类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉设计及类神经控制方法
【专利摘要】本发明基于工程仿生学原理，在微观角度深入分析动物骨骼肌生理构成和驱动机理的基础上，模拟骨骼肌微观结构，建立一种新型阵列式人工肌肉结构模式，并根据其结构特点，结合骨骼肌微观结构与神经系统对骨骼肌的控制驱动方式，重点设计了人工肌肉的驱动过程和控制方法，使该人工肌肉在结构、运动形式、控制方法、驱动过程等方面与生物骨骼肌更为贴近。
【专利说明】类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉设计及类神经控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人驱动技术和仿生技术，特别是涉及一种类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉结构设计方法及其类神经控制方法。
【背景技术】
[0002]随着足式机器人在战地、反恐、抢险救援、空间探索、危险环境作业等场合下越来越广泛的应用，机器人的跳跃、奔跑、跨越障碍、平稳行进等运动性能以及抗外界冲击性和复杂地形适应能力逐渐引起人们的重视。由此，对机器人关节的瞬时力矩、摆动频率和功率密度等性能提出了越来越高的要求，而目前机器人关节普遍采用的“旋转电机+传动机构”的驱动方式因受电机本身的力-加速度特性以及传动机构的动力学特性的限制，很难满足军事和民用复杂应用环境对高性能关节运动的要求，迫切需要瞬时加速度大、冗余性强、响应速度快和功率密度高等方面具有优越性能的新型驱动器。
[0003]骨骼肌驱动的动物关节不仅结构简洁紧凑，同时在储能、缓冲能力、速度、敏捷性、能量密度、瞬时爆发力等方面具有传统关节驱动装置难以企及的性能，如重量不超过IKg的人体膝关节能提供10倍于人体重量的驱动力，猎豹的奔跑速度高达时速130公里，湾鳄的咬力接近1900Kg。动物骨骼肌具有条理分明的层次式结构，主动收缩产生的变形量及输出力的大小由其内部微观组成结构共同协作完成的。这种层次性结构使得动物骨骼肌具有高冗余性，即使骨骼肌中小部分微观结构组成由于损伤、病变等原因不能工作，对整体影响并不大。骨骼肌的层次式结构使得骨骼肌还具有瞬时加速度大、响应速度快、协调能力强、敏捷性高、自动调节结构参数等特点。骨骼肌作为脊椎动物的运动肌肉有着很多优异性能，运用仿生学原理，模拟生物骨骼肌的结构和驱动机理设计的人工肌肉及其驱动控制器，可获得生物骨骼肌的优异性能和简洁紧凑结构。
[0004]现今大部分人工肌肉以肌群输出力、位移与控制方法为仿生模拟对象，并少对骨骼肌微观结构及其微观控制驱动机理进行分析与研究。模拟动物骨骼机层次式结构进行人工肌肉模式设计，可使人工肌肉具有较好的冗余性及更好的工作性能。针对现代驱动器存在的这些问题，本发明模拟骨骼肌微观结构，提出一种直线阵列式人工肌肉结构模式，使其在结构、运动形式、控制方法、驱动过程等方面与生物骨骼肌更为贴近，具有瞬时加速度大、冗余性好、协调能力强、响应速度快和功率密度高等特点。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中驱动器存在冗余性、瞬时力矩、摆动频率和功率密度等性能不能满足现代机器人需要的问题，本发明提供了类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉设计及类神经控制方法。
[0006]为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案:
[0007]—种类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉的设计方法，该方法将类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉包括多个类半肌节驱动器，多个类半肌节驱动器经过串联形成类肌原纤维驱动器，以一个类肌原纤维驱动器为对称中心，将其他类肌原纤维驱动器并列排布构成六边形蜂窝式网状对称阵列式结构，每个类肌原纤维驱动器上的同层类半肌节驱动器分别通过类肌膜连接器将所有的类肌原纤维驱动器聚合成一体，并在聚合成一体的类肌原纤维驱动器两端设置有类腱膜连接器构成人工肌肉；该类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉的列数m及层数η的确定通过如下技术步骤:
[0008](I)根据人工肌肉应用对象和应用环境给出最大目标输出位移Lasmax以及人工肌肉运动时需要的最大目标输出力Fasmax ；
[0009](2)计算人工肌肉并联层层数η，η为自然数，若类半肌节驱动器的最大输出位移为xs_，则有
【权利要求】
1.一种类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉的设计方法，其特征在于:该方法将类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉包括多个类半肌节驱动器，多个类半肌节驱动器经过串联形成类肌原纤维驱动器，以一个类肌原纤维驱动器为对称中心，将其他类肌原纤维驱动器并列排布构成六边形蜂窝式网状对称阵列式结构，每个类肌原纤维驱动器上的同层类半肌节驱动器分别通过类肌膜连接器将所有的类肌原纤维驱动器聚合成一体，并在聚合成一体的类肌原纤维驱动器两端设置有类腱膜连接器构成人工肌肉；该类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉的列数m及层数η的确定通过如下技术步骤: (1)根据人工肌肉应用对象和应用环境给出最大目标输出位移Lasmax以及人工肌肉运动时需要的最大目标输出力Fasmax ； (2)计算人工肌肉并联层层数η，η为自然数，若类半肌节驱动器的最大输出位移为Xsmax，则有
2.如权利要求1所述的类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉的设计方法，其特征在于:所述的每个类肌原纤维驱动器上的同层类半肌节驱动器分别通过类肌膜连接器将所有的类肌原纤维驱动器聚合成一体，各类肌膜连接器逐层等距离并列排布。
3.如权利要求1所述的类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉的设计方法，其特征在于:在聚合成一体的类肌原纤维驱动器两端设置有类腱膜连接器，类腱膜连接器为六边形结构。
4.一种权利要求1设计得到的类骨骼肌直线网状阵列式人工肌肉的类神经控制方法，其特征在于:该控制方法包括如下步骤: 第一步，根据人工肌肉上层控制器解算的控制时间Δt内，人工肌肉目标输出位移Las以及其运动时的目标输出力Fas ； 第二步，先进行人工肌肉列控制，计算人工肌肉并联控制层层数n，n为自然数，若类半肌节驱动器的最大输出位移为xsmax，则有
【文档编号】G05B13/04GK103529704SQ201310476897
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】李靖, 秦现生, 董秀珍, 季振宇, 付峰, 尤富生, 史学涛, 刘锐岗, 白晶, 王战玺 申请人:中国人民解放军第四军医大学