氣動人工肌肉及其在雙足機(jī)器人中的應(yīng)用課件

氣動人工肌肉

及其在雙足機(jī)器人中的應(yīng)用

2012.4主要內(nèi)容仿肌肉驅(qū)動器概述氣動人工肌肉介紹PAM在雙足步行機(jī)器人中的應(yīng)用總結(jié)及發(fā)展趨勢1、仿肌肉驅(qū)動器概述

機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)等部分組成。對于仿生機(jī)器人的驅(qū)動，電機(jī)、氣缸和液壓等常見驅(qū)動器，雖然可以實現(xiàn)仿生機(jī)器人的運動，但存在諸多弊端，也制約著仿生機(jī)器人的發(fā)展。目前，機(jī)器人已由單一的工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展到太空探索、海洋開發(fā)、軍事和反恐等領(lǐng)域。人們對于機(jī)器人的性能提出了更高的要求，驅(qū)動作為機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分也面臨著重大挑戰(zhàn)，尤其是仿生機(jī)器人中的應(yīng)用。驅(qū)動裝置按照所使用的驅(qū)動器一般分為：電機(jī)驅(qū)動裝置、氣壓驅(qū)動裝置以及液壓驅(qū)動裝置。1.1常見驅(qū)動裝置比較驅(qū)動方式優(yōu)點缺點電機(jī)驅(qū)動便于控制，實現(xiàn)精確的位置和速度；信號便于處理；配線容易；清潔，無噪聲，價格較低。力矩/質(zhì)量比較低，需使用減速器獲得低速大力矩，減速器的使用附加控制問題；容易產(chǎn)生電火花，在應(yīng)用上受到限制。氣壓驅(qū)動成本較低，可靠性高，易于維護(hù)，無污染。難于準(zhǔn)確控制速度和位置，出力小，有噪聲，易銹蝕等。一般用于控制要求不高、驅(qū)動力要求不大、成本低的產(chǎn)品。液壓驅(qū)動力矩/質(zhì)量比較高，驅(qū)動器體積小質(zhì)量輕可輸出較大的驅(qū)動力；剛度大。需配備液壓動力源設(shè)備，內(nèi)部漏油及油溫影響驅(qū)動特性；管理、維修技術(shù)要求高；一次性投資較高等。目前液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用于大型機(jī)械的驅(qū)動。表：常見驅(qū)動方式優(yōu)缺點比較

正是由于現(xiàn)有驅(qū)動裝置存在上述的種種弊端，科研人員一直沒有停止研制新型驅(qū)動器的研究工作，以克服現(xiàn)有驅(qū)動裝置的種種弊端。對于仿生機(jī)器人的驅(qū)動：1．電機(jī)、氣缸的剛性較大，不能良好的模擬生物的柔性運動；2．電機(jī)需要齒輪等傳動裝置將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)為直線運動，裝置較多，效率降低；氣缸的工作狀態(tài)有限；液壓驅(qū)動器的體積過大；3．仿生機(jī)器人的未來發(fā)展方向是微小型化，對于驅(qū)動器的要求也必然是微小化，而電機(jī)、氣缸和液壓驅(qū)動器則難以達(dá)到這一要求；1.2生物肌肉的組成

人體全身有639塊骨骼肌，眾多肌束，約60億條呈圓柱形的肌纖維組成。每塊肌肉表面由稱作“肌包膜”的結(jié)締組織包裹著。肌肉內(nèi)分布著血管和神經(jīng)，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)肌肉的收縮和舒張。

圖

生物肌肉的結(jié)構(gòu)圖骨骼肌對研制人工肌肉的幾點啟發(fā)：

1．肌肉直接驅(qū)動骨骼運動，不需要減速裝置和傳動元件，故傳動簡單，慣量小，工作輕便靈活；2．肌肉屬于單向力裝置，運動形式是直線往復(fù)式，肌肉總是處于部分收縮狀態(tài)以具有一定的承載能力，并有利于從“松弛”狀態(tài)向收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)化；3．不存在機(jī)械系統(tǒng)中常見的松弛或遲緩運動，從而可以提高靈活性和效率。

