CN114406999B - 一种绳驱同轴人工肌肉执行器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种绳驱同轴人工肌肉执行器及其控制方法属人工肌肉执行器技术领域，本发明具有驱动绳索、后外壳固定绳索和整个人工肌肉执行器在同一轴线上的特点，与天然肌肉具有相似的形状；本发明的同轴绳驱人工肌肉执行器能主动控制驱动绳索和后外壳固定绳索的张紧力，使其具有与天然肌肉相似的特性；本发明克服了现有技术方案布置难度高、控制精度低的问题，能广泛应用于各种机械臂和外骨骼装置中。本发明还提供了一种人工肌肉执行器的闭环主动张紧力控制方法。
Description
技术领域
本发明属人工肌肉执行器技术领域，具体涉及一种绳驱同轴人工肌肉执行器及其控制方法。
背景技术
人工肌肉是一种模仿天然肌肉的执行器，它可以在外部信号的激励下自主进行可逆的收缩。人工肌肉具有和天然肌肉相似的柔性，因此比传统的刚性执行器具有更广阔的应用前景，在人造外骨骼、仿生机器人等领域均有应用。
人工肌肉的主要评价指标包括最大应力、最大应变、循环寿命、功率密度、效率等指标。目前已有在某些指标上超越天然肌肉的人工肌肉，依托于这些人工肌肉，可以开发性能强大的人造外骨骼和仿生机器人，在康复训练、灾难救援、军事侦察等领域均有巨大的应用潜力。
根据驱动机制，可将人工肌肉执行器分为六大类。第一类为电场驱动型，即通过对由电活性物质组成的人工肌肉施加特定的电场来驱动其运动。这类执行器已经过长期的发展，控制信号易于产生，但这类肌肉的运动能力低，且具有很强的非线性，不具备实用性。第二类为温度驱动型，即通过对绳索编织而成人工肌肉进行加热或冷却，从而使其收缩，这类执行器缺点是控制信号不易产生，且响应速度慢。第三类为流体驱动型，即通过向囊内填充流体来使人工肌肉收缩，这类人工肌肉是目前唯一被大规模应用的人工肌肉，具有超越天然肌肉的性能，但体积和重量都较大，应用领域有限。第四类为液体吸收驱动，即使绳索编织而成的人工肌肉吸收液体来实现收缩，这一类人工肌肉的控制信号不易产生和控制。第五类为离子驱动，即在通电情况下通过离子的移动来改变人工肌肉内溶液的含量，从而实现对收缩的控制，这类人工肌肉需要在溶液或凝胶中工作，应用领域受限。第六类为通过电机驱动的人工肌肉，这类人工肌肉执行器采用电能作为能源，采用电机作为电能和机械能之间的转换装置，并采用滑轮、丝杠、绳索等机械装置作为传动装置，实现运动方向的转化。这类人工肌肉执行器易于控制、易于制造，同时也具有较高的功率密度和环境适应性，具备广阔的应用前景。目前已有基于此类人工肌肉执行器的仿生机器人和柔性外骨骼问世。
在设计由电机驱动的人工肌肉执行器时，希望执行器有较大的最大应变和功率密度，所以要减小装置的体积和重量，同时保持较大的工作行程。同时，人工肌肉要具有柔性，可沿非直线路径布置。所以此类执行器通常采用绳驱机构作为传动装置，以将电机的转动转换为执行器的直线运动。
发明内容
本发明克服了现有绳驱人工肌肉执行器集成度低、布置难度高的问题，提出了一种绳驱人工肌肉执行器设计方案，该执行器具有驱动绳索与执行器外壳同轴，以及可以精确测量绳索张紧力的特点，同时提供了该执行器的控制方法。
