CN103831839A - 机器人仿生腕关节及其结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人仿生腕关节及其结构优化方法，属于机器人领域。它包括运动平台（1）、球面副（2）、上固定杆（3）、固定平台（4）、下固定杆（5）和气动人工肌肉（6）。上固定杆连接运动平台，下固定杆连接固定平台，同时上下两个连杆通过球面副连接。周围四根气动人工肌肉分成两组，每组交叉分布，四根气动人工肌肉相互作用共同控制运动平台相对于固定平台的运动。该种机器人仿生腕关节具有结构紧凑、转动控制范围大、顺应性强等特点，具有广泛应用前景。

Description

机器人仿生腕关节及其结构优化方法

技术领域

本发明涉及一种机器人仿生腕关节及其结构优化方法，尤其涉及一种气动人工肌肉驱动的仿生机器人腕关节。

背景技术

腕关节是机器人手臂和手掌相互连接的重要组成部分，其功能是实现腕关节在三维空间内三维转动，主要包括腕关节的屈、伸、内展和外收等运动。

目前主流腕关节主要通过复杂的机械结构实现三自由度转动，通过电机来驱动各部分运动，且腕关节刚度大。例如詹建明等发明的一种机器人腕关节（专利号201310199119.1）。这些传统的腕关节带来了些不利因素：腕关节驱动肌肉通常包含齿轮齿条传动、齿轮传动等，这些传动机构的引入降低了精度；复杂的机械结构耦合性比较强，实现特定的转动位置调整驱动器幅度大，明显显得不够灵活；复杂的机械结构往往很难做得小巧玲珑；电机作为驱动源，通过多级减速作用于末端执行器的功率降低，所能提供的负载力比较小，且减速之后精度变低；电机驱动的腕关节只能通过主动顺应控制末端执行器作用于负载上作用力，控制算法复杂。

本发明专利参考《气动并联关节的位置轨迹跟踪控制》（机械工程学报第44卷第7期）论文，该论文中提出一种气动人工肌肉并联关节如图1。

该气动人工肌肉组成并联机构由三根气动人工肌肉组成，球面副O₁、B₁、B₂、B₃组成平台作为运动平台，球面副A₁、A₂、A₃组成平台作为固定平台，支撑杆O₁O铰接在固定平台上，该运动平台可以绕O₁转动，但该气动肌肉并联关节无法实现垂直于运动平台轴线方向上的运动，且运动平台只能实现固定点的转动，不能实现运动平台的三维方向上的移动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种驱动功率大、可以实现三维转动和三维移动并且具有被控顺应性的机器人仿生腕关节及其结构优化方法。

一种机器人仿生腕关节，其特征在于：仿生腕关节包括固定平台、运动平台、上固定杆、下固定杆；其中上固定杆的上端与运动平台固定连线，下固定杆的下端与固定平台固定连接，上固定杆的下端与下固定杆的上端之间通过球面副连接；仿生腕关节还包括4根气动人工肌肉驱动器，分别为桡侧腕长屈肌气动人工肌肉驱动器、桡侧腕伸肌气动人工肌肉驱动器、尺侧腕屈肌气动人工肌肉驱动器、尺侧腕伸肌气动人工肌肉驱动器；所述气动人工肌肉驱动器上端与运动平台通过球面副连接，气动人工肌肉驱动器下端与固定平台通过球面副连接；其中桡侧腕长屈肌气动人工肌肉驱动器和桡侧腕伸肌气动人工肌肉驱动器构成一组人工肌肉驱动器；尺侧腕屈肌气动人工肌肉驱动器和尺侧腕伸肌气动人工肌肉驱动器构成另一组人工肌肉驱动器；每组气动人工肌肉驱动器交叉分布，两组气动人工肌肉驱动器对称分布于上固定杆和下固定杆的左右两侧。

所述的机器人仿生腕关节的结构优化方法，其特征在于包括以下过程：步骤1、建立单根气动人工肌肉驱动器的参数定量关系，即通过拟合或者理论推导确定单根气动人工肌肉驱动器的输入压力、输出力和收缩率三者关系；步骤2、建立运动平台相对于固定平台的方位控制方程，即建立运动平台的方位与四根气动人工肌肉驱动器长度之间的对应关系；步骤3、建立运动学方程，即建立运动平台速度和角速度与四根气动人工肌肉驱动器速度对应关系；步骤4、建立动力学方程，即结合步骤3所建立的运动学方程，得到运动平台角加速度、线加速度和四根气动人工肌肉驱动器加速度关系；步骤5、结合步骤2建立的方位控制方程、步骤3建立的运动学方程和步骤4建立的动力学方程，通过牛顿-欧拉法或拉格朗日方程为评判标准，将运动稳定性和仿生腕关节转动角度作为评判目标，分析四根气动人工肌肉驱动器位置最优解，得到四根气动人工肌肉驱动器最优尺寸和安装位置。

