氣動技術(shù)與構(gòu)型組合在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

姜飛龍，劉昊，柳民，柴大霞，胡月明，曹堅(jiān)，李心雨

(1.嘉興學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江嘉興 313004；2.浙江大學(xué)流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310027; 3.浙江興土橋梁臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，浙江嘉興 314006；4.脈通醫(yī)療科技(嘉興)有限公司，浙江嘉興 314006)

0 前言

隨著“中國制造2025”的提出, 機(jī)器人取代人類, 無人工廠、智慧工廠、無人車間將是未來的發(fā)展趨勢。根據(jù)機(jī)器人的動力來源，可以將其分為電機(jī)機(jī)器人、液壓機(jī)器人、氣壓機(jī)器人。電機(jī)機(jī)器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，國內(nèi)、外研究人員主要集中于各種非線性控制策略以提高其控制精度[1-4]。由于液壓具有輸出力矩大的優(yōu)點(diǎn)[5-6]，氣動肌肉具有較好的柔順性、高的功率/質(zhì)量比的優(yōu)點(diǎn)均被用于機(jī)器人。由于氣動肌肉僅能提供拉力，所以常常成組使用以拮抗肌的形式驅(qū)動關(guān)節(jié)[7-9]。雖然國外一些學(xué)者從分析人體肌肉的結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)類人肌肉分布的關(guān)節(jié)，但這些構(gòu)型由于氣動肌肉連接、分布問題，并不能有效精確建模和伺服控制[10-12]。并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有精度高、剛度大、位置反解容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人。氣動肌肉與并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)合的機(jī)器人是一種較好的研究思路[13-15]，但大部分僅僅局限于單層并聯(lián)構(gòu)型伺服控制研究，并不能實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)的伺服控制。為解決此問題，本文作者從基本的構(gòu)型設(shè)計(jì)出發(fā)，逐漸推廣到仿人關(guān)節(jié)、機(jī)器人關(guān)節(jié)，為氣動機(jī)器人的建模、伺服控制提供思路。

1 基本構(gòu)型的仿生關(guān)節(jié)

肌肉分類有按照所處的位置、肌肉功能、肌頭數(shù)目等分類方式。按照肌肉所處的部位分為四肢肌、頭肌、軀干肌、頸肌; 按照肌肉的功能分為:展肌、收肌、伸肌、屈肌、旋肌; 按照肌肉近側(cè)端的肌頭數(shù)目分為:二頭肌、三頭肌、四頭肌。

肌肉的形態(tài)多樣，按照外形大致分為長肌、短肌、扁肌和輪匝肌;其中長肌收縮明顯, 運(yùn)動幅度較大, 而短肌具有節(jié)段性, 運(yùn)動幅度較小; 錯綜復(fù)雜的長肌和短肌協(xié)調(diào)驅(qū)動人的上肢、頸、腰、下肢運(yùn)動。按照肌肉與關(guān)節(jié)連接時(shí)，跨過所連接關(guān)節(jié)的數(shù)量可以分為單關(guān)節(jié)肌和多關(guān)節(jié)??；單關(guān)節(jié)肌僅作用于一個關(guān)節(jié)，多關(guān)節(jié)肌跨過兩個或兩個以上的關(guān)節(jié)。

結(jié)合長肌、短肌、單關(guān)節(jié)肌和多關(guān)節(jié)肌，設(shè)計(jì)包括短肌、單關(guān)節(jié)肌形式的上端氣動肌肉和下端氣動肌肉，以及長肌多關(guān)節(jié)肌形式的多關(guān)節(jié)氣動肌肉。為了方便建模，上端氣動肌肉、下端氣動肌肉均勻分布在中間平臺，并且多關(guān)節(jié)氣動肌肉均勻分布在下端氣動肌肉外側(cè)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)需要調(diào)整各氣動肌肉的位置，即為圖1(a)中的基于肌肉混聯(lián)的基本仿生關(guān)節(jié)。為研究不同層之間的肌肉交叉分布，圖1(b)中的基于肌肉交叉的基本仿生關(guān)節(jié)，第一層氣動肌肉與第二層氣動肌肉、第二層氣動肌肉與第三層氣動肌肉相互交叉，各層肌肉之間通過運(yùn)動平臺、支撐桿、固定平臺連接。由于氣動肌肉僅能夠收縮提供拉力，不能夠像氣缸那樣既可以收縮提供拉力又可以伸出提供推力，但是可把氣缸等效為具有柔性的氣動肌肉與具有剛度的桿并聯(lián)，因此圖1(c)中的基于肌肉與氣缸混聯(lián)的基本仿生關(guān)節(jié)與圖1(a)中的下端氣動肌肉在圓周上轉(zhuǎn)動60°角度效果一致，但是多了一個豎直方向的移動自由度。圖1(d)中基于肌肉與氣缸浮動的基本仿生關(guān)節(jié)則可以認(rèn)為是圖1(c)的進(jìn)一步變型，由于氣動肌肉僅提供拉力的特性，因此下端氣缸變換為氣動肌肉與桿組合。

