦模型是足够的。

三、气动回路

由于McKibben执行器由气动功率，重要的是要了解一些基本的现象为了区别因素的气动动力气动回路的执行器机械传动。

A.压力气动回路的动态实验

最重要的状态变量的气动回路的压力和质量流量。可测的压力直接的质量流可以是来自于改变的储液器中的压力。

两个压力动态实验作了简单气动回路，如图所示。图7（a），包括电磁阀，其产生一个非周期性压力波形，气动管（4升/ P，长度100厘米），它引入了气体粘度，一个累加器，它的行为作为电容器和两个压力传感器，其中一个上面的连接就输出管（PI），和其他在油管和储液器（P2）的连接。该两个实验的配置类似，但一个蓄能器的体积为164立方厘米（10立方英寸）和其他是49立方厘米3立方英寸。压力的实验结果

、反应与仿真结果后会显示。该建模P2到PI响应是有限的，这包括气动特性的管子和累加器。然而，建模的电磁阀是不包括在内，因为它太复杂的获得准确的但简单的模型。

B.集总参数模型的气动回路

为了分析的气动回路（即使简单如上述流体动力学是不容易的）。有至少三个理由来解释。首先，它是一个分布参数的系统。状态变量不仅是时间的函数，而且空间的功能：可替换地，有无限的理论上离散状态变量数目。第二，它是非常敏感的几何形状。所有随时间变化的边界必须满足的条件，解决了气动力相等

D / DT = V。V，V，梯度算子，散度算子，（V2），拉普拉斯算子，五，气体速度P，密度，P，U，压力，运动粘度，F，任何机构力，U，内部的能量，K，导热系数，T，温度，与任何其他的能量转移机制。第三，正如流速上升，湍流逐渐接管层流。之后，它不可能获得一个分析的解决方案，该系统可以只由一些强大的解决仿真程序，用于在一段时间内。

计算时间将是更大的关注，因为增加数量的致动器（气动回路）在一个应用程序的系统。集中参数模型与最能满足这几个参数和状态变量很少要求。在下文

中，三种型号中描述的的顺序的复杂性和准确度。在第一个模型中，两个节点的压力（P1和P2，绝对）是唯一的状态变量（如“努力”或电压）。该通过每个节点（“流”或电流）的质量流量（w）的可以来自从这些状态中的参数。该气体粘度引起的管子（连接）建模为一个线性电阻（R），以及作为一个累加器线性电容（C）（图7（b）条）。通过忽略的音量油管，有的关系

这是一个线性低通滤波器响应，只有一个参数（水柱=升/ RC，截止频率）。模拟这种优化模型WC 4。

在第二种模式中，电阻为蓝本

在有效截面面积的油管和连接器，R 1和R是恒定的，并且将取决于实验，pt是在油管内的气体密度

其中，R是气体常数，每单位质量，T，温度，和Pt是在油管内的平均绝对

压力是近似为（PI + P2）/ 2。的电容，C，（17）中是一样的

其中m是气体的质量累加器。在这些实验是一种气“扩张”，从高压力源到恒定体积的容器中，这是等温过程。因此，C可以来自累加器的体积的（V）和理想气体状态方程

通过代P2为P，使用（21），

通过利用（17），（19），（20），模拟的准确性的结果有很大的提高（图8（a）和（b）段），R 1和R每次尝试不同的优化五必须注意到，两个实验RI和R2的值优化后有很大的不同。此外，模拟约4毫秒反应导致测量的响应。第三个模型的第二个扩展包括气体惯量（L，图7（c）条），

AP，惯性载荷所造成的压力差。转换牛顿第一定律，F = D（MV）/ DT，到气动表单产量

其中公升的管子和连接器的有效长度，和v是气体速度。此外，替代品，给W 代入式（25）

（24），我们得到

现在方程（19）修改成

通过比较（17），（20）和（28），模拟结果是如图所示。图9（a）及（b）。RI和R2现在进行了优化实验用10立方英寸累加器，不改变这些值，适用于的3立方英寸累加器。，两个累加器我们得到很好的准确性和第二个模型中的有效值轻微改善错误。由于第二个模型只适合两个重新优化RI和R2的蓄能器，这个模型显示显着的改善。此外，在4毫秒导致在模拟中第二个模型反应消失。这说明了模型的鲁棒性和精度的提高添加一个简单的惯性项。

