气囊U气肌反对称并联式机器人力关节的制作方法

本发明涉及气囊u气肌反对称并联式机器人力关节。

背景技术：

传统的机器人一般由多个位置关节按照一定的构型装配而成，能够实现末端的定位。这种配置刚性关节的机器人在非结构环境下的应用受到严重制约。当前机器人领域最突出的问题是如何提高机器人的适应性。被动柔性和主动力控制是提高机器人适应性的较为常见的两种方法。被动柔性的缺点是其柔性难以进行控制，应用面较窄。常见的主动力控制包括：阻抗控制、力/位混合控制、自适应控制和智能控制等。实现机器人的主动力控制需要外部高精度力传感器或电流传感器；对传感器的精度、采样频率的带宽和控制算法的实时性要求极高；在非结构环境下难以保证安全性，且鲁棒性较低。并且，主动力控制在已有的机器人位置和速度控制环上增加外环力控制，在变载荷或冲击载荷作用下往往会失去稳定性，应用局限性大。而气囊u气肌反对称并联式机器人力关节包含一定的弹性环节，设置关节力控制环，没有关节位置和关节速度环。这是一种颠覆性的机器人关节设计理念，在新一代机器人中具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

理想的机器人位置关节的关节刚度为无穷大k＝∞(记关节刚度为k)；理想的可变刚度关节的关节刚度为特定值k∈(0,∞)；而本发明提出的机器人力关节的关节刚度k＝0，正好弥补了这两种已有的机器人关节之间的研究空白。机器人力关节包括弹性环节和驱动力调节机构等两个主要技术要素，其组合形式非常丰富，是世界范围内机器人领域的研究热点之一。

目前已有机器人力关节存在的主要不足之处为：弹性环节和关节力调节机构各自独立，为了满足机器人关节驱动力非线性调节的要求，通常采用非线性弹簧或者“线性弹簧+非线性调节机构”来实现。从机构学角度看，如果能将弹性环节和调节机构合二为一，将能够简化机械机构和提升力关节的适应性。

根据本发明的一个方面，提供了一种气囊u气肌反对称并联式机器人力关节，其特征在于包括：

安装在关节轴线的一侧的气肌，其上端与固定端相连，其下端与活动端相连，

安装在关节轴线的另一侧的气囊，其上端与固定端相连，其下端与活动端相连，

设置在从气罐到气肌的气路上的第一电磁比例阀，用于调节从气罐到气肌的气体的气压，

设置在从气罐到气囊的气路上的第二电磁比例阀，用于调节从气罐到气囊的气体的气压，

导向装置，用于保证在气肌和气囊的伸缩过程中活动端始终与固定端平行。

附图说明

图1是气肌和气囊的特征力-位曲线的示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的气囊u气肌反对称并联式机器人力关节的原理图。

具体实施方式

本发明属于机器人领域，涉及一种机器人力关节，尤其涉及一种气囊u气肌反对称并联式机器人力关节，所述的气囊与气肌由弹性材料制成，由供气系统对其供气，通过气囊与气肌的伸缩变化产生输出力

根据本发明的一个方面，提供了一种气囊u气肌反对称并联式机器人力关节，该力关节为直动关节，气肌和气囊呈反对称布局。

在一定的输入压力下，气肌和气囊的输出力均随变形量的增大而单调减小。典型情况下，如图1所示，气肌和气囊的名义输入压力相同，实线为气囊力-位曲线族的一支，虚线为气肌力-位曲线族的一支。在两条力-位曲线的中间部分，总是存在一段曲线(如从ε1到ε2)的曲率很小，两条曲线近似为平行线。其物理意义为：当关节的变形量从ε1到ε2时，力关节对外输出的驱动力基本保持不变，视为关节刚度为0。气囊对活动端的推力从fb1减小到fb2，气肌对活动端的拉力从fm1减小到fm2，而fb1-fb2≈fm1-fm2。在ε1处关节的驱动力f1＝fb1–fm1；在ε2处关节的驱动力f2＝fb2–fm2，所以f1≈f2。当气囊曲线高于气肌曲线时，关节驱动力为推力；当气肌曲线高于气囊曲线时，关节驱动力为拉力。当活动端与人体接触时(低频任务，10hz以下)，能够维持恒定的关节力，且允许关节有较大的位移，确保人机交互的安全性。通过电磁比例阀调节气肌和气囊的输入压力，过渡到力-位曲线族的另外一支，使得两者的力-位曲线发生平移，则可以实现关节拉力/推力的连续控制。

