本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种伸长型气动肌肉及其动力学建模 方法。
背景技术：
气动肌肉是一种简单的新型气动驱动器，具有功率比大、柔顺性好、安全性 高等特点。气动肌肉可以分为两类：收缩型气动肌肉和伸长型气动肌肉。其中收 缩型气动肌肉广泛应用于驱动机械灵巧手、仿生四足机器人、外骨骼助力装置等， 而伸长型气动肌肉的研究目前仍处于初步阶段。伸长型气动肌肉除了具有收缩型 气动肌肉柔顺、结构轻巧等优点之外，还具有良好的延伸能力，这使其可以灵活 使用于多种场合，比如仿象鼻机器人、仿章鱼爪机器人等。在以上应用研究中发 现，气动肌肉是一种集成机-电-气一体化的复杂系统，因此设计伸长型气动肌肉 并对其进行动力学建模是非常重要的。
目前，气动肌肉动力学研究方法主要可以分为三种：第一种是物理几何建模， 即根据气动肌肉本身的物理和机械特性来建立动力学模型，这种建模方法要求充 足的基础知识，能够根据编织网和橡胶管的几何形状建立力平衡方程；第二种是 唯象建模，即根据已知的模型结构对气动肌肉进行等效，这种建模方法不需要对 气动肌肉的物理几何特性做透彻的分析，往往通过特定的实验即可辨识出模型的 参数；第三种是拟合建模，即先通过实验测试气动肌肉的特性，再根据测得的数 据拟合气动肌肉的模型，而由于实验中，不确定因素有很多，所以这种建模方法 需要大量的实验数据。以上研究方法在气动肌肉的动力学建模中都取得了一定进 展，然后，以上研究主要集中在收缩型气动肌肉，针对伸长型气动肌肉的动力学 建模及其影响参数分析的方法尚待研究。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不 必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请 的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创 造性。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提出一种伸长型气动肌肉及其动力学建模方 法，伸长型气动肌肉能够灵活应用于多种场合，且动力学建模方法准确地反映伸 长型气动肌肉的动态特性，弥补了对伸长型气动肌肉的研究空白，为对伸长型气 动肌肉的研究打下基础。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种伸长型气动肌肉，包括伸缩管、编织网和两个终端接头， 其中所述编织网包裹在所述伸缩管的外圈上，所述编织网的长度大于所述伸缩管 的长度，两个所述终端接头分别固定连接在所述伸缩管的两端以将所述伸缩管和 所述编织网固定连接。
优选地，所述编织网的交叉角度大于54.7°。
优选地，所述伸缩管采用橡胶管。
本发明还公开了一种上述的伸长型气动肌肉的动力学建模方法，包括：将所 述伸长型气动肌肉等效为阻尼单元、弹性单元和推力单元相并联的结构，得到所 述伸长型气动肌肉的动力学模型公式；并分别得到所述阻尼单元的阻尼参数、所 述弹性单元的弹性参数和所述推力单元的推力参数。
优选地，所述伸长型气动肌肉的动力学模型公式为：
式中，m为负载质量，g为重力加速度，y、分别为所述伸长型气动 肌肉末端的伸长位移、速度和加速度，kp、bp、fp分别为弹性参数、阻尼参数和 推力参数。
优选地，其中kp、bp、fp分别与充气气压呈线性关系，并满足下式：
式中，p为充气气压，f0、k0、b0和f1、k1、b1均为待定系数。
优选地，所述推力单元的推力参数的计算公式为：
fp＝Sp (3)
其中，径向有效截面积S＝π(d/2)2，d为所述伸缩管的内径。
优选地，其中得到所述弹性单元的弹性参数的方法为：对所述伸长型气动肌 肉进行拉伸试验，测试所述伸长型气动肌肉在不同拉伸长度下的拉力，并根据下 式计算得到弹性参数：
kp＝fp/(y-y0) (6)
式中，y0为所述伸长型气动肌肉的初始长度，y为其伸长后的长度；
然后根据式(3)计算得到充气气压p，结合式(6)计算得到的弹性参数kp， 再通过最小二乘法对kp和p进行拟合得到拟合线，根据该拟合线得到系数k0和 k1。
优选地，所述阻尼单元的阻尼参数bp的取值范围0.35～0.55。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明公开了一种伸长型气动肌 肉，可以灵活应用于多种场合，比例仿象鼻机器人、仿章鱼爪机器人等；并有效 地建立了该伸长型气动肌肉的动力学模型，且得出了动力学模型中的各个参数； 根据试验结果表明，本发明中所建立的动力学模型能够准确地反映伸长型气动肌 肉的动态特性，以弥补了对伸长型气动肌肉的研究空白，为对伸长型气动肌肉的 研究打下基础。
附图说明
图1是本发明优选实施例的伸长型气动肌肉的结构示意图；
图2是图1的伸长型气动肌肉的动力学模型示意图；
图3是本发明具体实施例的伸长型气动肌肉弹性试验结果的拟合示意图；
图4a是E-PM动态特性试验的仿真系统；
图4b是图4a中的E-PM子系统的仿真模型。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明优选实施例公开了一种伸长型气动肌肉，包括伸缩管 10、编织网20和两个终端接头30，其中编织网20包裹在伸缩管10的外圈处， 编织网20的长度大于伸缩管10的长度，两个终端接头30分别固定连接在伸缩 管10的两端以将伸缩管10和编织网20固定连接；其中在本实施例中，伸缩管 10采用橡胶管，编织网的交叉角度大于54.7°，使得向伸缩管10内充气时能够 使得该伸长型气动肌肉轴向伸长。
