氣動技術與構型組合在機器人領域的應用

姜飛龍，劉昊，柳民，柴大霞，胡月明，曹堅，李心雨

(1.嘉興學院機械工程學院，浙江嘉興 313004；2.浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室，浙江杭州 310027; 3.浙江興土橋梁臨時鋼結構工程有限公司，浙江嘉興 314006；4.脈通醫療科技(嘉興)有限公司，浙江嘉興 314006)

0 前言

隨著“中國制造2025”的提出, 機器人取代人類, 無人工廠、智慧工廠、無人車間將是未來的發展趨勢。根據機器人的動力來源，可以將其分為電機機器人、液壓機器人、氣壓機器人。電機機器人已經被廣泛應用于工業自動化領域，國內、外研究人員主要集中于各種非線性控制策略以提高其控制精度[1-4]。由于液壓具有輸出力矩大的優點[5-6]，氣動肌肉具有較好的柔順性、高的功率/質量比的優點均被用于機器人。由于氣動肌肉僅能提供拉力，所以常常成組使用以拮抗肌的形式驅動關節[7-9]。雖然國外一些學者從分析人體肌肉的結構出發，設計類人肌肉分布的關節，但這些構型由于氣動肌肉連接、分布問題，并不能有效精確建模和伺服控制[10-12]。并聯機構具有精度高、剛度大、位置反解容易實現等優點，被廣泛應用于機器人。氣動肌肉與并聯機構結合的機器人是一種較好的研究思路[13-15]，但大部分僅僅局限于單層并聯構型伺服控制研究，并不能實現仿人機器人關節的伺服控制。為解決此問題，本文作者從基本的構型設計出發，逐漸推廣到仿人關節、機器人關節，為氣動機器人的建模、伺服控制提供思路。

1 基本構型的仿生關節

肌肉分類有按照所處的位置、肌肉功能、肌頭數目等分類方式。按照肌肉所處的部位分為四肢肌、頭肌、軀干肌、頸肌; 按照肌肉的功能分為:展肌、收肌、伸肌、屈肌、旋肌; 按照肌肉近側端的肌頭數目分為:二頭肌、三頭肌、四頭肌。

肌肉的形態多樣，按照外形大致分為長肌、短肌、扁肌和輪匝肌;其中長肌收縮明顯, 運動幅度較大, 而短肌具有節段性, 運動幅度較小; 錯綜復雜的長肌和短肌協調驅動人的上肢、頸、腰、下肢運動。按照肌肉與關節連接時，跨過所連接關節的數量可以分為單關節肌和多關節肌；單關節肌僅作用于一個關節，多關節肌跨過兩個或兩個以上的關節。

結合長肌、短肌、單關節肌和多關節肌，設計包括短肌、單關節肌形式的上端氣動肌肉和下端氣動肌肉，以及長肌多關節肌形式的多關節氣動肌肉。為了方便建模，上端氣動肌肉、下端氣動肌肉均勻分布在中間平臺，并且多關節氣動肌肉均勻分布在下端氣動肌肉外側，實際應用時可根據需要調整各氣動肌肉的位置，即為圖1(a)中的基于肌肉混聯的基本仿生關節。為研究不同層之間的肌肉交叉分布，圖1(b)中的基于肌肉交叉的基本仿生關節，第一層氣動肌肉與第二層氣動肌肉、第二層氣動肌肉與第三層氣動肌肉相互交叉，各層肌肉之間通過運動平臺、支撐桿、固定平臺連接。由于氣動肌肉僅能夠收縮提供拉力，不能夠像氣缸那樣既可以收縮提供拉力又可以伸出提供推力，但是可把氣缸等效為具有柔性的氣動肌肉與具有剛度的桿并聯，因此圖1(c)中的基于肌肉與氣缸混聯的基本仿生關節與圖1(a)中的下端氣動肌肉在圓周上轉動60°角度效果一致，但是多了一個豎直方向的移動自由度。圖1(d)中基于肌肉與氣缸浮動的基本仿生關節則可以認為是圖1(c)的進一步變型，由于氣動肌肉僅提供拉力的特性，因此下端氣缸變換為氣動肌肉與桿組合。