所述的仿生腕关节结构上每组气动人工肌肉交叉分布能够降低空间尺寸，左右两侧对称特性在掌屈和背伸运动过程中具有很强的稳定性，交叉分布特性还能使得该仿生腕关节可以通过调整四根气动人工肌肉特定长度产生垂直于运动平面轴线方向的力矩而转动，这种特性能够更贴近的模拟腕关节运动；该仿生腕关节上固定杆和下固定杆通过球面副连接，球面副C放置在运动平台的下侧使得运动平台具有三维转动的同时还具有三维移动特性，这种特性提高了仿生腕关节运动范围。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：摒弃传统的电机作为驱动源，选择气压作为动力源；抛弃齿轮、齿条等机械传动，直接利用气动人工肌肉作为驱动器以减少驱动器功率在运动传递中的损失；气动人工肌肉本身具有很强的被动顺应性，在与负载接触过程中不会因为驱动力过大而导致负载的破坏，所以通过气动人工肌肉驱动的机构本身就具有被动顺应性。

本发明中四根气动人工肌肉模拟人体真实腕关节肌肉，共同作用控制仿生腕关节转动。

为了降低腕关节尺寸，两侧的气动人工肌肉交叉分布，且左右两侧对称，为了最大的保证腕关节掌伸和背屈的运动，肌肉靠近前侧和后侧的距离比较小，掌伸和背屈转动范围大，且驱动力也大，而左右两侧气动人工肌肉距离中间转轴距离较长，保证内展和外收的转动角度小。

所述的气动人工肌肉构成的腕关节具有很好的被动顺应性。气动人工肌肉具有非线性和变刚度等特性，这些特性保证了气动人工肌肉驱动负载时，不会导致负载的破坏。

所述的腕关节运动控制是指控制四根气动人工肌肉的输入压力从而达到控制运动平台方位的目的。四条人工肌肉驱动器靠近固定平台侧的球面副在同一个平面，且平行于固定平面，靠近运动平台的球面副也平行于运动平台。

单根气动人工肌肉在输入气压和受力确定的情况下，相应的收缩率就确定，且这三者之间的关系定量。所述的腕关节控制精度稳定是指在确定单根气动人工肌肉特性的基础上，控制运动平台的转动角度和方位的稳定性。相比较电机驱动的仿生腕关节，气动人工肌肉驱动的仿生腕关节波动小，稳定性更高。

与现有的仿生腕关节相比，本发明优点结构简单、紧凑，运动控制精度通过单根气动人工肌肉精度保证，传递效率高，运行稳定度高，极大的简化了运动学与动力学模型；与图1中并联关节相比，该仿生运动平台存在垂直于运动平台轴向方向的运动，并且该运动平台存在三维转动同时还存在三维移动，提高了运动平台运动范围，同等气动人工肌肉的结构下，该范围腕关节提供的转动力矩较大。

附图说明

图1一种气动人工肌肉并联关节结构示意图；

图2气动人工肌肉特性曲线；

图3为本发明仿生腕关节结构示意图；

图4为本发明仿生腕关节正视图；

图5为本发明仿生腕关节左视图；

图1中标号名称：1——气动人工肌肉；2——固定平台；3——运动平台；4——球面副（A₁、A₂、A₃、B₁、B₂、B₃、O₁）。

图5中标号名称：1——运动平台；2——球面副（Q₁、Q₂、Q₃、P₁、P₂、P₃、P₄、C）；3——上固定杆；4——固定平台；5——下固定杆；6——气动人工肌肉驱动器。

具体实施方案

如图3所示，现提供一种仿生腕关节，包括运动平台1，球面副2（Q₁、Q₂、Q₃、P₁、P₂、P₃、P₄、C），上固定杆3，固定平台4，下固定杆5和气动人工肌肉6组成。

每条驱动器由一条气动人工肌肉和两个球面副组成，球面副通过螺纹与气动人工肌肉连接，两端球面副连接运动平台和固定平台。保持球面副Q₁、Q₂、Q₃、Q₄中心所在的平面平行于运动平台，球面副P₁、P₂、P₃、P₄中心所在的平台平行于固定平台。在Q₁、Q₂、Q₃、Q₄中心组成的平面（作为运动平面）建立运动坐标系A，在球面副P₁、P₂、P₃、P₄中心组成的平面（作为固定平面）建立固定坐标系B。

