幾種典型氣動柔性驅(qū)動器的研究

幾種典型氣動柔性驅(qū)動器的研究

0氣動柔性登記20世紀50年代，該動態(tài)柔性裝置出現(xiàn)。目前，研究領(lǐng)域的名稱較多，如編織帶人工肌肉、空氣肌肉、橡膠彈簧、人工肌肉等。為了簡化表達，充分考慮該裝置的共同特點，這項工作提出了一些問題。用“氣動柔性驅(qū)動器”這一名稱。雖然氣動柔性驅(qū)動器的出現(xiàn)已有半個多世紀,但是氣動柔性驅(qū)動器的種類并不多,國內(nèi)外學者基本上都是針對幾種典型的氣動柔性驅(qū)動器進行研究。機器人柔性多指靈巧手是氣動柔性驅(qū)動器的一個重要應用研究領(lǐng)域,該類靈巧手以氣動柔性驅(qū)動器作為驅(qū)動、執(zhí)行機構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單、功率/重量比大、動作靈活,并且具有相當?shù)娜嵝院瓦m應性,可應用于服務機器人、農(nóng)業(yè)果實采摘機器人、醫(yī)療康復機器人等領(lǐng)域,得到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。本文主要綜述了國內(nèi)外在氣動柔性驅(qū)動器及基于此類驅(qū)動器的靈巧手的研究成果,對目前的研究現(xiàn)狀進行了分析,探討了氣動柔性驅(qū)動器及其靈巧手研究中的若干關(guān)鍵問題。1典型的柔性彈簧槍1.1纖維織造網(wǎng)模型20世紀50年代,美國原子物理學家McKibben設(shè)計出最早的氣動人工肌肉驅(qū)動器,被稱為McKibben型PMA(pneumaticmuscleactuator),如圖1所示。其結(jié)構(gòu)的內(nèi)層為橡膠管,橡膠管外面用纖維編織網(wǎng)套住,兩端用金屬挾箍密封。當向橡膠管內(nèi)腔充入壓縮氣體時,隨著內(nèi)腔氣體壓力上升,橡膠管沿徑向膨脹,膨脹的橡膠管撐起外層纖維編織網(wǎng),使得徑向膨脹力變?yōu)檩S向收縮力,其運動形式酷似生物肌肉。Chou等詳細地研究了McKibben型PMA的靜態(tài)特性。Tsagarakis等、Colbrum等以及國內(nèi)相關(guān)學者也對McKibben型PMA的建模問題進行了研究,用不同方法建立其數(shù)學模型。日本Bridgestone公司生產(chǎn)的Rubbertuator,德國Festo公司生產(chǎn)的FluidicMuscle以及英國Shadow公司生產(chǎn)的ShadowAirMuscle等氣動柔性驅(qū)動器的構(gòu)造原理與McKibben型PMA極其相似,并且其特性也基本相同。1.2fma20世紀80年代,Toshiba公司開發(fā)出三自由度FMA(flexiblemicroactuator),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要部分為硅橡膠制成的橡膠管,橡膠管芯部均勻分布3個氣室,橡膠管外壁的尼龍纖維起加強作用,兩端由兩個端蓋封住,由通氣管從一端分別把橡膠管內(nèi)部的3個氣室與外界相通,圖2中,α為尼龍纖維走向與圓周方向的夾角。當α=0時,FMA具有伸長、偏轉(zhuǎn)、彎曲3個自由度;當α≠0(5°≤α≤20°)時,除了上述三種運動形式外,FMA還可以繞中心軸做旋轉(zhuǎn)運動。Suzumori等基于微元彈性變形理論分析了這種FMA的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。Suzumori等于20世紀90年代提出了沒有加強尼龍纖維的三自由度FMA,并進行了仿真和實驗研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在沒有尼龍纖維加強的情況下,驅(qū)動器在充氣時會有很大的膨脹變形,如圖3所示,這在實際應用中會造成不利的影響。日本岡山大學研制了一種類似于三自由度FMA的氣動柔性驅(qū)動器,稱為抓指。抓指也是由橡膠管和周向的約束纖維構(gòu)成,只是橡膠管內(nèi)部僅有一個氣室,并且在橡膠管一側(cè)多一條約束纖維。