四、等距和等渗实验

在这两个系列实验中，一些特性的致动器和气体动力学将被证明。这些将提供有价值的信息的时机的响应波形和功率能力的系统。对于这两个系列，尤其是控制电压模式输入的电磁阀，以产生动态压力波形。

A.等距实验的

在这些实验中，不使用电机的情况下，致动器固定在一个坚硬的金属板。张力记录在响应于一个方波（步骤）的控制电压，和压力记录还示出以供参考（图10）。该延迟时间的控制电压步进的压力上升大约是5毫秒，纯粹是由于延迟的阀。从上升的压力，紧张的崛起是约7毫秒，主要是因为它需要时间的压力克服阈值（Pth的）。的张力上升时间（0?90％）是30毫秒全方位的步骤和时间为15 ms半步骤，下降时间（100％到10％），分别为53毫秒和30毫秒这些阀的最大流量是有限的管子的气体粘度（连接器和连接器）。

B.等渗实验的

在这些实验中，闭环控制的张力测量值反馈到执行电机驱动器。三种不同的频率（1，2，和5）三角波形被施加到阀，控制电压和三个不同的恒定负载水平

的选择的控制张力。的压力，缩短（阴性位移），张力测量选定的典型结果

示于图。11。平均速度最高，41.0CD和峰值速度，在这些实验中，86.6获得5个CP和10 N负荷。显而易见的是，在张力测量有一些变化，由于能力有限，电机子系统和带宽的反馈。

然而，积极的工作和权力仍然可以计算通过数值积分的紧张和积极的产品缩短速度。这给了每份缩短工作0.45 J，平均功率为0.9 W，峰值功率为3.8W在10N的力-1周期/秒，或每一个缩短的工作时数1.4 J，14 W平均功率和峰值功率为33 W在50 N负载5。这些值作为参考，但并不代表致动器的最大能力。该大多局限于最大功率的最大压力的阀的气源，最大流速，并气动回路内的气体粘度。

五、能源转换和效率

能源效率是一个重要的因素的致动器。在为了估计的致动器的能量效率，一些具体的模拟将会推出。这也将说明在什么条件下，可以得到更高的效率。

根据热力学，机械能转化成气体的内部气体被压缩时的能量或热量，和气体内部的能量或热量变换回当气体膨胀时的机械能（自由膨胀除外）。在下文中，定量分析的能量转换气动系统中的尼龙外壳McKibben肌肉执行机构就被分为3

个不同的条件：

1）准平稳，恒定的压力极大缩短

2）准静止的，等渗的缩短，以及

3）恒压等渗缩短。对于每个条件，过程中的能量也将被分离成几个步骤，在每

个转换周期

一般情况下，致动器可以产生正的净机械工作，如果在较高压力下缩短张力较大并延长在较小的张力较低的压力下（如果缩短和延长的紧张是一样的，有也没有净工作）。这个周期可以表示为五个步骤：1）制备高气源压力，2）缩短高张力下，3）呼气;4）延长低张力下;5）为下一个周期吸入。这些步骤将被指定为每个条件如下：

A.准静止，恒压

最大缩短条件在这种情况下，整个周期，除了呼气假设要处理的准固定。这将消除任何不必要的能量损失，同时还将使温假设非常合理的。此外，假设压缩机活塞吸气/呼气阀门将被调用计算能量的制备高压气体源，这是假设与执行器连接，通过零体积的管。在每个周期开始时，致动器最初是对张力拉伸零相对压

力被动的致动器的弹性，并且有一定量

压缩机内部的气体在环境压力（点图。图12（a）和（b）条）。的体积（V，变量）所示。图12（a）表示的总压缩机内的气体体积的附加的初始体积致动器（VZ，恒定，初始长度LZ，恒）。和的绝对压力（P，变量）表示的气体压力

在压缩机内部和致动器。另一方面，在长度（L，变量）所示。图12（b）表示的长度致动器膀胱，和张力（F，变量）代表在特定的长度和压力致动器的张力。在步骤1中，通过压缩气体的压力增加在压缩机内，同时保持致动器的等轴测通过增加相应的紧张（A到B）。在步骤2中，让致动器在恒定压力下尽可能地缩短（的张力变为零之前，B到C）。在步骤3，呼气到周围环境中的气体（从C到D）。在步骤4中，再拉伸致动器至其初始长度（D A所示，图12（b））。最后，在步骤5中，从环境中吸入的一定量的气体到压缩机（D到A所示图12（a）），并返回到初始条件。