本发明的绳驱同轴人工肌肉执行器由绕线组件A、前部组件B、后部组件C和绳索Ⅰ1组成，其中：绕线组件A由支架A1、绕线臂A2、绕线轴A3、驱动环2、绳索Ⅱ3、瓷管Ⅰ4和瓷管Ⅱ5组成，支架A1的竖板6上设有孔Ⅰ7，支架A1的横板8上设有凸台组9的三个凸台；绕线臂A2上设有上孔10和中心孔Ⅰ11；绕线轴A3上设有导向销12、中心孔Ⅱ13和绕线槽14；瓷管Ⅰ4固接于支架A1的孔Ⅰ7；瓷管Ⅱ5固接于绕线臂A2的上孔10；驱动环2、绳索Ⅱ3、支架A1、绕线臂A2和绕线轴A3自前至后顺序排列；绳索Ⅱ3前端与驱动环2固接，绳索Ⅱ3后端经瓷管Ⅰ4和瓷管Ⅱ5固接于绕线轴A3的绕线槽14中。
前部组件B由减速器组件B1、前壳B2、缓冲片Ⅰ15、缓冲片Ⅱ16、力传感器17和信号线18组成，减速器组件B1由输出轴Ⅰ19、减速器20和金属片22组成，金属片22固接于减速器20的后端，减速器20前面设有孔对Ⅰ21的两个孔；前壳B2上面前部设有竖孔Ⅰ26，上面后端设有孔Ⅱ27；前壳B2前面设有中心孔Ⅲ24，中心孔Ⅲ24两侧设有孔对Ⅱ25的两个孔；前壳B2下面设有凹槽组23的三个凹槽，下面后端设有孔Ⅲ29；前壳B2内设有凸台对28的两个凸台；前壳B2、缓冲片Ⅰ15、力传感器17、缓冲片Ⅱ16和减速器组件B1的减速器20自前至后顺序排列，减速器组件B1的减速器20与前壳B2内圈、减速器组件B1的输出轴Ⅰ19与前壳B2的中心孔Ⅲ24前后向滑动连接；力传感器17上端与信号线18固接。
后部组件C由电动机组件C1、后壳C2、控制电路板30、线圈引线Ⅰ31、连接器32、固定环33、绳索Ⅲ34组成，电动机组件C1的电动机36上设有凹槽37和输出轴38，输出轴38与减速器20的输入齿轮固接在一起，用于向减速器20输出转矩；后壳C2后面设有中心孔Ⅳ42；后壳C2上面后部设有竖孔Ⅱ40；后壳C2上面前端设有孔Ⅳ39、后端设有孔Ⅴ41；后壳C2下面前端设有孔Ⅶ44、后端设有孔Ⅵ43。
控制电路板30上设有线圈引线Ⅰ31和线圈引线Ⅱ35；电动机36、控制电路板30、连接器32、后壳C2、绳索Ⅲ34和固定环33自前至后顺序排列，其中电动机36外圈与后壳C2内圈前后向滑动连接，连接器32前端与控制电路板30中心固接，连接器32与后壳C2的中心孔Ⅳ42前后向滑动连接；固定环33经绳索Ⅲ34与后壳C2的孔Ⅴ41和孔Ⅵ43连接。
绳索Ⅰ1一端与前部组件B的孔Ⅱ27固接，绳索Ⅰ1另一端分别穿过后部组件C的孔Ⅳ39和前部组件B的孔Ⅲ29，最后与后部组件C的孔Ⅶ44固接。
前部组件B中信号线18的后端穿过后部组件C的竖孔Ⅱ40与后部组件C的线圈引线Ⅰ31固接；前部组件B的输出轴Ⅰ19穿过绕线组件A中绕线轴A3的中心孔Ⅱ13与绕线臂A2的中心孔Ⅰ11固接；绕线组件A的绕线轴A3经其上的导向销12与前部组件B的减速器20和前壳B2固接。
本发明的绳驱同轴人工肌肉执行器的控制方法，包括下列步骤：
1.1从通信接口读取目标绳索拉力值；
1.2读取力传感器的数值，并进行滤波，计算出绳索上的实际拉力值；
1.3计算出目标拉力值与当前拉力值之间的差值；
1.4比较实际拉力值与目标拉力值的差值，确定张紧力控制模式，有以下三种情况：
1.4.1实际拉力值与目标拉力值的差值在阈值范围内，执行器进入拉力空闲模式，将电动机的目标电流值设置为0，使电动机保持不转；