圖1 基于氣動的基本仿生關節

2 基于氣動肌肉的仿人關節

目前氣動肌肉仿生機器人精確建模[10-12]局限于氣動肌肉與人體骨骼的連接與機構簡化，類人型短小氣動肌肉末端沒有用于固定同軸拉線式傳感器的部件，同時氣動肌肉與關節的連接沒有任何規律可言，本文作者提出采用THK公司的球鉸與FESTO公司的DMSP系列氣動肌肉做成一體的解決方案，肌肉的長度根據設計需要定制，既解決了氣動肌肉精確可靠安裝的問題，又可以利用氣動肌肉兩端的鋁合金外套安裝拉線式位移傳感器；同時將關節的氣動肌肉簡化為柔性冗余串、并、混聯關節。

如圖2(a)所示的基于肌肉的仿人脖子關節中，肋骨之間由椎骨連接固定，斜方肌、胸鎖乳突肌、頸闊肌、肩胛舌骨肌、胸骨舌骨肌兩端分別與肋骨、頭骨連接，關節可以簡化為柔性冗余并聯機構，豎脊肌兩端與骨盆、頭骨連接，作為多關節肌肉，與上述單關節柔性冗余并聯機構一并作為動力元件。圖2(b)所示的基于肌肉的仿人上肢關節中，小圓肌、岡下肌、肩胛下肌、三角肌、岡上肌為起始于肋骨、終止于肱骨，驅動肩關節的柔性冗余并聯機構；腕關節則包含肱橈肌、旋后肌、旋前圓肌、腕關節橈側長伸肌、掌長肌、腕關節尺側伸肌、腕關節橈側短伸肌、橈側腕屈肌。肱二頭肌、啄肱肌、肱三頭肌、肱肌為多關節肌肉，同時連接肋骨、尺骨并且驅動肩關節、肘關節。同樣可設計仿人下肢，其中梨狀肌、髂腰肌、閉孔內肌作用于髖關節，股外側肌、前群、小腿三頭肌驅動踝關節，股直肌、股薄肌、腘繩肌、股二頭肌為驅動髖關節、膝關節的多關節肌肉。

圖2 基于氣動肌肉仿人關節(一)

在圖3(a)所示的基于肌肉的仿人腰關節中，豎脊肌、背闊肌、腹外斜肌、腹直肌，構成起始于骨盆、終止于3層不同肋骨的3組柔性冗余并聯機構。圖3(b)所示的基于肌肉的仿人嘴關節中，繼發腭與下頜骨直接用氣動肌肉連接，考慮到氣動肌肉的實際收縮量、驅動關節運動的范圍，采用鋁合金搭建框架，顳肌、顴肌、上唇方肌與繼發腭連接，頰肌、咬肌、三角肌、下唇方肌與下頜骨連接，這樣保證繼發腭與下頜骨由顳肌、顴肌、上唇方肌、頰肌、咬肌、三角肌、下唇方肌驅動實現相對運動。

圖3 基于氣動肌肉仿人關節(二)

3 基于氣動肌肉的關節機器人

圖4(a)所示的基于多組變長度肌肉交叉的關節機器人，骨盆與胸骨之間布置一組長氣動肌肉肌群于中間，骨盆與胸骨之間兩組長氣動肌肉肌群左、右布置。距離較遠的肋骨之間由中氣動肌肉肌群連接且左、右兩側布置，距離較近的肋骨之間用短氣動肌肉肌群連接。髖關節氣動肌肉兩端分別與股骨、骨盆連接驅動髖關節；髖關節、膝關節氣動肌肉則兩端分別與腓骨、骨盆連接，同時驅動髖關節、膝關節；膝關節、踝關節氣動肌肉兩端分別與股骨、腳連接，同時驅動膝關節、踝關節。圖4(b)所示的基于多組肌肉內外分布的關節機器人與圖4(a)所示的不同，多組長氣動肌肉集中分布在中間的左、右、中，肋骨之間沒有短氣動肌肉，僅僅在最左端、最右端分別有一組中氣動肌肉。

圖4 基于氣動肌肉的關節機器人(一)