为了分析这个循环中，有一些常数必须引入：V，初始总气体体积; VI，最大限度地缩短了执行器体积;宝，环境压力，pH值，高压力，同时缩短;罗，休息的致动器的长度L1，最大限度地缩短的长度;L2，初始拉伸长度; F2分钟，被动弹性长度L2和压力宝; Fzmax，张力紧张长度的LP，压力pH值，摩擦楼- 。由活塞施加的机械能中的气体第1步是

利用理想气体状态方程（见（22）），恒地铁，产量PV= POX= PHV1，

此外，最大限度地缩短的长度LI和VI只取决于pH值。因此，可以被表示为一个仅pH值的功能。估计L1，线性张力的压力方程（13）中所描述的解决分配F= FCF（F，..估计库仑摩擦力），P'= PH - PO，L=李，从而

和基于相同的线性化模型，（4b的估计VI反向与应用考虑的偏移量（压力阈值和被动弹性），成为

六是通过代L1 L.在第2步中是由活塞的工作输入

由致动器的净功输出的区域相当于这也是仅pH值的函数。四边形ABCD的图。12（b）条，

因此，这是一个函数的L1是仅pH值的函数。现在，可以计算的能量转换效率如

示出最大的效率是约0.3，在pH=5棒材相对压力较高的压力，缓慢下降，和较低压力非常快速减小到零，当压力接近的阈值Pth（图图12（c））。请注意，华总是小于WIZ和WOL完全被浪费呼气（自由膨胀）。

B.准静止的，等渗缩短条件

气动人工肌肉

McKibben气动人工肌肉的测量和建模 Ching-Ping Chou and Blake Hannaford Member, ZEEE 摘要：本文报道了测量和建模McKibben人工肌肉气动执行机构。此装置，首先在1950年开发的，包含扩大管周围编织线。我们通过静态和动态长度张力的测试结果，得出一个线性模型。并将结果与人体的肌肉属性相比较，以评估是否适合人体肌肉仿真。McKibben执行器基于生物学的机器人手臂。 一、引言 McKibben气动人工肌肉的研究在1950年和1960年，主要是发达的假肢。他们最近被商业化的日本机器人应用普利司通橡胶公司的J.温特斯博士用来重 新设计建造生物力学逼真的骨骼模型。McKibben肌肉包括一个内部膀胱周围由编织网是连接外壳（具有灵活且不可扩展的线程）在两端的接头或一些类似肌腱的结构（图1（a）条）。当膀胱加压，高的高压气体推压其内表面上，并针对外部的外壳，且很容易增加其体积。由于纵向刚度非常高的编织网壳中的线程，执行器缩短根据它的容量的增加和/或，如果它产生张力被耦合到一个机械负载。这种物理配置导致McKibben本的肌肉有可变刚度春天的特性，非线性弹性被动，身体的柔韧性，和很轻的重量比其他种类的人工致动器[9]。 之间的关系紧张，长度，速度不同的激活是主要特征从类型区分。人骨骼肌也有其自己的特殊特性：例如，凸状主动张力长度关系[5]，非线性被动拉伸长度的关系，和双曲张力速度关系[11]。每个属性也是一个函数激活电平[14]，[18]，[19]。为了说明的相似性（或不）生物肌肉，三种类型的McKibben肌肉，两个普利司通设计者和博士共同进行了测试。另外，由于气动执行器，实验和建模简单的气动回路都包括在内。 在本文中，所有的实验，理论，建模，和模拟分为四个主要部分：准静态和动态拉伸长度的关系;第三节，气动回路;第四节，等距等渗实验和第五节，能源转换和效率估计。 第二节：1）一个理想化的静态McKibben的肌肉的物理模型进行分析一个简单的理论方法，2）动态试验机将描述;