生物的驅(qū)動裝置-骨骼和肌肉，與電機(jī)等驅(qū)動裝置相比較，具有柔韌性好、冗余度高、傳動簡單、力/自重比大、無噪聲等優(yōu)點。而且生物肌肉具有將化學(xué)能等溫高效地直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的特性，其高效率、無噪聲、無污染、體積小、柔性機(jī)構(gòu)分布式直接驅(qū)動及特殊地伺服性能等特點也十分引人注目。成為新型驅(qū)動裝置的一個研究重點。因此，上世紀(jì)60年代起，日本開始研制仿肌肉驅(qū)動器，美國海軍、NASA、DRAPA等機(jī)構(gòu)也紛紛開展仿肌肉驅(qū)動器的研究。1.3仿肌肉驅(qū)動器的分類

現(xiàn)在國內(nèi)外廣泛研究使用的仿肌肉驅(qū)動器一般可以分為材料類、機(jī)械類和生物類。

材料類仿肌肉驅(qū)動器：

模擬動物肌肉收縮產(chǎn)生力的特性，利用材料在不同的外部控制下，如電壓、電流、pH值等，材料內(nèi)部的成分發(fā)生物理變化，產(chǎn)生形變和力。機(jī)械類仿肌肉驅(qū)動器:

不同于材料類仿肌肉驅(qū)動器，機(jī)械類仿肌肉驅(qū)動器都是結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生收縮和力。

生物類仿肌肉驅(qū)動器:

目前尚處于實驗室研制階段，主要是利用動物活體細(xì)胞來充當(dāng)驅(qū)動器。仿肌肉驅(qū)動器材料類形狀記憶合金電致收縮聚合物磁致收縮聚合物壓電陶瓷機(jī)械類氣動人工肌肉電致收縮器磁致收縮器生物類心肌細(xì)胞表仿肌肉驅(qū)動器的分類

雖然仿肌肉驅(qū)動器種類較多，但由于成本、實現(xiàn)難易程度等因素，投入實際應(yīng)用的主要有形狀記憶合金、電致收縮聚合物、壓電陶瓷和氣動人工肌肉四種。表：四種仿肌肉驅(qū)動器與人類骨骼肌的性能比較類型應(yīng)變系數(shù)/(%)響應(yīng)速度能量密度/(W#kg-1)效率/(%)執(zhí)行位移/(%)人類骨骼肌>40Ls~s>10045~50>20SMA>5s>1000>3<8EAP>40Ls~s>5>30>10PZT0.09Ls~s>1000>300.1~0.3PAM>15s>100032~500~30

SMA(ShapeMemoryAlloy)是一種新型的功能材料，具有能量密度較高，結(jié)構(gòu)簡單，集傳感、驅(qū)動和執(zhí)行功能于一體，與生物肌肉極為相似。但是輸出力較小和響應(yīng)頻率較低也成為SMA與動物肌肉最為明顯的差異。EAP(ElectroactivePolymer)的高柔韌性、很高的傳動應(yīng)變和內(nèi)在減震能力等特性與動物肌肉十分相似。但是輸出力較小，只適用于微小型機(jī)械的驅(qū)動。

PZT(PiezoelectricTransducer)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、驅(qū)動力大、位移分辨率高、控制簡單，頻率高等優(yōu)點，其缺點是位移和輸出力較小。2、氣動人工肌肉介紹