圖1 基于氣動的基本仿生關(guān)節(jié)

2 基于氣動肌肉的仿人關(guān)節(jié)

目前氣動肌肉仿生機(jī)器人精確建模[10-12]局限于氣動肌肉與人體骨骼的連接與機(jī)構(gòu)簡化，類人型短小氣動肌肉末端沒有用于固定同軸拉線式傳感器的部件，同時(shí)氣動肌肉與關(guān)節(jié)的連接沒有任何規(guī)律可言，本文作者提出采用THK公司的球鉸與FESTO公司的DMSP系列氣動肌肉做成一體的解決方案，肌肉的長度根據(jù)設(shè)計(jì)需要定制，既解決了氣動肌肉精確可靠安裝的問題，又可以利用氣動肌肉兩端的鋁合金外套安裝拉線式位移傳感器；同時(shí)將關(guān)節(jié)的氣動肌肉簡化為柔性冗余串、并、混聯(lián)關(guān)節(jié)。

如圖2(a)所示的基于肌肉的仿人脖子關(guān)節(jié)中，肋骨之間由椎骨連接固定，斜方肌、胸鎖乳突肌、頸闊肌、肩胛舌骨肌、胸骨舌骨肌兩端分別與肋骨、頭骨連接，關(guān)節(jié)可以簡化為柔性冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)，豎脊肌兩端與骨盆、頭骨連接，作為多關(guān)節(jié)肌肉，與上述單關(guān)節(jié)柔性冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)一并作為動力元件。圖2(b)所示的基于肌肉的仿人上肢關(guān)節(jié)中，小圓肌、岡下肌、肩胛下肌、三角肌、岡上肌為起始于肋骨、終止于肱骨，驅(qū)動肩關(guān)節(jié)的柔性冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)；腕關(guān)節(jié)則包含肱橈肌、旋后肌、旋前圓肌、腕關(guān)節(jié)橈側(cè)長伸肌、掌長肌、腕關(guān)節(jié)尺側(cè)伸肌、腕關(guān)節(jié)橈側(cè)短伸肌、橈側(cè)腕屈肌。肱二頭肌、啄肱肌、肱三頭肌、肱肌為多關(guān)節(jié)肌肉，同時(shí)連接肋骨、尺骨并且驅(qū)動肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)。同樣可設(shè)計(jì)仿人下肢，其中梨狀肌、髂腰肌、閉孔內(nèi)肌作用于髖關(guān)節(jié)，股外側(cè)肌、前群、小腿三頭肌驅(qū)動踝關(guān)節(jié)，股直肌、股薄肌、腘繩肌、股二頭肌為驅(qū)動髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的多關(guān)節(jié)肌肉。

圖2 基于氣動肌肉仿人關(guān)節(jié)(一)

在圖3(a)所示的基于肌肉的仿人腰關(guān)節(jié)中，豎脊肌、背闊肌、腹外斜肌、腹直肌，構(gòu)成起始于骨盆、終止于3層不同肋骨的3組柔性冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)。圖3(b)所示的基于肌肉的仿人嘴關(guān)節(jié)中，繼發(fā)腭與下頜骨直接用氣動肌肉連接，考慮到氣動肌肉的實(shí)際收縮量、驅(qū)動關(guān)節(jié)運(yùn)動的范圍，采用鋁合金搭建框架，顳肌、顴肌、上唇方肌與繼發(fā)腭連接，頰肌、咬肌、三角肌、下唇方肌與下頜骨連接，這樣保證繼發(fā)腭與下頜骨由顳肌、顴肌、上唇方肌、頰肌、咬肌、三角肌、下唇方肌驅(qū)動實(shí)現(xiàn)相對運(yùn)動。