1.4.2实际拉力值大于目标拉力值，且差值大于阈值，执行器进入松弛控制模式，将电动机的驱动电流设置为通过PID算法计算出电动机的驱动电流值，并将电动机的旋转方向设置为使驱动绳索伸长的方向，最后驱动电动机旋转；
1.4.3实际拉力值小于目标拉力值，且差值大于阈值，执行器进入张紧控制模式，将电动机的驱动电流设置为通过PID算法计算出电动机的驱动电流值，并将电动机的旋转方向设置为使驱动绳索缩短的方向，最后驱动电动机旋转；
1.5返回步骤1.1。
本发明是一种可模拟生物肌肉的特性的柔性执行器，可实现主动张紧和松弛，其工作原理如下：
执行器通过驱动环2与被驱动的装置连接，通过固定环33与固定执行器的装置连接；控制电路板30通过连接器32中的通信线接收到目标张紧力请求后，驱动电动机36转动；电动机36带动减速器组件B1转动，减速器组件B1的输出轴Ⅰ19驱动绕线臂A2转动，绕线臂A2将绳索Ⅱ3缠绕在绕线轴A3上的绕线槽14中，使得绳索Ⅱ3的长度发生变化，从而实现张紧力的调节。缓冲片Ⅰ15和缓冲片Ⅱ16是柔性缓冲垫片，可以被压缩；力传感器17是薄膜型力敏电阻；在进行张紧力调解时，减速器组件B1和电动机36受绕线轴A3上的导向销12的约束，会在绳索Ⅱ3的长度发生变化时延轴向运动；减速器组件B1在延轴向运动时，会压缩缓冲片Ⅰ15、缓冲片Ⅱ16和力传感器17，从而实现张紧力反馈。
本发明的有益效果在于：
1.本发明具有极高的集成度，自身功能完备，只需要供电和信号接口，与传统的分体式绳驱机构相比布置难度更低，可以方便的集成到绳驱外骨骼和绳驱机械臂等装置中。
2.本发明具有驱动绳索与装置本身同轴的特性，与类似的产品相比，这一特性使得执行器的形状更接近天然肌肉，可开发更接近生物形态的绳驱机器人。
3.本发明具有与天然肌肉相似的形状和特性，利用此种执行器，可以通过参考自然界中生物的解剖结构来开发绳驱仿生机器人。
4.本发明具有内置的张紧力传感器，且张紧力的测量方向与张紧力方向基本相同，与同类装置相比具有更低的测量误差和迟滞，便于实现高精度的主动张紧力控制。
5.本发明具有主动张紧力闭环控制功能，能实现准确而快速的张紧力控制，可有效避免因绳索松弛导致的机构失效。
附图说明
图1.为绳驱同轴人工肌肉执行器的剖视图；
图2.为绕线组件A的结构示意图；
图3.为支架A1的结构示意图；
图4.为绕线臂A2的立体图；
图5.为绕线轴A3的立体图；
图6.为前部组件B的结构示意图；
图7.为减速器组件B1的立体图；
图8.为前壳B2的结构示意图；
图9.为后部组件C的结构示意图；
图10.为电动机组件C1的结构示意图；
图11.为后壳C2的结构示意图；
图12.为绳驱同轴人工肌肉执行器的控制方法结构图；
图13.为绳驱同轴人工肌肉执行器的张紧力控制算法状态；