基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真7968364

基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真7968364

毕业设计说明书(论文) 题目：基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动 力学仿真

毕业设计说明书（论文）中文摘要

毕业设计说明书（论文）外文摘要

目录 前言 (1) 第一章绪论 (2) 1.1课题项目的背景 (2) 1.2气动人工肌肉多关节手指的国内外发展现状 (2) 1.3气动技术的介绍以及发展前景 (4) 1.4论文研究的内容和方法 (6) 第二章多关节手指的结构设计及建模 (7) 2.1 气动肌肉的介绍 (7) 2.1.1 气动肌肉的内部结构 (7) 2.2 气动机械手指的基本结构 (9) 2.2.1 绘图软件SoildWorks介绍 (9) 2.2.2 整体设计方案的设计 (9) 2.2.3 手指的关节设计 (10) 2.2.4手指关节的建模 (13) 2.3 灵巧手指的装配和三维模型的导出 (15) 第三章多关节手指的动力学仿真分析 (16) 3.1仿真软件ADAMS和MATLAB简介 (16) 3.2 动力学仿真过程介绍 (18) 3.2.1 ADAMS参数设置过程 (18) 3.2.2 建立MATLAB控制模型 (27) 3.3 动力学仿真结果分析以及结论 (29) 第四章气动肌肉灵巧手指的控制系统设计 (31) 4.1气动肌肉回路原理和设计 (31) 4.1.1气动回路器件的选择 (32) 4.2灵巧手指的关节控制系统 (34) 4.2.1控制系统的原理 (34)

4.2.2控制系统的硬件选择 (35) 4.3 D/A控制界面的设计和程序的编写 (36) |第五章结论及总结 (41) 参考文献 (42) 致谢 (44)

气动人工肌肉在仿生机器人中的应用技术技术

气动人工肌肉在仿生机器人中的应用技术（技术） 成果简介：气动人工肌肉驱动器具有较强的柔性及仿生性，其高功率/质量比的特点使之在仿人机器人技术领域中具有无可比拟的优势。对气动人工肌肉的静、动态特性深入进行了建模与实验研究，进行了气动人工肌肉驱动的关节特性分析及位置控制研究。分别研制出气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手，以及十四自由度双臂机器人，通过简单的材料制作出性能优异的气动人工肌肉，辅之模糊自适应控制、协调控制等高精度气动伺服控制技术，实现了灵巧手基于数据手套的主从抓持操作、机械臂自动驾驶方向盘等动作。该研究为气动人工肌肉的广泛应用奠定了坚实的理论与工程基础。 项目来源：国家自然科学基金项目 技术领域：新型驱动器，仿人机器人 应用范围：低成本研究性仿人机器人；医疗护理性机器人；家政服务型机器人；空间探索性抓持器。 技术特点：以仿人五指灵巧手骨架为核心，气动人工肌肉驱动，柔索传动。 由一对肌肉驱动一个手指关节，高响应压电比例阀控制气动人工肌肉的内部压力，从而改变肌肉的收缩长度及输出力，最终控制关节角度的变化。采用模糊PID对单关节进行控制，关节空间的轨迹规划来自人手佩戴的数据手套的反馈信息，由此构成实时主从控制效果。灵巧手的外观具有很好的仿人性，亲和力较强，在主从控制下可以完成各种手势运动及简单的抓持操作。双臂机器人采用对称式结构设计，每个手臂均具有七个自由度，其中肩关节有三个自由度，肘关节有两个自由度，腕关节亦有两个自由度。单臂控制器由带重力补偿器和摩擦力补偿器的模糊自适应PID控制，最大的跟踪误差小于 0.08rad。双臂协调控制，即在双臂控制回路之间插入动态模糊协调控制器， 通过对比双臂对应关节的角位移误差大小，按一定模糊规则对各控制量进行补偿。 技术创新：1) 低成本气动人工肌肉的研制；2) 十七自由度仿人灵巧手的研制；3）十四自由度双臂机器人的研制；4）基于数据手套的灵巧手主从控制； 5）双臂机器人的协调控制。 所在阶段：样机 成果知识产权：1）发明专利“一种气动人工肌肉”，公开号CN101306535；2）发明专利“气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构”，公开号：CN101045300。