早在20世紀(jì)50年代，美國醫(yī)生McKibben

出于幫助手臂有殘疾的人實現(xiàn)肢體矯正目的，發(fā)明了一種驅(qū)動假肢運動的氣動執(zhí)行元件,即McKibben氣動人工肌肉，(PneumaticArtificialMuscle,PAM)。20世紀(jì)60年代開始，電動機(jī)技術(shù)由于不需要龐大的氣源供給裝置以及控制靈活、精度高而迅速取代了氣動肌肉的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)氣動肌肉接近生物肌肉的特性非常適合用于仿生機(jī)器人的執(zhí)行器。同時，隨著BridgeStone、Shadow、FESTO三家公司推出了商品化的氣動肌肉產(chǎn)品，更加促進(jìn)了研究人員對氣動肌肉進(jìn)行新的研究以及開發(fā)氣動肌肉新的應(yīng)用領(lǐng)域。2.1PAM分類

發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)形式的氣動人工肌肉：編織網(wǎng)式氣動人工肌肉、網(wǎng)孔式氣動人工肌肉和嵌入式氣動人工肌肉。其中，Mckibben型氣動人工肌肉是將編織網(wǎng)式與嵌入式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，是當(dāng)前研究和應(yīng)用最廣泛的一種氣動人工肌肉。

Fig.VarioustypesofPAMs:(a)McKibbenMuscle/BraidedMuscle,(b)PleatedMuscle,(c)YarlottNettedMuscle,(d)ROMACMuscleand(e)PaynterHyperboloidMuscle.

2.2PAM基本結(jié)構(gòu)

Mckibben型氣動人工肌肉呈筒狀編織結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部為圓柱狀的橡膠套筒，其外部為雙螺旋線編織的纖維編織層，橡膠套筒和纖維編織層的兩端部與兩端的連接附件相連，兩端附件的功能不僅用于傳力，而且起密封作用。圖

Mckibben型氣動肌肉的結(jié)構(gòu)圖圖FESTO公司研發(fā)的氣動肌肉結(jié)構(gòu)

2.3PAM工作原理當(dāng)對橡膠套筒充氣時，橡膠套筒因彈性變形壓迫外部纖維編織層，由于纖維編織網(wǎng)剛度很大，限制其只能徑向變形，直徑變大，長度縮短。若將氣動人工肌肉與負(fù)載相連，就會產(chǎn)生收縮力；當(dāng)放氣時，氣動人工肌肉彈性回縮，直徑變細(xì)，長度增加，收縮力減小；但是，氣動人工肌肉在無壓狀態(tài)下輸出力為零，無承載能力；圖PMA工作原理示意圖圖PMA在恒定負(fù)載下工作圖PMA在恒定氣壓下工作PMA運動的基本原理可分為兩種情況：1)恒定負(fù)載，氣壓變化情況下工作2)恒定氣壓，負(fù)載變化情況下工作2.4PAM建模及特性分析

氣動人工肌肉驅(qū)動特性的研究實質(zhì)是建立其輸出力F、充氣壓力P以及長度L三者之間的數(shù)學(xué)模型。

但是，氣動人工肌肉的數(shù)學(xué)模型的建立比較困難：氣動人工肌肉主要由橡膠與纖維組成，影響氣動人工肌肉的輸出力與許多參數(shù)有關(guān)，比如橡膠的彈性力、橡膠與纖維編織網(wǎng)的內(nèi)摩擦力、端部圓弧、溫度變化以及加載的重復(fù)次數(shù)等。氣動人工肌肉的傳動介質(zhì)為可壓縮的氣體，其位移和輸出力與充氣壓力以及外負(fù)載等為非線性關(guān)系，這對氣動人工肌肉的精確控制增添了難度。

目前，國內(nèi)眾多外學(xué)者所建立的各種PAM模型，大多是在Chou的理想模型的基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的改進(jìn)模型。