其中：A.绕线组件 A1.支架 A2.绕线臂 A3.绕线轴 B.前部组件 B1.减速器组件B2.前壳 C.后部组件 C1.电动机组件 C2.后壳 1.绳索Ⅰ 2.驱动环 3.绳索Ⅱ 4.瓷管Ⅰ 5.瓷管Ⅱ 6.竖板 7.孔Ⅰ 8.横板 9.凸台组 10.上孔 11.中心孔Ⅰ 12.螺钉对 13.中心孔Ⅱ14.绕线槽 15.缓冲片Ⅰ 16.缓冲片Ⅱ 17.力传感器 18.信号线 19.输出轴Ⅰ 20.减速器21.孔对Ⅰ 22.金属片 23.凹槽组 24.中心孔Ⅲ 25.孔对Ⅱ 26.竖孔Ⅰ 27.孔Ⅱ 28.凸台对29.孔Ⅲ 30.控制电路板 31.线圈引线Ⅰ 32.连接器 33.固定环 34.绳索Ⅲ 35.线圈引线Ⅱ 36.电动机 37.凹槽 38.输出轴Ⅱ 39.孔Ⅳ 40.竖孔Ⅱ 41.孔Ⅴ 42.中心孔Ⅳ 43.孔Ⅵ 44.孔Ⅶ。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明。
如图1至图5所示，本发明由绕线组件A、前部组件B、后部组件C和绳索Ⅰ1组成，绕线组件A由支架A1、绕线臂A2、绕线轴A3、驱动环2、绳索Ⅱ3、瓷管Ⅰ4和瓷管Ⅱ5组成；瓷管Ⅰ4固接于支架A1的孔Ⅰ7；瓷管Ⅱ5固接于绕线臂A2的上孔10；驱动环2、绳索Ⅱ3、支架A1、绕线臂A2和绕线轴A3自前至后顺序排列；绳索Ⅱ3前端与驱动环2固接，绳索Ⅱ3后端经瓷管Ⅰ4和瓷管Ⅱ5固接于绕线轴A3的绕线槽14中；支架A1的竖板6上设有孔Ⅰ7，支架A1的横板8上设有凸台组9的三个凸台；绕线臂A2上设有上孔10和中心孔Ⅰ11；绕线轴A3上设有导向销12、中心孔Ⅱ13和绕线槽14。
如图6至图8所示，所述的前部组件B由减速器组件B1、前壳B2、缓冲片Ⅰ15、缓冲片Ⅱ16、力传感器17和信号线18组成；前壳B2、缓冲片Ⅰ15、力传感器17、缓冲片Ⅱ16和减速器组件B1自前至后顺序排列，减速器组件B1的减速器20与前壳B2内圈、减速器组件B1的输出轴Ⅰ19与前壳B2的中心孔Ⅲ24前后向滑动连接；力传感器17上端与信号线18固接。
减速器组件B1由输出轴Ⅰ19、减速器20和金属片22组成，金属片22固接于减速器20的后端，减速器20前面设有孔对Ⅰ21的两个孔。
前壳B2上面前部设有竖孔Ⅰ26，上面后端设有孔Ⅱ27；前壳B2前面设有中心孔Ⅲ24，中心孔Ⅲ24两侧设有孔对Ⅱ25的两个孔；前壳B2下面设有凹槽组23的三个凹槽，下面后端设有孔Ⅲ29；前壳B2内设有凸台对28的两个凸台。
如图9至图11所示，后部组件C由电动机组件C1、后壳C2、控制电路板30、线圈引线Ⅰ31、连接器32、固定环33、绳索Ⅲ34组成；控制电路板30上设有线圈引线Ⅰ31和线圈引线Ⅱ35。
电动机36、控制电路板30、连接器32、后壳C2、绳索Ⅲ34和固定环33自前至后顺序排列，其中电动机36外圈与后壳C2内圈前后向滑动连接，连接器32前端与控制电路板30中心固接，连接器32与后壳C2的中心孔Ⅳ42前后向滑动连接；固定环33经绳索Ⅲ34与后壳C2的孔Ⅴ41和孔Ⅵ43连接；电动机组件C1的电动机36上设有凹槽37和输出轴Ⅱ38，输出轴Ⅱ38与减速器20的输入齿轮固接在一起，用于向减速器20输出转矩；后壳C2后面设有中心孔Ⅳ42；后壳C2上面后部设有竖孔Ⅱ40；后壳C2上面前端设有孔Ⅳ39、后端设有孔Ⅴ41；后壳C2下面前端设有孔Ⅶ44、后端设有孔Ⅵ43；绳索Ⅰ1一端与前部组件B中孔Ⅱ27固接，绳索Ⅰ1另一端分别穿过后部组件C的孔Ⅳ39和前部组件B的孔Ⅲ29，最后与后部组件C的孔Ⅶ44固接。
前部组件B中信号线18的后端穿过后部组件C的竖孔Ⅱ40与后部组件C的线圈引线Ⅰ31固接；前部组件B的输出轴Ⅰ19穿过绕线组件A中绕线轴A3的中心孔Ⅱ13与绕线臂A2的中心孔Ⅰ11固接；绕线组件A的绕线轴A3经其上的导向销12与前部组件B的减速器20和前壳B2固接。