圖5(a)所示的基于多組多層肌肉內外驅動的關節機器人中，骨盆與胸骨之間為多組長氣動肌肉左、右、中連接，肋骨之間用中氣動肌肉連接，胸骨與肋骨、肋骨與骨盆之間為短氣動肌肉連接。圖4、圖5(a)中所示的腰關節、下肢的髖關節、膝關節、踝關節均為柔性冗余并聯機構。圖5(b)所示的基于肌肉肌群拮抗的關節機器人，采用多根氣動肌肉構建氣動肌肉肌群組成拮抗肌，用于肩關節、髖關節、膝關節、踝關節；腰關節則由腰關節氣動肌肉一、腰關節氣動肌肉二、腰關節氣動肌肉三相互交叉串聯而成。

圖5 基于氣動肌肉的關節機器人(二)

4 基于氣缸的關節機器人

圖6(a)所示的基于多長度氣缸混聯的關節機器人，由于氣缸可以提供拉力或者推力，采用多種長度的氣缸并聯或者一組氣缸即可驅動上肢、下肢關節運動。圖6(b)所示的基于氣缸串聯與混聯的關節機器人，上肢和下肢分別采用擺動氣缸串聯、并聯氣缸串聯，腰關節采用并聯氣缸交叉。圖6(c)所示的基于多氣缸驅動單關節的關節機器人，多組踝關節氣缸分別與腓骨、腳兩段連接；支撐氣缸在中間支撐帶輪，拮抗氣缸則驅動皮帶帶動帶輪轉動；腕關節氣缸與帶輪共同驅動連接板。

圖6 基于氣缸的關節機器人(一)

圖7(a)所示的基于多長度氣缸內外驅動的關節機器人，股骨、腓骨內部鏤空部分分別安裝1根短氣缸與3根膝關節長氣缸并聯、3根踝關節長氣缸并聯組合，分別作用于膝關節、踝關節；髖關節則采用并聯氣缸與一對氣缸組合保證各方向的移動和轉動。圖7(b)所示的基于多方向氣缸的關節機器人，8根髖關節氣缸在多個方向并聯和多對氣缸混合驅動髖關節；多組彈簧與腰關節氣動肌肉同軸構成剛柔混合并聯機構，踝關節多組氣缸既可以作為中間支撐元件，又可以作為執行元件。圖7(c)所示的基于雙下肢互相作用與多氣缸的關節機器人，髖關節兩個支腿的髖關節氣缸相互作用，踝關節氣缸、踝關節與腳氣缸串并聯，之后又與腳關節氣缸并聯。

圖7 基于氣缸的關節機器人(二)

5 基于氣動肌肉與氣缸的關節機器人

圖8(a) 所示的基于薄壁氣缸與短肌肉混合的關節機器人，腰關節氣動肌肉在四周作為執行元件，薄壁氣缸在中間實現小距離的直線運動；髖關節氣缸、髖關節氣動馬達共同作用于髖關節的萬向節結構，踝關節結構類似。圖8(b)所示的基于肌肉、氣缸冗余的關節機器人，腰關節氣動肌肉并聯，同時單邊連接同時又左右交叉；髖關節氣動馬達、膝關節氣動馬達、踝關節氣動馬達與平行四邊形結構組合構建下肢。圖9(a)所示的基于短氣缸、長肌肉的關節機器人，髖關節氣缸、膝關節氣缸作為剛性元件起到支撐作用，與髖關節膝關節氣動肌肉結合；踝關節氣缸(短氣缸)、膝關節踝關節氣缸(長氣缸)、膝關節踝關節氣動肌肉共同作用小腿運動。圖9(b)所示的基于直線氣缸、擺動氣缸的關節機器人，直線氣缸與桿結構結合，與一對直線氣缸組合驅動膝關節。

圖8 基于氣動肌肉與氣缸的關節機器人(一)

圖9 基于氣動肌肉與氣缸的關節機器人(二)

6 結論

(1)通過對人體肌肉的分布分析，結合機械機構學，由于氣動肌肉僅提供拉力，設計基于氣動肌肉的柔性冗余串、并、混聯機器人關節；人體肌肉有長短之分，設計空間單關節、多關節氣動肌肉混聯的機器人關節。

(2)氣動肌肉和氣缸作為執行元件，可以與機械機構學的齒輪、桿結構、蝸輪蝸桿結合，構成機器人關節。氣缸可以提供推力或拉力，可以設計并聯聯機器人關節；也可以設計氣動肌肉與氣缸混聯的機器人關節。由于篇幅有限，僅介紹每個機器人相對于其他機器人的機構創新之處。