Chou的理想模型

20世紀(jì)90年代，美國的Chou和Hannaford根據(jù)熱力學(xué)第一定律的能量守恒原理，假設(shè)氣動肌肉是工作在理想狀態(tài)下，即氣動肌肉在運動過程中沒有能力損失，建立了氣動人工肌肉的理想模型。（1）氣動人工肌肉無限長；（2）纖維剛度足夠大，氣動人工肌肉的在工作過程中纖維無伸長；（3）忽略橡膠的彈性；（4）忽略橡膠與編織網(wǎng)的摩擦；圖氣動肌肉理想幾何模型參數(shù)說明：b：纖維長度；n：編織纖維的圈數(shù)；θ：氣動人工肌肉編織角；D：加壓前氣動人工肌肉直徑；氣動肌肉長度L：氣動肌肉初始直徑D：由幾何關(guān)系，氣動肌肉體積V：根據(jù)能量守恒原理，壓縮空氣的輸入功完全等于氣動肌肉收縮產(chǎn)生的輸出功，即p：氣動人工肌肉容腔內(nèi)絕對壓力與環(huán)境大氣壓力差；F：為氣動人工肌肉軸向收縮力；(1)研究學(xué)者在Chou理想模型的基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行了修改，即式中：ε氣動人工肌肉的收縮率：A與氣動人工肌肉有關(guān)的常數(shù)：B與氣動人工肌肉有關(guān)的常數(shù)：

基于上述的數(shù)學(xué)模型，研究人員以McKibben型氣動人工肌肉為例進(jìn)行了實驗，對氣動人工肌肉的特性進(jìn)行分析。(2)實驗

McKibben型氣動人工肌肉的參數(shù)：（1）軸向長度為340mm；（2）直徑為2.5mm~2.6mm（徑向形狀誤差0.1mm之內(nèi)）。其中，橡膠套筒具有一定的厚度，外徑為1.3m，內(nèi)徑為0.9mm；（3）纖維編織角為21°；（4）纖維編織層與橡膠套筒的間隙很小，可以忽略不計；圖McKibben型氣動人工肌肉實物圖Fig.Relationshipbetweenpneumaticpressureandcontractionratio從上圖表可以直接看出，氣動人工肌肉驅(qū)動器具有非線性位移、滯后等特性。P=0.5MPa，ΔL=97mm，收縮率ε=97/340=0.29由公式(2)

知，氣動人工肌肉收縮力F一定時，壓力與收縮率成非線性二次關(guān)系。

在收縮力F測量實驗中，固定氣動肌肉驅(qū)動器兩端以保持長度不變，即收縮率ε=0。通過改變充氣壓力，使用測壓表測量收縮力F。Fig.Experimentalsetupforforcemeasurement

Fig.Relationshipbetweenpneumaticpressureandcontractionforce由于PMA驅(qū)動器沒有發(fā)生形變，所以幾乎不存在滯后特性。P=0.5MPa，收縮力F=14.8N由公式(2)可知，收縮率一定時，氣動人工肌肉的收縮力與充氣壓力成正比關(guān)系。ΔF通過大量實驗研究，得出的實驗結(jié)果與理想模型在數(shù)值上存在較大偏差，但趨勢上基本一致，說明理論模型只是較定性地表明氣動肌肉輸出力的影響因素及關(guān)系。在數(shù)值是上出現(xiàn)上述偏差，原因在于理想模型忽略了下列因素：橡膠的彈性力橡膠與纖維編織網(wǎng)的摩擦力端部圓弧多次運動之后溫度的變化系統(tǒng)建模和控制器設(shè)計中，必須基于實驗數(shù)據(jù)對理論公式進(jìn)行定量修正。

Klute首次將橡膠彈性應(yīng)變能的概念引入到氣動肌肉能量守恒方程中，使得氣動肌肉的數(shù)學(xué)模型中加入了橡膠內(nèi)筒的彈性變形項。即：式中：