基于气动肌肉驱动的飞行蝠鲼设计

名称：基于气动肌肉驱动的飞行蝠鲼设计 创新点： 1、仿生学设计：通过对鱼类蝠鲼水下一种具有特殊运动模式——大胸鳍拍动驱动的的研究， 鱼飞翔在天空是一种让人耳目一新的设计，它既不是扑翼驱动的飞鸟机器人（电机驱动、拍动频率较高、扑翼分段通过铰链连接），也非单纯的飞艇通过氦气充气产生浮力、通过尾部风扇和舵面控制飞行姿态，飞行蝠鲼同时具有这两种运动模式的优点。 2、使用清洁无污染能源：使用气动这种清洁高效的新颖驱动方式替代传统马达、舵机驱动， 能源使用效率高。 3、实现无动力自主悬浮：使用轻木、碳纤维制作飞行蝠鲼的主体骨架，外表为塑料弹性密 封蒙皮，整机分为主机体、左右胸鳍和尾鳍四部分，分部分充入等压氦气，以保证飞行蝠鲼可以自主漂浮在空气中。 4、采用新型动力结构：在飞行蝠鲼的动力部分，胸鳍和尾鳍内部按照真实鱼类拍动鱼鳍的 肌肉作用方向和力量排布相应数量的气动肌肉，使用微型气泵对左右胸鳍和尾鳍按照一定控制指令充入、排出空气，以实现肌肉的拉伸和收缩，通过合理排布的肌肉布局来实现鱼鳍上下拍动和前后卷曲的复杂动作。 5、整机综合性能优良：放弃传统电动和油动小型飞行器的动力系统，飞行蝠鲼几乎达到了 零排放、零污染、零噪声，飞行平稳性非常高，速度不高，但空中机动性能较好，非常适合用做长航时的航拍、侦查和物资投放。 实用性： 1、本飞行器属于浮空飞行器范畴。飞行非常平稳，较垂直方向上尺寸较大的飞艇，其气动 布局更符合流体力学的相关规律，在无动力悬浮空气的情况下，如果有近水平方向气流，可自然产生部分升力，也可通过尾鳍轻松调整飞行蝠鲼的俯仰姿态进而改变其运动轨迹。 2、由于在保证机体采用分段密封的方法，密封效果良好，可在近地或高空长时间低速巡航

气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计_彭光正

第26卷　第7期2006年7月北京理工大学学报 T ransactions of Beijing Institute of T echnolog y Vol .26　No .7Jul .2006 文章编号:1001-0645(2006)07-0593-05 气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计 彭光正,　余麟,　刘昊 (北京理工大学信息科学技术学院自动控制系,北京　100081) 摘　要:研究一种气动人工肌肉驱动的多指仿人灵巧手的结构设计.通过分析正常人体解剖学,针对人类手掌的外形结构、驱动形式及运动规则,设计了一种5指仿人灵巧手.该灵巧手有5个手指、19个自由度,在外观和功能上与人手接近;手指采用气动人工肌肉驱动,以柔索传动.实验结果表明,该仿人灵巧手具有很好的柔顺性,并且整体外形和手指关节的运动范围均能达到拟人的效果.关键词:灵巧手;人工肌肉;仿生学中图分类号:T P 242 文献标识码:A Structural Design of a Dexterous Hand Actuated by Pneumatic Artificial Muscle PENG Guang -zheng ,　YU Lin ,　LIU H ao (Department of Automatic Control ,School of Info rma tio n Science and T echnology ,Beijing I nstitute of Technology ,Beijing 100081,China ) A bstract :A structural devise of a dexterous hand w ith multi -fingers driven by pneumatic artifical mus -cle is introduced .By studying the shape ,structure ,driving -model and the rules of movement of hu -man hand from anthropotomy ,a dex terous hand close to a hum an hand in structure and functions w ith 5fingers and 19DOFs is desig ned .Ex peimental results show that the adoption of pneumatic artifical muscle and artifical tendons makes it mo re flexible .Besides ,this so rt of dex terous hand can match up w ith the effect of personification both in ex ternal shape and the range of movement .Key words :dexterous hand ;pneumatic artificial muscle ;bionics 收稿日期:20051229 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475163)作者简介:彭光正(1964-),男,教授,博士生导师,E -mail :s mcpeng @bit .edu .cn . 机器人灵巧手是一个高度集成化的机电系统,涉及机械、电子、计算机、控制等多个学科领域.20世纪80年代以来,由于气动人工肌肉技术的发展,将气动人工肌肉作为机器人的驱动装置越来越受到研究者的注意,具有代表性的是英国Shadow 公司研制的人工肌肉驱动的人工假肢[1].将人工肌肉运用于灵巧手的设计,可以使灵巧手更接近于人手. 在国家自然科学基金资助下,作者对人工肌肉 驱动特性做了大量的研究工作,设计出了气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手,并对气动肌肉手指关节做 了实验. 1　仿人灵巧手驱动的选择 驱动系统是机器人灵巧手的重要组成部分,用以产生运动和力,对系统的性能和操作能力具有决定性的作用.