步骤1、建立单根气动人工肌肉驱动器的参数定量关系。气动人工肌肉驱动器典型特性曲线如图2，实验拟合或者理论推导可以得到定量非线性关系式：

ξ=F(f,p)                              （1）

式中ξ——气动人工肌肉收缩率(%)；

f——气动人工肌肉输出力(N)；

p——气动人工肌肉输入气压（Mpa）。

步骤2、建立运动平台（1）相对于固定平台（4）的方位控制方程。

L_i＝L(x,y,z;α,β,γ)(i＝1～4)                     （2）

式中x,y,z——运动坐标系相对于固定坐标系位置特征；

α,β,γ——运动坐标系相对于固定坐标系姿态特征；

L_i——气动人工肌肉长度。

步骤3、建立运动平台（1）在固定坐标系B中运动学方程。

L′＝V(L₁′,L₂′,L₃′,L₄′)                （3）

ω＝W(L₁′,L₂′,L₃′,L₄′)               （4）

式中L′——运动坐标系原点相对于固定坐标系速度；

L_i′——四根气动人工肌肉速度；

ω——运动坐标系原点相对于固定坐标系角速度。

步骤3、建立运动平台（1）在固定坐标系B中动力学方程。

L″＝A(L″₁,L″₂,L″₃,L″₄)                  （5）

ε＝A(L″₁,L″₂,L″₃,L″₄)                 （6）

式中L″——运动坐标系原点相对于固定坐标系加速度；

L″——四根气动人工肌肉加速度；

ε——运动坐标系原点相对于固定坐标系角加速度。

步骤5、根据式（4）、（5）、（6）建立优化目标函数：

W_d＝F(^AP₁,^AP₂,^AP₃,^AP₄,^AQ₁,^AQ₂,^AQ₃,^AQ₄)            （7）

式中W_d——优化目标函数；

^AP_i——坐标点P_i在固定坐标系A中的方位(i＝1～4)；

^AQ_i——坐标点Q_i在固定坐标系A中的方位(i＝1～4)。

根据式（1）、（2）建立控制方程：

(x,y,z;α,β,γ)＝P(P₁,P₂,P₃,P₄)                （8）

式中x,y,z——运动坐标系相对于固定坐标系位置特征；

α,β,γ——运动坐标系相对于固定坐标系姿态特征;

P_i——气动人工肌肉输入气压(i＝1～4)。

通过优化函数（7）求出气动人工肌肉安装位置P₁、P₂、P₃、P₄、Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，即可通过控制方程（8）对仿生腕关节进行方位和姿态控制。

所述的上固定杆3铰接运动平台，下固定杆5铰接固定平台，上固定杆3和下固定杆5通过球面副C连接，球面副C的位置可以根据仿生腕关节性能要求而改变。腕关节在运动平台上建立运动坐标系，则该腕关节在转动同时存在伴随移动，这大大提高了转动范围。

每根气动人工肌肉在对应侧对角安装，如：左侧桡侧腕长屈肌气动人工肌肉（6-1）在运动平台安装在Q4点，则另外一端安装在同侧固定平台对角点P1点，其他肌肉类似；Q1安装点和Q4安装点、Q1安装点和Q3安装点、P1安装点和P4安装点、P2安装点和P3安装点都平行于中间平面（过上固定杆（3）和下固定杆（5）且垂直于纸面的平面），且P1和Q1、P4和Q4

分别在两个相互对称平面内，P2和Q2、P3和Q3也分别在两个相互对称平面内，前两个对称平面靠近内侧，后两个对称平面靠近外侧。Q1Q4、Q2Q3、P1P4、P2P3两两相互平行降低建模的难度的同时提高了系统整体稳定性。

所述的气动人工肌肉所组成的4根驱动器排布具有特定规律。假设图中左侧作为手腕桡侧，右侧作为腕关节尺侧，由纸面向外转动作为背伸方向，由纸面向内转动为掌屈方向。通过控制不同方向的气动人工肌肉输入气压大小控制运动平台转动角度。运动前需要调整气动人工肌肉的受力状态，即调节上固定杆3或者下固定杆5的长度使四根气动人工肌肉处于拉伸状态。在实现掌屈、背伸运动时气动人工肌肉驱动器6-1、6-2为一组，气动人工肌肉6-3、6-4为一组，各组中的两根人工肌肉运动状态相反，且两组气动人工肌肉运动规律相同。例如在实现掌屈运动时，6-1和6-4处于压缩状态，6-2和6-3处于拉伸状态，而在背伸运动时，6-2和6-3处于压缩状态，6-1和6-4处于拉伸状态。在实现外展和内收运动时，各组中的两根气动人工肌肉运动状态相同，且两组气动人工肌肉运动规律相反。例如在实现外展运动时，以6-1和6-2为一组气动人工肌肉处于压缩状态，6-3和6-4为一组气动人工肌肉处于拉伸状态。