dV-肌肉橡膠筒內(nèi)部容積的變化；

Vb-肌肉橡膠材料本身所占的體積；

dW-是橡膠應(yīng)變能密度的變化，即單位體積橡膠材料存儲的能量；

在Toudu研究中，他還對Chou的模型方程進(jìn)行了修正，引入了系數(shù)k來說明肌肉末端弧度對其收縮力的影響，即當(dāng)F=0時，最大收縮量PAM模型的發(fā)展3、PAM在雙足步行機(jī)器人中的應(yīng)用氣動人工肌肉是氣動驅(qū)動器的一種，氣動人工肌肉與普通的氣缸不同，它是一種新型的拉伸型氣動執(zhí)行元件。它不僅具有氣壓驅(qū)動器的一些本質(zhì)特征，而且還具有自己獨特的力輸出特性。輸出力/自重比大，10倍于相同直徑氣缸所產(chǎn)生的力，相同直徑氣缸重量的1/8，適合作為運動裝置的驅(qū)動器；較高的動態(tài)特性，由于沒有運動部件，可以實現(xiàn)高速運動(最大可達(dá)500m/s2和3m/s，依賴于壓力、負(fù)載和固定裝置)；定位方便，通過調(diào)節(jié)壓力可輕松實現(xiàn)工況過程中定位；結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，易于小型化；柔性好，不會損害操作對象；工作過程中產(chǎn)生的熱、噪聲等有害物質(zhì)少，且適合惡劣的工作環(huán)境，包括在水下工作；價格低廉，維護(hù)方便；

表McKibben型肌肉與生物肌肉的比較

從科學(xué)研究應(yīng)用角度來看，高功率/重量比和高功率/體積比是氣動肌肉相比較于傳統(tǒng)驅(qū)動器最明顯的優(yōu)點，其次它具有柔性結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能與生物肌肉相似，這使得氣動肌肉在仿生機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)、工業(yè)工程、航空航天等多個領(lǐng)域具有十分良好的應(yīng)用前景。

A.BioroboticApplicationsShadowBipedWalkerApioneeringPAM–actuatedrobothasbeentheShadowBipedWalkerbyShadowRobotCo.,alife–sizehumanoidrobotthathasbeenindevelopmentsince1988.Twenty–eightPAMs(fourteenoneachleg)wereactingacrosstheeightjointsoftherobot,enablingatotaloftwelveDegreesofFreedom(DOF).3.1

氣動人工肌肉的應(yīng)用領(lǐng)域介紹

TheAiric’s"RoboticArm

FestoAG&Co.constructedthe―Airic’s"roboticarm,whichisdepictedinwithartificialbonesandmuscles.Inthisrobotthebonestructurewasmovedvia30PAMswiththeuseofverysmallvalvesbasedonpiezotechnology.

The―”Aquaray”robot

FestoAG&Croducedthe―”Aquaray"robot,aremotelycontrolledfishusingsixPAMsinthreeantagonisticpairsthatmovethetwowingsandthetailwiththehelpofartificialtendons.

B.MedicalApplications

APAM–actuatedisokineticequipmentThedevelopmentofaPAM–actuatedisokineticequipment,designedforrecoveryexercisesofthehipandkneejoints.

AwearablepowerassistglovedrivenbyrubberPAMshasbeendescribed.ThisdevicewasabletoassistthebendingmotionandincreasethegraspingforceofthefingersthroughtheinstallationofcurvedrubberPAMs.C.IndustrialApplications

Atwo–DOFplanarroboticmanipulatorthatassistedinhandlingofheavyloadsandwasactuatedbyPleatedPneumaticArtificialMuscles.

Inthegrippingprocess,thepneumaticartificialmusclewasbeingfittedsufficientlyclosetothecenterofrotationofthefinger,whilethisshortmusclewasbeingadequatetoexecutetheclampingmotion.D.AerospaceApplications

PMAshaveprimarilybeenusedinparachutesystemforsoft-landingandsteeringcontrol.Whiletheparachutesystemisdropping,agroundproximitysensorcontinuallymonitorsthedistancebetweenthegroundandthepayload.WhenthegaspressurizesthePMA,itcontractsstronglyandexertsatensionforcebetweenthesuspensionlinesandthepayload.Toinitiateasteeringmaneuver,thePMAononesideisdeflated.Itslengthiselongatedcausingtheparachutecanopytotilt.3.2

