气动人工肌肉驱动器在六足步行机器人中的应用

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1、维普资讯http://www.cqvip.com技术与明《机薯人技7Ic与应用》气动人工肌一疆动矗在穴足步行机器人中的应用口范伟彭光正宁汝新柴森春北京理工大学SMC气动中心【摘要】本文介绍了应用一种新型的气动人工肌肉驱动器实现的六足步行机器人，包括机械设计、步态规划和控制系统设计，以此介绍气动人工肌肉驱动器的在行走机器人方面的应用【关锄司】气动人工肌肉驱动器；六足步行机器人【Abstract]Awalking-robotwithhexadlegsis!siIedwithpneumaticmuscleact

2、uatorsinthispaper，includingitspacelayout，mechanicalanddecavnicalstructla'es．Itintroducestheapplicationofpneumaticmuscleactuatorsinthewalking—robotfield．【Keywords]Pneumaticmuscleactuator，Walking—robotwithhexadlegs署I■线性动态系统。稳定性是多足步行系统的最重要也是气动人工肌肉驱动器(Pneumat

3、icMuscleActuator，最复杂的问题。步行系统有两种方式实现步行：静步简称)作为一种新型的气动机器人驱动器，以其行和动步行。静步行是指系统在步行过程中始终满足简单的设计和独特的仿生性使其一诞生就受到人们静力学平衡条件，即系统的重心总是落在支撑于地面的关注。50年代美国人J．L．Mckibben最早发明了这的脚围成的面积内；动步行则是指步行过程中系统重种PMA，它由内层的橡胶管(图1(a))和外层的纤维心不总是落在支撑于地面的脚围成的面积内，有时重编织层(图Kb))构成，两端用金属挟箍密封，外形如

4、心落在对应的面积外，动步行系统恰恰利用重心超出图1(c)示。当向其内部送人压缩空气，随着内部压力面积外而向前倾倒的分力作为步行的动力，因此步行上升，橡胶管沿径向膨胀，再通过纤维的传力作用变系统的动步行必须时刻满足动力学平衡条件。实现动径向膨胀力为沿轴向的收缩力。步行将涉及测算系统的动力学特性、求解大量运动方PMA的结构简单、紧凑，价格低廉，安装简便，高程及使用复杂的控制过程，这也是步行系统的最为困难和的输出力／fl重比，节能，可用于防爆等危险场合等特复杂的问题。本文出于简化目的，采用稳定性较强的静步性使得

5、它成为非常适合于行走机构的驱动器。国外已行和简单易行的六足步行的形式。有这种应用先例【l】，本文设计了一种应用PMA实现1．2运动关节设计的六足步行机器人，其可能应用于地震或爆炸后在危由于PMA只能输出收缩力，所以在应用PMA时楼中寻找幸存者，以及在有易燃易爆气体的矿藏中勘通常成对地使用，其驱动力靠相互抗衡的一对PMA探等，有很高的实用性。的压力差产生，不用减速和传动机构，可以直接驱动。1．．_l人Z■一●穴足步行机■人的本文采用两对正交的PMA驱动六足步行机器人的脚，机柚通过分别控制某一支PMA的气压实

6、现机器人的运动1．1步行系统的稳定性分析支脚绕着与机架连接的三自由度球轴承的抬起、落多足步行系统是一个极其复杂的多变量时变非下、前摆、后摆四个动作，由PMA实现的步行机器人运动关节示意如图2所(a)示。本文选用了24支图1PMA(英国Shadow机器人公司生产)英国Shadow·40·2O03年簟1囊维普资讯http://www.cqvip.com技术与童月《机暑人技术与应用》如前所述，本文的步行机器人采用的是六足静步行方式。我们将其六⋯只脚分为A、B两组，每组三只并呈三角形分布，每个动作两组分别同时运动

7、，行进过程中，至少图2步行机器人的运动关节不意图有一组脚支撑地面，从而⋯机器人公司生产的直径为6ram的PMA，它重约log，保证机器人行走时能无压自然状态下长度为90ram，无压受拉时最长110够平稳支撑，机器人前进ⅡⅡn，在最大工作压力0．6~_Va下，最大收缩至80mm，一步的具体运动顺序如产生的最大收缩拉力达70N。图4所示。1．3总体结构设计(1)Ai、Bi(i=1，2，机器人机架选用铝合金框架，六只脚双列均匀地3)抓紧地面，即六只脚(3)安装在机体上，图3是本文介绍的六足步行机器人的全部落下。

8、实物图。在实际组装机器人时，有以下注意事项：(2)A抬起并前(1)保证两对PMA沿水平和垂直方向正交。为摆，B保持上一状态。一㈤叫、一移一D的一后黼(3)A；落下，B仍然保持上一状态。(4)Ai保持上一状(4))态，B；抬起并前摆。(5)A；仍然保持上一状态，B落下。了减轻重量，每只运动支脚的长度有限，所以在临近末端朝地面方向设计了一定的斜角(见图3)，如果安装时两对不能沿水平和垂直方向正交布置，机器人在行进过程中很可能会“蹩