相比于已有的机器人关节，根据本发明的气囊u气肌反对称并联式机器人力关节的优点包括：

1)具有原创性的改进，即：在非结构环境下，机器人与环境(或工件)发生接触或粘连，能够同时实现拉/推力双向控制的研究成果极少。目前仅有的机器人主动接触法兰仅是一种气囊u非线性弹簧的单向推力控制关节，其应用局限性较大，机械惯性和摩擦力比较大，在控制精度和损耗方面存在局限性。本项目提出一种气囊u气肌的反对称式双向力控制关节，能够实现反向驱动，具有控制精度高和动态特性好等优点，能够根据需求精确输出驱动力，并且所需驱动力发生变化时，不会发生剧烈震荡或冲击，具有良好的动态性能。

(2)包含了方法上的创新，即：以耗气量最小为约束条件，采用动态补偿控制提高关节力控制精度。气囊和气肌的力-位特性曲线较为相似或平行，在一定范围内，两者的曲线近似为等距曲线。其物理含义是：当关节的变形量缓慢增大或者减小，两者的合力几乎保持不变。当关节负载变化时，按照分段动力学模型微动补偿气囊或气肌输入压力，实现耗气量最小的实时关节力控制。

(3)通过反对称式关节作动器布局消除非线性因素，避免了建模及相关的困难。机器人力控制关节的技术难点在于非线性因素的建模，如摩擦和气体迟滞等。这些因素难以精确建模，对系统的稳定性和响应影响较大。本发明避免了采用复杂的动力学建模，而是采用气囊u气肌的反对称式技术方案。反对称结构使得气囊和气肌的摩擦力与气体迟滞相互抵消，减小了系统中的非线性项。

根据本发明的一个实施例的气囊u气肌反对称并联式机器人力关节的结构原理如图2所示，其中，气肌(11)和气囊(8)的上端与固定端(12)相连，下端与活动端(9)相连。气肌(11)和气囊(8)并联安装在关节轴线的两侧，由气源(1)和气罐(2)作为动力源，为此力关节提供动力，电磁比例阀和压力表的作用是调节和检测气压，在本发明中，电磁比例阀1(3)和压力表4串联，为气肌(11)提供气压；电磁比例阀2(6)和压力表5串联，为气囊(8)提供气压。。当施加到气肌(11)的气压升高时，气肌(11)会缩短，对活动端(9)施加拉力，由于导向装置(10)的限制，活动端(9)和固定端(12)之间的距离减小，气囊(8)会被压缩，对活动端(9)施加推力。线性位移传感器(7)用于检测位移的数值，导向装置(10)保证活动端移动时不会偏斜。关节输出力为气肌(11)和气囊(8)作用于活动端(9)的合力，当气肌(11)输出的拉力大于气囊(8)输出的推力时，关节对外输出为拉力；反之，对外输出为推力。因此通过控制气肌(11)和气囊(8)的输入气压，可以控制关节的输出力。该关节的自由度为1，驱动器数为2，属于驱动器冗余构型。从关节输出力的方向来看，气肌和气囊呈反对称布局，有利于消除静摩擦力和气体迟滞。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种气囊U气肌反对称并联式机器人力关节，包括气肌、气囊、活动端、固定端、线性位移传感器、导向装置、电磁比例阀和压力表，其特征在于：由气源分别向气囊和气肌供气；气肌和气囊为并联分布；施加到气肌的压力升高时，气肌缩短，对活动端施加拉力，活动端与固定端之间的距离减小，气囊被压缩，向活动端施加推力。活动端输出力为气囊和气肌作用的合力，因此通过调节施加到气囊和气肌的气压，可以实现对输出端输出力的控制。该气囊U气肌反对称并联式机器人力关节包含一定的弹性环节，设置关节力控制环，没有关节位置和关节速度环，是一种颠覆性的机器人关节方案，在新一代机器人中具有广阔的应用前景。

技术研发人员：王伟;李子瑜;雷春;常金波
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2018.11.21
技术公布日：2019.04.16