PAM關(guān)節(jié)驅(qū)動方式分析PAM驅(qū)動器可以構(gòu)成多種形式的驅(qū)動關(guān)節(jié)，不需要減速裝置和傳動機(jī)構(gòu)。PAM只能產(chǎn)生收縮力，從根本上講是一種由氣壓控制的具有單向運動特性的直線驅(qū)動器。因此使用PAM驅(qū)動一個類似人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，需要將PAM構(gòu)成對拉機(jī)構(gòu)，才能把PAM的直線運動轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。常見的機(jī)構(gòu)為人工肌肉-彈簧組合結(jié)構(gòu)、一對氣動人工肌肉對拉結(jié)構(gòu)。

圖PAM驅(qū)動關(guān)節(jié)方式的對比第一種驅(qū)動方式采用1根PAM拉1根彈簧驅(qū)動過程中，由于只需要采用1根氣動人工肌肉，較為經(jīng)濟(jì)；只使用1根氣動人工肌肉拉動關(guān)節(jié)時，達(dá)到同樣的旋轉(zhuǎn)角度所需的氣動人工肌肉長度較長，一般為第二種方式中所需氣動人工肌肉長度的兩倍，這就增大了機(jī)構(gòu)的尺寸，降低了整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊性；因為彈簧的可控性差，所以拉動時可能存在抖動問題；此外，由于彈簧只能被拉長，使得關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向性較差；第二種驅(qū)動方式采用2根PAM組成對拉機(jī)構(gòu)

2根PAM通過對拉組成單自由度的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，可以獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩，其原理類似于生物醫(yī)學(xué)中的二頭肌-三頭肌模型。目前，又出現(xiàn)了采用多根PAM并聯(lián)構(gòu)成多自由度平臺，其姿態(tài)由改變氣動肌肉的長度來實現(xiàn)。韓國先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)研究所研制的雙足步行機(jī)器人

基于PAM驅(qū)動的機(jī)器人存在的問題基于PAM驅(qū)動的機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計

3.3PAM在仿雙足步行機(jī)器人中的應(yīng)用實例分析

雙足行走是步行方式中自動化程度最高、最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，因而也一直是仿生機(jī)器人的研究熱點之一。由于雙足步行仿生機(jī)器人的質(zhì)量較大，對應(yīng)的驅(qū)動力也較大。PAM類型仿肌肉驅(qū)動器的輸出力大，使其成為此類機(jī)器人的常用驅(qū)動器。

基于PAM驅(qū)動的機(jī)器人存在的問題？

PAM的尺寸及空間布置PAM最大直徑：Dmax=41mm;2根PAM間的最大距離：smax=70mm，鉸鏈半徑r=35mm；PAM長度L=200mm，ΔL=20%L；

ΔLmax=40mm，偏轉(zhuǎn)角θ＜60°；

通常機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為120°時才能避免行走過程中的障礙，150°時才能實現(xiàn)起坐運動。圖PAM驅(qū)動關(guān)節(jié)基本結(jié)構(gòu)

基于PAM驅(qū)動的機(jī)器人存在的問題？

PAM控制器尺寸大小12個控制閥，總體積約9000cm3。比例減壓閥實現(xiàn)了壓力反饋控制，簡化控制系統(tǒng)設(shè)計，但體積大、成本高、響應(yīng)帶寬受限。采用高速開關(guān)閥替代比例減壓閥，高速開關(guān)閥的閥芯質(zhì)量和行程都很小，因此響應(yīng)速度很快，壓力損失小，便于實時控制，同時制造成本低，適合用于PWM方式控制。圖比例減壓閥尺寸：62mm×117mm×67mm(width×height×depth)基于PAM驅(qū)動的機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計每條腿有6個自由度，髖關(guān)節(jié)3個，膝關(guān)節(jié)1個，踝關(guān)節(jié)2個。因此，機(jī)器人雙腿共有12個自由度。由于PMA的尺寸及結(jié)構(gòu)特點，髖關(guān)節(jié)無法達(dá)到電機(jī)驅(qū)動時的緊湊結(jié)構(gòu)，而是將髖關(guān)節(jié)的3個自由度進(jìn)行分解，如圖所示。Fig.TheDOFofPMR控制系統(tǒng)設(shè)計位置信息由傳感器（編碼器）測定，PMR共配置12個編碼器；主控器通過位置反饋編碼器動態(tài)地控制機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置；由于機(jī)器人在步行過程中，不需要快速移動及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角較小，系統(tǒng)配有1或2個空氣壓縮機(jī)，可提供最大氣壓值為6bar，足以驅(qū)動機(jī)器人運動；圖機(jī)器人控制系統(tǒng)原理框圖