1.3可伸部分變形控制Noritsugu等開發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)型氣動柔性驅(qū)動器,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。這種旋轉(zhuǎn)型驅(qū)動器由兩個邊板和中間的可伸縮部分組成,如圖4a所示。這些組成部分皆由硅橡膠制成,其中可伸縮部分厚度為0.5mm,在其內(nèi)部沿徑向設(shè)有加強纖維;兩側(cè)的邊板厚度為3mm,在驅(qū)動器充氣運動過程中,可以保持原狀不變形,在一側(cè)的邊板上連接通氣管,以便控制驅(qū)動器內(nèi)部氣體的進出,如圖4b所示。當向驅(qū)動器內(nèi)部充入壓縮氣體時,邊板由于厚度較大不會變形,加強纖維的作用使得可伸縮部分不會發(fā)生徑向變形,所以整個驅(qū)動器會圍繞其中心軸線發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動,如圖4c所示。由于硅橡膠的黏彈性和嵌在可伸縮部分中加強纖維的作用,驅(qū)動器在充氣過程中存在一定的滯后,對于給定的旋轉(zhuǎn)角度的響應類似于一階滯后系統(tǒng)。1.4動器的設(shè)計德國Karlsruhe計算機科學應用研究中心研制的柔性流體驅(qū)動器如圖5a所示。利用一個氣囊和兩個夾板組成一個關(guān)節(jié)驅(qū)動器,兩個夾板組成一個鉸鏈。充入壓縮氣體(或液體)時氣囊膨脹鼓起,將兩側(cè)的夾板推開一定的角度,實現(xiàn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動動作,如圖5b所示。1.5fpa部分的彈簧剛度浙江工業(yè)大學提出了一種新型的氣動柔性驅(qū)動器,稱之為FPA(flexiblepneumaticactuator),如圖6所示。FPA主要部分是彈性橡膠管,橡膠管壁內(nèi)嵌有螺旋纏繞的彈簧,彈簧限制橡膠管的徑向變形,同時具有加強筋的作用;橡膠管兩端由端蓋和強力膠密封;在一側(cè)的端蓋上連接管接頭,壓縮氣體可以由此進出驅(qū)動器內(nèi)腔。當向FPA內(nèi)腔充入壓縮氣體時,由于彈簧的約束作用,彈性橡膠管只能沿軸向膨脹變形,整個驅(qū)動器表現(xiàn)為軸向伸長;釋放FPA內(nèi)腔的壓縮氣體,由于橡膠管和彈簧的彈性作用,驅(qū)動器恢復到初始狀態(tài)。2mckibcen型pma、旋轉(zhuǎn)型氣動柔性私家車公司的結(jié)構(gòu)特點上述5種氣動柔性驅(qū)動器的原理基本一致,都是以壓縮氣體作為動力源,利用橡膠的彈性,進行適當?shù)募s束以后形成具有特定運動形式的柔性驅(qū)動器。這種類型的驅(qū)動器最大的特點就在于其柔順性,適用于對柔性要求高的場合,如醫(yī)療、服務、農(nóng)業(yè)果實采摘等。但是它們也各有其自身的特點,分析如下:(1)McKibben型PMA的外層纖維編織網(wǎng)與內(nèi)層橡膠管在收縮膨脹過程中存在相對滑動和摩擦,會造成能量損失。相對而言,三自由度FMA、旋轉(zhuǎn)型氣動柔性驅(qū)動器以及FPA這3種驅(qū)動器的加強約束纖維或彈簧都是嵌在橡膠內(nèi)部,所以在運動過程中,沒有相對滑動和摩擦;柔性流體驅(qū)動器的橡膠氣囊中沒有嵌入纖維,所以也不存在相對滑動和摩擦。(2)McKibben型PMA結(jié)構(gòu)相對簡單,制作技術(shù)成熟并已商品化;三自由度FMA結(jié)構(gòu)復雜且尺寸較小,對制造工藝要求非常高,制作成本昂貴;旋轉(zhuǎn)型氣動柔性驅(qū)動器的尺寸小,結(jié)構(gòu)也較為復雜,加工難度高;有關(guān)柔性流體驅(qū)動器的文獻不多,尚處于實驗室研究階段;FPA結(jié)構(gòu)簡單,易加工,普通的橡膠廠和機械廠即可生產(chǎn)。