北京理工大学科技成果——气动人工肌肉在仿生机器人中的应用技术

北京理工大学科技成果——气动人工肌肉在仿生机 器人中的应用技术 成果简介 气动人工肌肉驱动器具有较强的柔性及仿生性，其高功率/质量比的特点使之在仿人机器人技术领域中具有无可比拟的优势。对气动人工肌肉的静、动态特性深入进行了建模与实验研究，进行了气动人工肌肉驱动的关节特性分析及位置控制研究。 分别研制出气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手，以及十四自由度双臂机器人，通过简单的材料制作出性能优异的气动人工肌肉，辅之模糊自适应控制、协调控制等高精度气动伺服控制技术，实现了灵巧手基于数据手套的主从抓持操作、机械臂自动驾驶方向盘等动作。该研究为气动人工肌肉的广泛应用奠定了坚实的理论与工程基础。 气动人工肌肉（左）和仿人灵巧手（右） 项目来源国家自然科学基金项目 技术领域新型驱动器，仿人机器人 应用范围低成本研究性仿人机器人；医疗护理性机器人；家政服务型机器人；空间探索性抓持器。

技术特点 以仿人五指灵巧手骨架为核心，气动人工肌肉驱动，柔索传动。由一对肌肉驱动一个手指关节，高响应压电比例阀控制气动人工肌肉的内部压力，从而改变肌肉的收缩长度及输出力，最终控制关节角度的变化。采用模糊PID对单关节进行控制，关节空间的轨迹规划来自人手佩戴的数据手套的反馈信息，由此构成实时主从控制效果。灵巧手的外观具有很好的仿人性，亲和力较强，在主从控制下可以完成各种手势运动及简单的抓持操作。 双臂机器人采用对称式结构设计，每个手臂均具有七个自由度，其中肩关节有三个自由度，肘关节有两个自由度，腕关节亦有两个自由度。单臂控制器由带重力补偿器和摩擦力补偿器的模糊自适应PID 控制，最大的跟踪误差小于0.08rad。双臂协调控制，即在双臂控制回路之间插入动态模糊协调控制器，通过对比双臂对应关节的角位移误差大小，按一定模糊规则对各控制量进行补偿。 双臂机器人 技术创新 低成本气动人工肌肉的研制，十七自由度仿人灵巧手的研制，十

基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真

基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真

南京工程学院 毕业设计说明书(论文) 作者：刘卫学号：201110815 系部：机械工程学院 专业：机械电子工程 题目：基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动 力学仿真 指导者：闫华副教授 评阅者： 2015 年 5 月南京

毕业设计说明书（论文）中文摘要 由于气动人工肌肉比重小、结构紧凑，占用空间小等优点，本文提出一种曲柄滑块机构来驱动手指弯曲，让气动人工肌肉驱动滑块运动，首先设计气动肌肉手指关节结构，并用SolidWorks绘制手指的三维图，利用ADAMS和MATLAB 进行动力学联合仿真，在手指端设置一定的负载，输入手指三个关节的直线驱动，观察手指末端的角速度变化和三个驱动力的变化，最后根据气动肌肉的驱动原理进行了气动肌肉灵巧手关节运动的控制研究，利用比例压力阀对气动肌肉压力进行控制，使气动肌肉横向收缩带动滑动移动，从而实现对手指关节弯曲角度的控制。 关键词：仿人灵巧手；关节设计；气动肌肉；动力学仿真

毕业设计说明书（论文）外文摘要

目录 前言 (1) 第一章绪论 (2) 1.1课题项目的背景 (2) 1.2气动人工肌肉多关节手指的国内外发展现状 (2) 1.3气动技术的介绍以及发展前景 (4) 1.4论文研究的内容和方法 (6) 第二章多关节手指的结构设计及建模 (7) 2.1 气动肌肉的介绍 (7) 2.1.1 气动肌肉的内部结构 (7) 2.2 气动机械手指的基本结构 (9) 2.2.1 绘图软件SoildWorks介绍 (9) 2.2.2 整体设计方案的设计 (9) 2.2.3 手指的关节设计 (10) 2.2.4手指关节的建模 (13) 2.3 灵巧手指的装配和三维模型的导出 (15) 第三章多关节手指的动力学仿真分析 (16) 3.1仿真软件ADAMS和MATLAB简介 (16) 3.2 动力学仿真过程介绍 (18) 3.2.1 ADAMS参数设置过程 (18) 3.2.2 建立MATLAB控制模型 (27) 3.3 动力学仿真结果分析以及结论 (29) 第四章气动肌肉灵巧手指的控制系统设计 (31) 4.1气动肌肉回路原理和设计 (31) 4.1.1气动回路器件的选择 (32) 4.2灵巧手指的关节控制系统 (34) 4.2.1控制系统的原理 (34)