控制算法有待于進(jìn)一步研究！Hesselroth等采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制氣動人工肌肉，通過訓(xùn)練之后，可以達(dá)到較好的跟蹤性能。K.Osuka將氣動人工肌肉線性化后，采用H∞理論設(shè)計了氣動人工肌肉控制器。日本科學(xué)家宇野元雄和則次俊郎對氣動人工肌肉位置控制系統(tǒng)的研究則表明，采用經(jīng)典的P控制器，氣動人工肌肉控制系統(tǒng)也可以獲得較好的控制效果。由于氣動人工肌肉具有非線性及自身的柔性，對其進(jìn)行精確控制比較困難。以上算法大多是基于建立的仿真模型，應(yīng)用于現(xiàn)實中的機(jī)器人系統(tǒng)，仍然存在很大問題。日本大阪大學(xué)研制的雙足步行機(jī)器人

日本大阪大學(xué)的Koh

Hosoda等研制的雙足機(jī)器人，選用McKibben

型PAM作為該雙足機(jī)器人的驅(qū)動器，實現(xiàn)了機(jī)器人的行走、跑、跳三種運動模式，結(jié)構(gòu)簡單。機(jī)構(gòu)設(shè)計氣壓驅(qū)動設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計動態(tài)行走-開關(guān)閥操作方式規(guī)劃動態(tài)跑步-開關(guān)閥操作方式規(guī)劃機(jī)構(gòu)設(shè)計Fig.Mechanicaldesignofa2Dbipedrobotthatcanwalk,jump,andrun:ithas1hipjoint,2kneejoints,and2anklejoints.Allthejointsareantagonisticallydrivenbyelasticpneumaticactuators.機(jī)器人踝關(guān)節(jié)處有4根PAM，分為2組，膝關(guān)節(jié)處各有2根PAM，髖關(guān)節(jié)有2根PAM，總共14根PAM。氣壓驅(qū)動設(shè)計Fig.Apneumaticactuatorandairdesignforthebipedrobot;theactuatoriscontrolledbya3-positionsolenoidvalvewithaclosedcenterposition.控制系統(tǒng)設(shè)計Fig.Configurationofthe2DbipedrobotdrivenbypneumaticactuatorsMckibben型PAM，共需14根PAM，L=0.2m，D=0.04mP=0.7Mpa時F=800N高速開關(guān)閥VQZ1000(SMC)，重量0.84Kg，共需14個高速開關(guān)電磁閥。主控制器采用RenesasTechnology公司生產(chǎn)的H8微處理器芯片，接收和處理傳感器傳送的信號，并控制高速開關(guān)閥的通斷。氣源為兩瓶CO2氣體，每一瓶重量為0.7Kg，氣壓為1.2MPa。機(jī)器人配置的電源質(zhì)量為0.1Kg。在機(jī)器人足部底部安裝有接觸開關(guān)來監(jiān)控機(jī)器人的運動方式。動態(tài)行走-開關(guān)閥操作方式規(guī)劃Fig.Proposedvalveoperationschemefordynamicwalking.Thekneeandankleextensormusclesoftheswinglegarefilledwithacertainamountofairatthecommencementofthewalkingtrial,andarenotoperatedduringtheexperiment.Themusclesofthestancelegarealsonotoperatedaswell.Valveoperationisinitiatedbythetouchsignalfromthesensorembeddedont