基于气动肌肉群驱动球关节机器人结构及阻抗控制.pdf

第49卷第15期
机械工程学报
2013年8月
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
g
2013
DOI:10.390I/JMUE.2013.15.028
基于气动肌肉群驱动球关节机器人结构
及阻抗控制
刘昱王涛范伟
(北京理工大学自动化学院北京100081)
摘要:气动肌肉( Pneumatic muscle actuator,PMA)是仿生机器人研究的重点,为此,设计一种由气动肌肉群驱动的3自由度球
关节机器人,并对其进行运动学分析。根据其运动学逆解,提出气动肌肉群位置控制策略;同时,提出基于运动学逆解及能
量最优原则气动肌肉群力控制策略;设计基于气动肌肉位置群及力群的含位置PD内环的阻抗控制器。试验结果表明,单纯
的位置控制精度比较高,可达0.3°,但造成输出力矩失控;阻抗控制虽然在一定程度上牺牲了位置控制精度,但可以对输出
力矩进行柔顺控制。
关健词:气动肌肉群控策略阻抗控制
中图分类号:TP242
Mechanism and Impedance Control of the Ball Universal Joint
Robot Driven by the Pneumatic Muscle Actuator Group
LIU Yu WANG Tao FAN Wei
(School of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)
Abstract Pneumatic muscle actuator(PMA )is the research focus of bionic robot. Therefore, a triaxial -ball universal joint robot
driven by the PMA group is designed. The kinematics of the robot is analysed. On the basis of its kinematics analysis, the position
control strategy of the PMA group is proposed. Based on the kinematics analysis and the energy saving principle, the contact force
control strategy of the PMA group is proposed. An impedance control scheme with inner position PID loop is designed for the PMA
group. Results show that under position control only, the control accuracy is higher than impedance control and the steady-error is
less than 0. 3, however, the contact force is out of control. Impedance control sacrifices a certain degree of position control accuracy
but can realize compliant control of contact force
Key words: Pneumatic muscle actuator Group control strategy Impedance control
关节控制器( Cerebellar model articulation controller
0前言
CMAC)的变结构控制,位置精度达到0.3mm。文
献[]采用力/位置复合控制对气动肌肉驱动并联机
气动肌肉( Pneumatic muscle actuator,PMA)是器人进行控制。文献[?对传统气动肌肉结构进行改
一种仿生驱动器。它的“力-收缩”特性与人类肌肉进并对单支气动肌肉进行了阻抗控制。目前,针对
非常类似,具有柔顺性好、输出力与重力比大等特气动肌肉的被动柔顺研究比较多,主动柔顺研究较
点,其轴向收缩率大25%~30%PMA通常被用于少,且主要集中于针对单支气动肌肉的柔顺研究。
仿生机器人的关节驱动り。文献?开展了气动肌肉气动肌肉驱动机器人末端在约束环境中运动时,为
驱动特性试验和基于BP网络的位置跟踪控制。文克服输出力的柔顺要求和对位置伺服精度要求之间
献[3-4]使用了自组织模糊PID控制、基于小脑模型的盾,需要通过阻抗控制来协调。文献刀采用奇
异摄动方法来研究冗余柔性关节机器人的笛卡尔阻
抗控制。文献[8]研究通过关节刚度调节来改善主动
国家自然科学基金资助项目(50475163)。20120809收到初稿,20130528
收到修改稿
柔顺性。目前,阻抗控制研究是热点,主要有反步