如图12所示，本发明所述的控制方法的输入为力传感器电压信号，以及来自通信接口的目标张紧力值；力传感器电压信号随当前驱动拉线内的张紧力变化而变化，这一信号经过力传感器信号处理模块获得实际张紧力的测量值，并将测量值与目标值进行计算，将差值输入张紧力控制策略模块。驱动绳索的张紧力值只有正值，表示绳索内的张紧力，但张紧力差值可以有正值或负值，正值表示目标张紧力大于当前张紧力，负值表示目标张紧力小于当前张紧力。张紧力控制策略模块会根据张紧力差值的大小输出电动机的方向和驱动电流，并将这两个值提供给电动机驱动芯片，由驱动芯片来驱动电动机。
如图13所示，本发明所述的张紧力控制策略为一个有限状态机，具有三个状态，分别为空闲状态、松弛模式和张紧模式。在空闲模式下，电动机不通电也不转动；当张紧力差值小于松弛阈值(负值)时，进入松弛模式，此时电动机向驱动绳索伸长的方向旋转，电动机的电流通过PID算法来确定，PID算法的输入值为张紧力差值，输出值为电动机的驱动电流；当张紧力差值超过张紧阈值(正值)时，进入张紧模式，此时电动机向驱动绳索缩短的方向旋转，电动机的电流通过PID算法来确定，PID算法的输入值为张紧力差值，输出值为电动机的驱动电流。
Claims (2)
1.一种绳驱同轴人工肌肉执行器，其特征在于，由绕线组件(A)、前部组件(B)、后部组件(C)和绳索Ⅰ(1)组成，其中绕线组件(A)由支架(A1)、绕线臂(A2)、绕线轴(A3)、驱动环(2)、绳索Ⅱ(3)、瓷管Ⅰ(4)和瓷管Ⅱ(5)组成，支架(A1)的竖板(6)上设有孔Ⅰ(7)，支架(A1)的横板(8)上设有凸台组(9)的三个凸台；绕线臂(A2)上设有上孔(10)和中心孔Ⅰ(11)；绕线轴(A3)上设有导向销(12)、中心孔Ⅱ(13)和绕线槽(14)；瓷管Ⅰ(4)固接于支架(A1)的孔Ⅰ(7)；瓷管Ⅱ(5)固接于绕线臂(A2)的上孔(10)；驱动环(2)、绳索Ⅱ(3)、支架(A1)、绕线臂(A2)和绕线轴(A3)自前至后顺序排列；绳索Ⅱ(3)前端与驱动环(2)固接，绳索Ⅱ(3)后端经瓷管Ⅰ(4)和瓷管Ⅱ(5)固接于绕线轴(A3)的绕线槽(14)中；前部组件(B)由减速器组件(B1)、前壳(B2)、缓冲片Ⅰ(15)、缓冲片Ⅱ(16)、力传感器(17)和信号线(18)组成，减速器组件(B1)由输出轴(19)、减速器(20)和金属片(22)组成，金属片(22)固接于减速器(20)的后端，减速器(20)前面设有孔对Ⅰ(21)的两个孔；前壳(B2)上面前部设有竖孔Ⅰ(26)，上面后端设有孔Ⅱ(27)；前壳(B2)前面设有中心孔Ⅲ(24)，中心孔Ⅲ(24)两侧设有孔对Ⅱ(25)的两个孔；前壳(B2)下面设有凹槽组(23)的三个凹槽，下面后端设有孔Ⅲ(29)；前壳(B2)内设有凸台对(28)的两个凸台；前壳(B2)、缓冲片Ⅰ(15)、力传感器(17)、缓冲片Ⅱ(16)和减速器组件(B1)的减速器(20)自前至后顺序排列，减速器组件(B1)的减速器(20)与前壳(B2)内圈、减速器组件(B1)的输出轴(19)与前壳(B2)的中心孔Ⅲ(24)前后向滑动连接；力传感器(17