非完全对称气动柔性弯曲关节力学特性实验

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1、2014年11月农业机械学报第45卷第11期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．11．052*非完全对称气动柔性弯曲关节力学特性实验1，211111邵铁锋张立彬都明宇鲍官军罗鑫远杨庆华(1．浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，杭州310018;2．中国计量学院工程训练中心，杭州310032)摘要:为改进柔性机器人驱动器结构及数学模型，提出了一种非完全对称气动柔性弯曲关节及其数学模型。为了实现其实时闭环控制系统，进一步简化了原有数学模型，并对其力学特性进行了实验研究。搭建了力学特性实验平台，并对两种不同规格(长度分别为40、60mm)的

2、关节进行了测试。采用Matlab曲线及曲面工具箱对测试结果进行分析，得到了新型气动柔性弯曲关节的经验模型。该经验模型表明气动柔性弯曲关节的弯曲角度与初始长度、关节内外气压差、输出力之间存在非线性关系。与简化的数学模型比较，该经验模型具有更高的精度，其中输出角度模型相对误差平均值小于6.7%，输出力模型相对误差平均值小于2%。同时，该经验模型纠正了原有数学模型中，认为关节初始长度与弯曲角呈正比的错误结论。关键词:气动柔性弯曲关节力学特性经验模型曲面拟合中图分类号:TP241文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)11-0337-06近年来，多种不同材料与结构的驱动器由国内引言［6］

3、外学者提出，例如:气动柔性驱动器，气动柔性弯［7］［8］气动人工肌肉(PAM)具有高力/质量比、柔性曲关节，气动柔性摆动关节，双波纹管气动弯［9］［10］好、动作平滑、噪声低、重量轻和维护方便等优曲关节，聚合物人工肌肉等。［1］点，作为一种柔顺性和适应性较好的机器人关节相对于PAM结构与材料发展的多样化，其特性驱动器，在机器人等领域引起了国内外学者的广泛相关理论研究相对薄弱。其中，20世纪90年代中关注。期，美国的Chou和Hannaford根据能量守恒定理建［11］McKibben型PAM作为PAM的典型代表，起源立的PAM模型得到了广泛的使用。在国内，北［2］于20世纪50年代，其内部是弹

4、性较好的橡胶管，京航空航天大学的宗光华较早开始气动肌肉的研外部为一层较高强度的纤维编织网，当充以压缩空究，分析了其非线性特性、橡胶管弹性及其自身摩擦［12－13］气时，PAM结构在轴向收缩并在径向膨胀，若其一对驱动模型的影响;上海交通大学的田杜平［14］［15］端固定，另一端连接负载，可以通过轴向收缩而产生等、哈尔滨工业大学的王祖温等、浙江大学的［16］［17］驱动力。经过多年的发展，基于McKibben型PAM陶国良等、北京理工大学的彭光正等、浙江工［18］研发的人工肌肉驱动器有较多报道，同时成系列的业大学的杨庆华等均在气动人工肌肉研究上取［3］商品化McKibben型PAM也相继由英国Sh

5、adow得了丰硕的成果。等各大公司推出。本文为进一步改进柔性机器人驱动器结构及相20世纪80年代初，日本东芝公司研制的3自应的数学模型，提出了非完全对称气动柔性弯曲关［4］由度驱动器FMA(Flexiblemicro-actuator)，其外节(Flexiblepneumaticbendingjointwithspecial形呈管状，管内分隔成3个互呈120°的扇形柱空anisotropicrigiditystructure，FPBJ)，并基于其力学特腔，具有伸长、偏转、弯曲3个自由度。性模型的理论研究基础，对其进行实验研究。［5］21世纪初，Noritsugu等开发了一种旋转型气1FPBJ结

6、构与力学建模动柔性驱动器，该驱动器由硅橡胶制成两个边板和中间的可伸缩部分组成，可实现围绕其中心轴线产1.1FPBJ结构设计生旋转运动。如图1所示，FPBJ由左右端盖、非完全对称截收稿日期:2013-12-17修回日期:2014-02-11*国家自然科学基金资助项目(51075363)和浙江省自然科学基金资助项目(LY12E05022)作者简介:邵铁锋，博士生，主要从事机器人技术研究，E-mail:stf@cjlu．edu．cn通讯作者:杨庆华，教授，博士生导师，主要从事农业机器人、机电一体化控制研究，E-mail:robot@zjut．edu．cn338农业机械学报2014年称结构，在厚壁侧内

7、嵌薄弹簧钢片，以增加垂直弯曲平面的刚度。压缩气体从右端盖通入橡胶管的内腔，由于螺旋钢丝的约束作用橡胶管不产生径向膨胀，同时由于薄弹簧钢片的约束作用，橡胶管伸长量从厚壁侧到薄壁侧依次增加，因此橡胶管图1FPBJ结构原理图弯曲。Fig．1StructureofFPBJ1．左端盖2．非完全对称截面橡胶管3．螺旋钢丝4．右端盖1.2力学建模5．紧定螺钉6．薄弹簧钢片文献［19］基于关节弯曲过程中截面形状不