上述固定平台和运动平台为前后窄、左右宽的结构形式。前后窄、左右宽的结构在掌屈（6-1和6-4处于压缩状态，6-2和6-3处于拉伸状态）和背伸（6-2和6-3处于压缩状态，6-1和6-4处于拉伸状态）运动过程中产生的力矩较大。

Claims (4)

1.一种机器人仿生腕关节 ，其特征在于：

仿生腕关节包括固定平台（4）、运动平台（1）、上固定杆（3）、下固定杆（5）；其中上固定杆（3）的上端与运动平台（1）固定连线，下固定杆（5）的下端与固定平台（4）固定连接，上固定杆（3）的下端与下固定杆（5）的上端之间通过球面副（2）连接；

仿生腕关节还包括4根气动人工肌肉驱动器，分别为桡侧腕长屈肌气动人工肌肉驱动器（6-1）、桡侧腕伸肌气动人工肌肉驱动器（6-2）、尺侧腕屈肌气动人工肌肉驱动器（6-3）、尺侧腕伸肌气动人工肌肉驱动器（6-4）；所述气动人工肌肉驱动器上端与运动平台（1）通过球面副（2）连接，气动人工肌肉驱动器下端与固定平台（4）通过球面副（2）连接；

其中桡侧腕长屈肌气动人工肌肉驱动器（6-1）和桡侧腕伸肌气动人工肌肉驱动器（6-2）构成一组人工肌肉驱动器；尺侧腕屈肌气动人工肌肉驱动器（6-3）和尺侧腕伸肌气动人工肌肉驱动器（6-4）构成另一组人工肌肉驱动器；每组气动人工肌肉驱动器交叉分布，两组气动人工肌肉驱动器对称分布于上固定杆（3）和下固定杆（5）的左右两侧。

2.根据权利要求1所述的机器人仿生腕关节机械结构,其特征在于:

四根气动人工肌肉驱动器结构、尺寸完全相同；

设桡侧腕长屈肌气动人工肌肉（6-1）与运动平台（1）的球面副铰接处为Q₄点，与固定平台（4）球面副铰接处为P-₃点，桡侧腕伸肌气动人工肌肉（6-2）与运动平台（1）的球面副铰接处为Q₃点，与固定平台（4）球面副铰接处为P-₄点，尺侧腕屈肌气动人工肌肉（6-3）与运动平台（1）的球面副铰接处为Q₂点，与固定平台（4）球面副铰接处为P-₁点，尺侧腕伸肌气动人工肌肉（6-4）与运动平台（1）的球面副铰接处为Q₁点，与固定平台（4）球面副铰接处为P-₂点，Q₁Q₄、Q₂Q₃、P₁P₄、P₂P₃两两相互平行。

3.根据权利要求1所述的机器人仿生腕关节机械结构,其特征在于:上述固定平台（4）和运动平台（1）为前后窄、左右宽的结构形式。

4.根据权利要求1所述的机器人仿生腕关节的结构优化方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、建立单根气动人工肌肉驱动器的参数定量关系，即通过拟合或者理论推导确定单根气动人工肌肉驱动器的输入压力、输出力和收缩率三者关系；

步骤2、建立运动平台（1）相对于固定平台（4）的方位控制方程，即建立运动平台（1）的方位与四根气动人工肌肉驱动器长度之间的对应关系；

步骤3、建立运动学方程，即建立运动平台（1）速度和角速度与四根气动人工肌肉驱动器速度对应关系；

步骤4、建立动力学方程，即结合步骤3所建立的运动学方程，得到运动平台角加速度、线加速度和四根气动人工肌肉驱动器加速度关系；

步骤5、结合步骤2建立的方位控制方程、步骤3建立的运动学方程和步骤4建立的动力学方程，通过牛顿-欧拉法或拉格朗日方程为评判标准，将运动稳定性和仿生腕关节转动角度作为评判目标，分析四根气动人工肌肉驱动器位置最优解，得到四根气动人工肌肉驱动器最优尺寸和安装位置。

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