)上端与信号线(18)固接；后部组件(C)由电动机组件(C1)、后壳(C2)、控制电路板(30)、线圈引线Ⅰ(31)、连接器(32)、固定环(33)、绳索Ⅲ(34)组成，电动机组件(C1)的电动机(36)上设有凹槽(37)和输出轴(38)，输出轴(38)与减速器(20)的输入齿轮固接；后壳(C2)后面设有中心孔Ⅳ(42)；后壳(C2)上面后部设有竖孔Ⅱ(40)；后壳(C2)上面前端设有孔Ⅳ(39)、后端设有孔Ⅴ(41)；后壳(C2)下面前端设有孔Ⅶ(44)、后端设有孔Ⅵ(43)；控制电路板(30)上设有线圈引线Ⅰ(31)和线圈引线Ⅱ(35)；电动机(36)、控制电路板(30)、连接器(32)、后壳(C2)、绳索Ⅲ(34)和固定环(33)自前至后顺序排列，其中电动机(36)外圈与后壳(C2)内圈前后向滑动连接，连接器(32)前端与控制电路板(30)中心固接，连接器(32)与后壳(C2)的中心孔Ⅳ(42)前后向滑动连接；固定环(33)经绳索Ⅲ(34)与后壳(C2)的孔Ⅴ(41)和孔Ⅵ(43)连接；绳索Ⅰ(1)一端与前部组件(B)中孔Ⅱ(27)固接，绳索Ⅰ(1)另一端分别穿过后部组件(C)的孔Ⅳ(39)和前部组件(B)的孔Ⅲ(29)，最后与后部组件(C)的孔Ⅶ(44)固接；前部组件(B)中信号线(18)的后端穿过后部组件(C)的竖孔Ⅱ(40)与后部组件(C)的线圈引线Ⅰ(31)固接；前部组件(B)的输出轴(19)穿过绕线组件(A)中绕线轴(A3)的中心孔Ⅱ(13)与绕线臂(A2)的中心孔Ⅰ(11)固接；绕线组件(A)的绕线轴(A3)经其上的螺钉对(12)与前部组件(B)的减速器(20)和前壳(B2)固接。
2.一种权利要求1所述绳驱同轴人工肌肉执行器的控制方法，其特征在于，包括下列步骤：
2.1从通信接口读取目标绳索拉力值；
2.2读取力传感器的数值，并进行滤波，计算出绳索上的实际拉力值；
2.3计算出目标拉力值与当前拉力值之间的差值；
2.4比较实际拉力值与目标拉力值的差值，确定张紧力控制模式，有以下三种情况：
2.4.1实际拉力值与目标拉力值的差值在阈值范围内，执行器进入拉力空闲模式，将电动机的目标电流值设置为0，使电动机保持不转；
2.4.2实际拉力值大于目标拉力值，且差值大于阈值，执行器进入松弛控制模式，将电动机的驱动电流设置为通过PID算法计算出电动机的驱动电流值，并将电动机的旋转方向设置为使驱动绳索伸长的方向，最后驱动电动机旋转；
2.4.3实际拉力值小于目标拉力值，且差值大于阈值，执行器进入张紧控制模式，将电动机的驱动电流设置为通过PID算法计算出电动机的驱动电流值，并将电动机的旋转方向设置为使驱动绳索缩短的方向，最后驱动电动机旋转；
2.5返回步骤2.1。
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| 一种四足机器人机构及运动学分析;万媛;张小俊;史延雷;;科学技术与工程(第18期);全文 * |
| 面向人工肌肉驱动器的无模型自适应滑模控制研究;杨辉;郝丽娜;孙智涌;陈洋;东北大学学报. 自然科学版;第38卷(第11期);全文 * |
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