基于气动人工肌肉的双足机器人关节设计

　　2 实验及系统应用

　　2.1 气动关节系统模型

　　为了实现对本文所搭建的气动人工肌肉驱动颉颃关节的准确伺服控制.首先要对气动人工肌肉进行建模。MeKibben气动人工肌肉由于具有非线性、时变特性，并且在工作时伴随有迟滞现象，因而难于对其进行建模和控制。大多数已有研究中对于McKibben气动人工肌肉的建模都采用Chou和Hannaford基于虚功原理给出的理论模型。此模型给出了肌肉出力的理想估计，然而此理论模型直接应用于实际控制并不能得到良好的效果。本研究中采用了Reynolds等提出的三元肌肉动力学模型，将气动肌肉近似为由非线性阻尼因子、非线性弹簧因子和非线性收缩力因子并联构成的动力学系统，则模型方程为：

　　其中，x为肌肉收缩长度，当肌肉完全伸张时x=0。K0、K1为弹簧因子系数，B0、B1为阻尼因子系数，F0、F1为收缩力因子。对于本文采用的气动人工肌肉，通过在本系统上的实验，可对式(1)中的三元肌肉模型参数进行准确估计。当肌肉压力p取值在200kPa～650kPa之间时，通过实验得到的模型系数可得到满意的近似效果。应用此三元肌肉模型，本文所介绍的软件系统对关节进行了闭环轨迹跟踪控制，其控制精度优于传统的理论模型。

　　2.2 系统应用

　　在本文构建的采用柔性驱动器McKibben气动人工肌肉作为驱动源的机器人单自由度颉颃关节系统上，可对McKibben型气动人工肌肉的建模和控制进行进一步的研究。通过在本系统上的实验，在对三元肌肉模型参数进行准确估计的基础上，利用本文实现的控制软件系统可实现了闭环的关节轨迹跟踪控制。

　　在进一步工作中，将基于已有的平台和闭环控制方法重点研究两个问题。首先研究关节刚度可控的轨迹跟踪控制。利用此冗余系统的关节刚度量实现优化的目的，使机器人通过更好地利用自身关节的被动动力学特性来降低能量损耗。其次研究在有冲击情况下通过控制关节刚度降低冲击影响，进而为搭建由气动肌肉驱动的双足机器人提供理论准备。