本发明优选实施例的伸长型气动肌肉的动力学建模方法包括：
如图2所示，本实施例将上述伸长型气动肌肉等效为阻尼单元40、弹性单 元50和推力单元60相并联的结构；
其中，阻尼单元40中的阻尼参数直接影响了气动肌肉伸长的快慢，弹性单 元中50的弹性参数直接影响了气动肌肉伸长的长度，推力单元60并不直接作用 于某一变量，它是由气动肌肉本身的特性决定的，包括囊壁间的摩擦力等综合形 成的一种结构。这三个单元均与内部气压呈线性关系，该伸长型气动肌肉的动力 学模型表达式为：
式中，m为负载质量，g为重力加速度，y、分别为气动肌肉末端的 伸长位移、速度和加速度，kp、bp、fp分别为弹性参数、阻尼参数和推力参数。
其中kp、bp、fp分别满足下式：
式中，p为充气气压，f0、k0、b0和f1、k1、b1均为待定系数。
由于伸长型气动肌肉在充气伸长过程中，其径向大小基本不变，因此可以认 为编织网的交叉角度基本不变，管网间的摩擦力也没有变化，即有推力等于气压 乘以径向面积：
fp＝Sp (3)
其中，径向有效截面积S＝π(d/2)2，d为伸缩管的内径。
根据气动肌肉动力学模型表达式(1)可知，伸长型气动肌肉处于静态状态 时速度和加速度均为0，故其模型可简化为：
kpy+mg＝fp (4)
在无负载的情况下可进一步简化为：
kpy＝fp (5)
为了辨识出该伸长型气动肌肉的弹性参数，本实施例在常温环境，大气压强 为101.3KPa的条件下，搭建了弹性试验平台，通过测试伸长型气动肌肉在不同 拉伸长度下的拉力，再通过公式(6)即可计算出弹性参数kp：
kp＝fp/(y-y0) (6)
式中，y0为气动肌肉的初始长度，y为其伸长后的长度。
在本实施例中，采用基于OT2-A280ARH车床的位移调节器用来实现气动肌 肉的拉伸，OT2-A280ARH车床通过光栅传感器来测定刀具台的位移量，能精确 到小数点后三位，保证了位移测量的精度；采用JLBM-100KG拉力传感器来测 定气动肌肉所受拉力，精度达到0.1％，能够保证拉力测试的精度；采用CHB-V0 拉力传感器读数器用来读取拉力值，数显精确到小数点后三位，保证了读数的准 确度。
具体测试步骤包括：(1)将刀具台向后移动一定距离，读取读数器显示的拉 力值，记录车床数显的位移值；(2)将刀具台继续向后移动一定距离，读取读数 器显示的拉力值，记录车床数显的位移值；(3)每个距离值重复试验3次；(4) 每个位移值对应的三个拉力值，取平均值作为拉力最终值。
根据公式(3)计算充气气压p，根据公式(6)计算弹性参数kp，并且通 过最小二乘法对kp和p进行拟合，得到弹性参数kp和充气气压p的关系如下式 所示：
kp＝k1p+k0 (7)
例如，在一个实施例中，对具体的伸长型气动肌肉进行上述试验，得到试验 数据如下表1。
表1弹性试验数据
根据公式(3)计算充气气压p，根据公式(6)计算弹性参数kp，再通过 最小二乘法对kp和p进行拟合，拟合结果如图3所示。根据图3中的拟合线得 到弹性参数kp和充气气压p的关系为：kp＝0.0074·p+0.2781，也即k1＝0.0074， k0＝0.2781。
根据对拟合值和实际值进行误差分析，计算得到 δ＝0.0191，拟合精度较高，这表明弹性参数的原始辨识数据离散程度较小，因 此采用直线拟合是合适的。
在本实施例中，基于Matlab/Simscape建立了仿真试验系统，如图4a和图 4b所示；其中，图4a中E-PM动态特性试验仿真系统由三个部分组成，即输入 部分、E-PM子系统和输出部分。其中在输入部分，P表示系统输入信号为气压 的阶跃信号，PC表示参数配置模块，用来配置气动肌肉的三个参数；E-MP子 系统代表伸长型气动肌肉，其仿真模型如图4b所示，S表示弹簧单元，D表示 阻尼单元，F表示推力单元，端子1、2、3、4分别表示kp、bp、fp以及气动肌肉 相对位置的输入，5表示气动肌肉长度的输出，在图4a中封装为E-PM模块；输 出部分中，MS表示运动传感器，用来检测气动肌肉伸长的速度和长度变化量； Fixed End代表气动肌肉的静止端，Free End代表气动肌肉伸长端，将Free End 替换为Mass模块即表示负载；S-PS模块用来将无单位的Simulink输入信号转换 为物理信号，PS-S模块用来将物理信号转换为无单位的Simulink输出信号，f(x)＝0 代表求解器配置函数；L和V分别代表伸长长度和伸长速度观测器。
通过上述仿真试验系统来分析阻尼参数对动态特性的影响，固定气压、固定 负载情况下，选取不同阻尼值分别进行仿真试验。由仿真结果可知，阻尼参数的 不同不会影响气动肌肉最后的长度。但是阻尼越大，气动肌肉最终达到稳态的时 间越长。通过仿真实验，阻尼参数的参考范围为0.35-0.55。
因此，综上可得到伸长型气动肌肉的动力学模型的各参数分别为：
本发明优选实施例设计了一种伸长型气动肌肉，可以灵活应用于多种场合， 比例仿象鼻机器人、仿章鱼爪机器人等；并有效地建立了该伸长型气动肌肉的动 力学模型，且得出了动力学模型中的各个参数；根据试验结果表明，本发明中所 建立的动力学模型能够准确地反映伸长型气动肌肉的动态特性，以弥补了对伸长 型气动肌肉的研究空白，为对伸长型气动肌肉的研究打下基础。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能 认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而 且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。