圖3 基于氣動肌肉仿人關(guān)節(jié)(二)

3 基于氣動肌肉的關(guān)節(jié)機(jī)器人

圖4(a)所示的基于多組變長度肌肉交叉的關(guān)節(jié)機(jī)器人，骨盆與胸骨之間布置一組長氣動肌肉肌群于中間，骨盆與胸骨之間兩組長氣動肌肉肌群左、右布置。距離較遠(yuǎn)的肋骨之間由中氣動肌肉肌群連接且左、右兩側(cè)布置，距離較近的肋骨之間用短氣動肌肉肌群連接。髖關(guān)節(jié)氣動肌肉兩端分別與股骨、骨盆連接驅(qū)動髖關(guān)節(jié)；髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)氣動肌肉則兩端分別與腓骨、骨盆連接，同時(shí)驅(qū)動髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)；膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)氣動肌肉兩端分別與股骨、腳連接，同時(shí)驅(qū)動膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)。圖4(b)所示的基于多組肌肉內(nèi)外分布的關(guān)節(jié)機(jī)器人與圖4(a)所示的不同，多組長氣動肌肉集中分布在中間的左、右、中，肋骨之間沒有短氣動肌肉，僅僅在最左端、最右端分別有一組中氣動肌肉。

圖4 基于氣動肌肉的關(guān)節(jié)機(jī)器人(一)

圖5(a)所示的基于多組多層肌肉內(nèi)外驅(qū)動的關(guān)節(jié)機(jī)器人中，骨盆與胸骨之間為多組長氣動肌肉左、右、中連接，肋骨之間用中氣動肌肉連接，胸骨與肋骨、肋骨與骨盆之間為短氣動肌肉連接。圖4、圖5(a)中所示的腰關(guān)節(jié)、下肢的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)均為柔性冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)。圖5(b)所示的基于肌肉肌群拮抗的關(guān)節(jié)機(jī)器人，采用多根氣動肌肉構(gòu)建氣動肌肉肌群組成拮抗肌，用于肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)；腰關(guān)節(jié)則由腰關(guān)節(jié)氣動肌肉一、腰關(guān)節(jié)氣動肌肉二、腰關(guān)節(jié)氣動肌肉三相互交叉串聯(lián)而成。

圖5 基于氣動肌肉的關(guān)節(jié)機(jī)器人(二)

4 基于氣缸的關(guān)節(jié)機(jī)器人

圖6(a)所示的基于多長度氣缸混聯(lián)的關(guān)節(jié)機(jī)器人，由于氣缸可以提供拉力或者推力，采用多種長度的氣缸并聯(lián)或者一組氣缸即可驅(qū)動上肢、下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動。圖6(b)所示的基于氣缸串聯(lián)與混聯(lián)的關(guān)節(jié)機(jī)器人，上肢和下肢分別采用擺動氣缸串聯(lián)、并聯(lián)氣缸串聯(lián)，腰關(guān)節(jié)采用并聯(lián)氣缸交叉。圖6(c)所示的基于多氣缸驅(qū)動單關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)機(jī)器人，多組踝關(guān)節(jié)氣缸分別與腓骨、腳兩段連接；支撐氣缸在中間支撐帶輪，拮抗氣缸則驅(qū)動皮帶帶動帶輪轉(zhuǎn)動；腕關(guān)節(jié)氣缸與帶輪共同驅(qū)動連接板。

圖6 基于氣缸的關(guān)節(jié)機(jī)器人(一)