(3)McKibben型PMA在膨脹變形過程中,端部存在弧形的過渡變形,不易于建模和控制;三自由度FMA在充氣彎曲時,壓力高的氣室膨脹,壓力低的氣室變小,如果外壁沒有加強纖維,則壓力高的氣室會嚴重變形,壓力低的氣室也會因被壓迫而變形;既使其外壁有加強纖維的作用,其內(nèi)部三個氣室之間的隔膜也會因為兩側(cè)壓力的不同而發(fā)生變形。所以整個結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,難以建立準確的數(shù)學模型并實行控制;旋轉(zhuǎn)型氣動柔性驅(qū)動器雖然有加強纖維的作用,但是充氣過程中,其外側(cè)也有較大的附加變形,這也給建模帶來一定困難;柔性流體驅(qū)動器的氣囊完全由橡膠制成,充氣時氣囊在兩側(cè)夾板之間自由膨脹,驅(qū)動器在不同角度時,氣囊與夾板的接觸面積不同,文獻給出了該驅(qū)動器的數(shù)學模型,并進行了實驗驗證,實驗結(jié)果與理論模型曲線基本吻合;FPA由于內(nèi)嵌彈簧的作用,在充氣過程中不存在附加變形,但是彈簧的存在給FPA橡膠管彈性模量的測算帶來一定誤差。(4)McKibben型PMA、旋轉(zhuǎn)型氣動柔性驅(qū)動器和三自由度FMA都用纖維對橡膠的變形進行約束,但是纖維的柔性使得這種約束效果不是很理想。雖然旋轉(zhuǎn)型氣動柔性驅(qū)動器的徑向和垂直方向有加強纖維,但是依然有少量的附加變形;柔性流體驅(qū)動器不用約束纖維,充分利用氣囊的柔性和彈性,但是驅(qū)動器的剛性較差;FPA由于采用彈簧進行加強和約束,有效地避免了FPA的徑向變形。(5)McKibben型PMA的纖維編織網(wǎng)容易受到破壞,一旦破壞,內(nèi)部的橡膠管會沖破編織網(wǎng),甚至爆破,其他幾種驅(qū)動器不存在這個問題;但是這5種驅(qū)動器都是利用橡膠材料制成,橡膠的老化和疲勞破損是不可避免的。3柔性多維手的研究多指靈巧手從結(jié)構(gòu)和功能上模仿人手,可以實現(xiàn)對不同形狀和大小物體的靈巧操作和精確的力控制,因此具有解決一些復雜作業(yè)問題的可能性。國內(nèi)外科研機構(gòu)已經(jīng)研制出多種多指靈巧手,其中以電機驅(qū)動、腱傳動的剛性機械手居多,像人手一樣具有柔順性的多指手還處于研究的起步階段。基于氣動柔性驅(qū)動器的柔性多指靈巧手具有剛性機械手所難以達到的柔順性、適應性、安全性和靈活性,是靈巧手研究的一個新方向。目前已研制出幾種柔性多指靈巧手。3.1接枝球、剛性球以及柔性高爾夫球場Noritsugu等應用旋轉(zhuǎn)型氣動柔性驅(qū)動器設(shè)計了一種三指柔性手爪,如圖7所示。它可以抓取剛性球、剛性立方體以及柔性球體。這種三指手爪主要依靠作為關(guān)節(jié)的三個驅(qū)動器產(chǎn)生動作,所以手指的開度由其結(jié)構(gòu)決定,張開、抓取的幅度相對較小,且其指節(jié)部分沒有柔性,所以柔順性相對較差,但是整個手爪只需控制三個旋轉(zhuǎn)型驅(qū)動器,易于控制。3.2多元含皮爾亞設(shè)計的柔性手加快機械組織Suzumori等利用他們開發(fā)的三自由度FMA設(shè)計制作了四指柔性手爪,如圖8所示。它可以實現(xiàn)抓取、移動物體和擰螺釘?shù)葎幼鳌anaka等以類似于三自由度FMA的驅(qū)動器設(shè)計了更多手指的柔性手爪,如圖9所示。這兩種多指柔性手爪的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)的功能類似,但也各有特點。四指手由三自由度FMA構(gòu)成,故其4個手指可以任意彎曲、偏轉(zhuǎn),手指的開度可以很大,動作也靈活,可以抓取各種形狀的物體,但是控制復雜;多指手爪采用了更多的柔性驅(qū)動器作為手指,所以柔順性和抓取的穩(wěn)定性更好,只是控制也較為復雜。3.3柔性離子手的使用德國Karlsruhe計算機科學應用研究中心利用他們自己研制的柔性流體驅(qū)動器設(shè)計了超輕擬人手,如圖10所示。該靈巧手有5個手指,每個手指中有三個柔性流體驅(qū)動器,構(gòu)成三個彎曲關(guān)節(jié);在每個彎曲關(guān)節(jié)處安裝角度傳感器,在各指節(jié)中部安裝觸覺傳感器。超輕擬人手是柔性的多指靈巧手,不但具有人手的外形,而且其柔順性、功能都接近人手,可以進行細長物體抓取、球體抓取、圓柱體抓取、三指抓取以及單根手指獨立運動等動作。用壓縮氣體作為驅(qū)動力,不需要電機、減速、傳動等機械結(jié)構(gòu),大大減輕了整個擬人手的重量,每個手指質(zhì)量小于20g。3.4東南角神經(jīng)手術(shù)英國Shadow公司基于空氣肌肉研制出了一種機械手,如圖11所示。它的手掌是盒狀的,手腕有兩個關(guān)節(jié)。臂部由數(shù)根PMA組成,這些PMA通過掌部和手指關(guān)節(jié)內(nèi)的腱驅(qū)動整個手掌和各個手指,手上有64個傳感通道。在Shadow機械手的基礎(chǔ)上,Shadow公司研制了Shadow靈巧手,如圖12所示。該靈巧手完全模擬具有25個自由度的人手,由36根空氣肌肉組成前臂,仍然采用腱傳動系統(tǒng)把空氣肌肉的驅(qū)動力傳遞到各個手指關(guān)節(jié),各關(guān)節(jié)處安裝角度傳感器,手指的剛性部分布滿直徑為3mm的觸覺傳感器。該靈巧手可以進行抓、握等操作,其外形和功能都酷似人手。這兩種靈巧手都存在以下幾點不足:①手掌和手指的指節(jié)部分仍然采用剛性結(jié)構(gòu),沒有充分體現(xiàn)柔順性;②雖然以空氣肌肉為驅(qū)動器,但是必須借助腱來傳遞運動和動力,腱傳動系統(tǒng)中存在的摩擦、松弛、能量損耗等問題無法避免;③過多的空氣肌肉驅(qū)動器使得靈巧手的前臂粗大臃腫,給靈巧手與其他機器人系統(tǒng)的配合應用帶來不便。3.5種仿人的嘴唇北京理工大學采用英國Shadow公司生產(chǎn)的McKibben型PMA研制了一種仿人五指靈巧手,其手掌結(jié)構(gòu)如圖13所示。將驅(qū)動手指的人工肌肉放置于前臂,通過柔索驅(qū)動手指。該靈巧手總共具有17個自由度,設(shè)有指端滑覺傳感器和握緊力傳感器。仿人靈巧手與英國Shadow公司研制的靈巧手在結(jié)構(gòu)功能上較為相似。3.6氣動柔性三指手爪基于新型的氣動柔性驅(qū)動器FPA,浙江工業(yè)大學機械制造及自動化教育部重點實驗室研制了氣動柔性彎曲關(guān)節(jié)、氣動柔性扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和氣動柔性球關(guān)節(jié),在無需額外驅(qū)動、傳動裝置的情況下,直接實現(xiàn)了單關(guān)節(jié)的彎曲、扭轉(zhuǎn)等形式的運動,并且具有高度的柔性和適應性?；趶澢P(guān)節(jié)和扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),我們研制了氣動柔性三指手爪,如圖14所示。三指手爪主要由一個氣動柔性扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和三個氣動柔性彎曲關(guān)節(jié)構(gòu)成。三個彎曲關(guān)節(jié)形成爪指部分,實現(xiàn)抓握、夾持動作;扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作為腕部實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動作。氣動柔性三指手爪采用由橡膠材料制成的彎曲關(guān)節(jié)、扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作為執(zhí)行機構(gòu),并且由氣體直接驅(qū)動,具有高度的柔性,對抓取目標具有充分的適應性和安全性。可用于采摘機器人進行農(nóng)業(yè)果實如蘋果、柑桔等的采摘作業(yè)。4氣動柔性靈手的關(guān)鍵技術(shù)與傳統(tǒng)剛性機械手相比,氣動柔性靈巧手雖然具有柔性、適應性和安全性等顯著優(yōu)點,可應用于傳統(tǒng)機械手無法勝任的領(lǐng)域,但從目前研制的幾種氣動柔性靈巧手來看,尚需解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題。