圖7(a)所示的基于多長度氣缸內(nèi)外驅(qū)動的關(guān)節(jié)機(jī)器人，股骨、腓骨內(nèi)部鏤空部分分別安裝1根短氣缸與3根膝關(guān)節(jié)長氣缸并聯(lián)、3根踝關(guān)節(jié)長氣缸并聯(lián)組合，分別作用于膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)；髖關(guān)節(jié)則采用并聯(lián)氣缸與一對氣缸組合保證各方向的移動和轉(zhuǎn)動。圖7(b)所示的基于多方向氣缸的關(guān)節(jié)機(jī)器人，8根髖關(guān)節(jié)氣缸在多個方向并聯(lián)和多對氣缸混合驅(qū)動髖關(guān)節(jié)；多組彈簧與腰關(guān)節(jié)氣動肌肉同軸構(gòu)成剛?cè)峄旌喜⒙?lián)機(jī)構(gòu)，踝關(guān)節(jié)多組氣缸既可以作為中間支撐元件，又可以作為執(zhí)行元件。圖7(c)所示的基于雙下肢互相作用與多氣缸的關(guān)節(jié)機(jī)器人，髖關(guān)節(jié)兩個支腿的髖關(guān)節(jié)氣缸相互作用，踝關(guān)節(jié)氣缸、踝關(guān)節(jié)與腳氣缸串并聯(lián)，之后又與腳關(guān)節(jié)氣缸并聯(lián)。

圖7 基于氣缸的關(guān)節(jié)機(jī)器人(二)

5 基于氣動肌肉與氣缸的關(guān)節(jié)機(jī)器人

圖8(a) 所示的基于薄壁氣缸與短肌肉混合的關(guān)節(jié)機(jī)器人，腰關(guān)節(jié)氣動肌肉在四周作為執(zhí)行元件，薄壁氣缸在中間實(shí)現(xiàn)小距離的直線運(yùn)動；髖關(guān)節(jié)氣缸、髖關(guān)節(jié)氣動馬達(dá)共同作用于髖關(guān)節(jié)的萬向節(jié)結(jié)構(gòu)，踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)類似。圖8(b)所示的基于肌肉、氣缸冗余的關(guān)節(jié)機(jī)器人，腰關(guān)節(jié)氣動肌肉并聯(lián)，同時(shí)單邊連接同時(shí)又左右交叉；髖關(guān)節(jié)氣動馬達(dá)、膝關(guān)節(jié)氣動馬達(dá)、踝關(guān)節(jié)氣動馬達(dá)與平行四邊形結(jié)構(gòu)組合構(gòu)建下肢。圖9(a)所示的基于短氣缸、長肌肉的關(guān)節(jié)機(jī)器人，髖關(guān)節(jié)氣缸、膝關(guān)節(jié)氣缸作為剛性元件起到支撐作用，與髖關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)氣動肌肉結(jié)合；踝關(guān)節(jié)氣缸(短氣缸)、膝關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)氣缸(長氣缸)、膝關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)氣動肌肉共同作用小腿運(yùn)動。圖9(b)所示的基于直線氣缸、擺動氣缸的關(guān)節(jié)機(jī)器人，直線氣缸與桿結(jié)構(gòu)結(jié)合，與一對直線氣缸組合驅(qū)動膝關(guān)節(jié)。

圖8 基于氣動肌肉與氣缸的關(guān)節(jié)機(jī)器人(一)

圖9 基于氣動肌肉與氣缸的關(guān)節(jié)機(jī)器人(二)

6 結(jié)論

(1)通過對人體肌肉的分布分析，結(jié)合機(jī)械機(jī)構(gòu)學(xué)，由于氣動肌肉僅提供拉力，設(shè)計(jì)基于氣動肌肉的柔性冗余串、并、混聯(lián)機(jī)器人關(guān)節(jié)；人體肌肉有長短之分，設(shè)計(jì)空間單關(guān)節(jié)、多關(guān)節(jié)氣動肌肉混聯(lián)的機(jī)器人關(guān)節(jié)。

(2)氣動肌肉和氣缸作為執(zhí)行元件，可以與機(jī)械機(jī)構(gòu)學(xué)的齒輪、桿結(jié)構(gòu)、蝸輪蝸桿結(jié)合，構(gòu)成機(jī)器人關(guān)節(jié)。氣缸可以提供推力或拉力，可以設(shè)計(jì)并聯(lián)聯(lián)機(jī)器人關(guān)節(jié)；也可以設(shè)計(jì)氣動肌肉與氣缸混聯(lián)的機(jī)器人關(guān)節(jié)。由于篇幅有限，僅介紹每個機(jī)器人相對于其他機(jī)器人的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新之處。