4.1氣動柔性植物更容易造成動傳統(tǒng)機械手的優(yōu)勢在于其剛性和運動的確定性,易于建立數(shù)學模型并實施控制。而氣動柔性靈巧手的特點在于柔順性和適應性,在對抓取目標進行操作時,能夠主動適應目標物體的外形,不會對其造成不必要的損傷,如四指柔性手爪、超輕擬人手以及基于FPA的三指手爪。但是這三種氣動柔性靈巧手的剛性顯然不足,若操作對象的質(zhì)量過大,則很難完成給定的抓取、操作任務。Shadow靈巧手和北京理工大學的仿人靈巧手以PMA作為驅(qū)動元件,采用剛性結(jié)構(gòu)的手掌、手指,雖然剛性較好,抓持力度可以較大,但手指的柔性和對目標的適應性較差,安全性難以保證。簡言之,靈巧手的柔性和剛性是一對矛盾,各有其優(yōu)缺點,并且兩者難以兼顧。在氣動柔性靈巧手的研究中,應研究確定靈巧手剛?cè)嵝缘闹笜?用于指導靈巧手的剛性、柔性的度量和定量分析;并根據(jù)靈巧手的應用領(lǐng)域、操作對象的特性等因素,考慮其柔性和剛性的取舍。4.2空氣壓縮機及儲氣裝置第3節(jié)描述的幾種氣動柔性靈巧手都采用壓縮氣體作為驅(qū)動力,該種動力的優(yōu)點是清潔無污染、資源豐富、成本低廉。但為了得到壓縮氣體,往往需要空氣壓縮機及儲氣裝置,其重量和體積相對于氣動柔性靈巧手來說都較為龐大,若要得到輕便、實用的靈巧手,還需要解決其動力的來源及重量問題。另外,部分氣動柔性靈巧手本身的重量也較大,如Shadow靈巧手和北京理工大學仿人靈巧手,其采用的PMA驅(qū)動元件均集中在靈巧手的臂部,整個靈巧手的質(zhì)量和體積都較大,給應用帶來不便。4.3初始結(jié)構(gòu)的安裝氣動柔性靈巧手由于其手指結(jié)構(gòu)和材料的特殊性而使得剛性傳感器難以安裝,所以氣動柔性靈巧手的位姿、力覺、觸覺等信息獲取是困擾著眾多研究人員的難題。雖然Shadow靈巧手上安裝了角度傳感器和觸覺傳感器,并能實時獲得靈巧手的位姿和觸覺信息,但Shadow靈巧手的手部結(jié)構(gòu)采用的是傳統(tǒng)剛性機械手的結(jié)構(gòu)。其安裝的角度傳感器和觸覺傳感器很難安裝在直接采用氣動柔性驅(qū)動器設(shè)計手指的靈巧手上。氣動柔性靈巧手位姿等信息的測量技術(shù)是研究靈巧手閉環(huán)控制技術(shù)的前提,所以位姿等信息獲取技術(shù)是氣動柔性靈巧手研究中亟待解決的一個關(guān)鍵性問題。4.4mckibcen型pma的數(shù)學模型研究氣動柔性驅(qū)動器存在較大的黏性和遲滯特性,響應速度慢、重復精度低,是高度非線性系統(tǒng),并且其物理特性和運動特性隨溫度的變化而變化,難以建立其準確的數(shù)學模型。Chou等基于能量守恒定律推導了McKibben型PMA的靜態(tài)模型,由于建模過程中忽略了PMA的形變、橡膠的彈性、纖維網(wǎng)與橡膠的摩擦力等因素,理論模型與實驗結(jié)果相比誤差較大。隋立明等對Chou等的模型進行了改進,更接近于實驗結(jié)果,但由于橡膠的滯環(huán)特性,PMA的開環(huán)位置控制依然存在較大的誤差。此外,劉榮等對McKibben型PMA的數(shù)學模型進行了研究,均得出其運動過程復雜、難以建立準確數(shù)學模型的結(jié)論。由于數(shù)學模型的不準確性,要實現(xiàn)對氣動柔性驅(qū)動器的有效控制,必須采用合適的控制算法。國內(nèi)外學者應用開環(huán)輸入整形控制算法、PID算法、模糊控制、自適應預測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑?？刂?、變結(jié)構(gòu)控制、H∞控制等對氣動柔性驅(qū)動器及其關(guān)節(jié)、機器人手臂進行了位置控制和力控制研究,對控制的精度、響應頻率、抗干擾能力、魯棒性等性能進行了分析,在特定的應用研究中取得了較為滿意的控制效果。但是從目前的文獻資料來看,尚無通用的控制算法。所以,針對不同的氣動柔性驅(qū)動器、不同的應用場合、不同