類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉設(shè)計及類神經(jīng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明基于工程仿生學(xué)原理，在微觀角度深入分析動物骨骼肌生理構(gòu)成和驅(qū)動機(jī)理的基礎(chǔ)上，模擬骨骼肌微觀結(jié)構(gòu)，建立一種新型陣列式人工肌肉結(jié)構(gòu)模式，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合骨骼肌微觀結(jié)構(gòu)與神經(jīng)系統(tǒng)對骨骼肌的控制驅(qū)動方式，重點(diǎn)設(shè)計了人工肌肉的驅(qū)動過程和控制方法，使該人工肌肉在結(jié)構(gòu)、運(yùn)動形式、控制方法、驅(qū)動過程等方面與生物骨骼肌更為貼近。
【專利說明】類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉設(shè)計及類神經(jīng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人驅(qū)動技術(shù)和仿生技術(shù)，特別是涉及一種類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及其類神經(jīng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著足式機(jī)器人在戰(zhàn)地、反恐、搶險救援、空間探索、危險環(huán)境作業(yè)等場合下越來越廣泛的應(yīng)用，機(jī)器人的跳躍、奔跑、跨越障礙、平穩(wěn)行進(jìn)等運(yùn)動性能以及抗外界沖擊性和復(fù)雜地形適應(yīng)能力逐漸引起人們的重視。由此，對機(jī)器人關(guān)節(jié)的瞬時力矩、擺動頻率和功率密度等性能提出了越來越高的要求，而目前機(jī)器人關(guān)節(jié)普遍采用的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+傳動機(jī)構(gòu)”的驅(qū)動方式因受電機(jī)本身的力-加速度特性以及傳動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性的限制，很難滿足軍事和民用復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境對高性能關(guān)節(jié)運(yùn)動的要求，迫切需要瞬時加速度大、冗余性強(qiáng)、響應(yīng)速度快和功率密度高等方面具有優(yōu)越性能的新型驅(qū)動器。
[0003]骨骼肌驅(qū)動的動物關(guān)節(jié)不僅結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，同時在儲能、緩沖能力、速度、敏捷性、能量密度、瞬時爆發(fā)力等方面具有傳統(tǒng)關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置難以企及的性能，如重量不超過IKg的人體膝關(guān)節(jié)能提供10倍于人體重量的驅(qū)動力，獵豹的奔跑速度高達(dá)時速130公里，灣鱷的咬力接近1900Kg。動物骨骼肌具有條理分明的層次式結(jié)構(gòu)，主動收縮產(chǎn)生的變形量及輸出力的大小由其內(nèi)部微觀組成結(jié)構(gòu)共同協(xié)作完成的。這種層次性結(jié)構(gòu)使得動物骨骼肌具有高冗余性，即使骨骼肌中小部分微觀結(jié)構(gòu)組成由于損傷、病變等原因不能工作，對整體影響并不大。骨骼肌的層次式結(jié)構(gòu)使得骨骼肌還具有瞬時加速度大、響應(yīng)速度快、協(xié)調(diào)能力強(qiáng)、敏捷性高、自動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)等特點(diǎn)。骨骼肌作為脊椎動物的運(yùn)動肌肉有著很多優(yōu)異性能，運(yùn)用仿生學(xué)原理，模擬生物骨骼肌的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)理設(shè)計的人工肌肉及其驅(qū)動控制器，可獲得生物骨骼肌的優(yōu)異性能和簡潔緊湊結(jié)構(gòu)。
[0004]現(xiàn)今大部分人工肌肉以肌群輸出力、位移與控制方法為仿生模擬對象，并少對骨骼肌微觀結(jié)構(gòu)及其微觀控制驅(qū)動機(jī)理進(jìn)行分析與研究。模擬動物骨骼機(jī)層次式結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工肌肉模式設(shè)計，可使人工肌肉具有較好的冗余性及更好的工作性能。針對現(xiàn)代驅(qū)動器存在的這些問題，本發(fā)明模擬骨骼肌微觀結(jié)構(gòu)，提出一種直線陣列式人工肌肉結(jié)構(gòu)模式，使其在結(jié)構(gòu)、運(yùn)動形式、控制方法、驅(qū)動過程等方面與生物骨骼肌更為貼近，具有瞬時加速度大、冗余性好、協(xié)調(diào)能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快和功率密度高等特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中驅(qū)動器存在冗余性、瞬時力矩、擺動頻率和功率密度等性能不能滿足現(xiàn)代機(jī)器人需要的問題，本發(fā)明提供了類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉設(shè)計及類神經(jīng)控制方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案:
[0007]—種類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉的設(shè)計方法，該方法將類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉包括多個類半肌節(jié)驅(qū)動器，多個類半肌節(jié)驅(qū)動器經(jīng)過串聯(lián)形成類肌原纖維驅(qū)動器，以一個類肌原纖維驅(qū)動器為對稱中心，將其他類肌原纖維驅(qū)動器并列排布構(gòu)成六邊形蜂窩式網(wǎng)狀對稱陣列式結(jié)構(gòu)，每個類肌原纖維驅(qū)動器上的同層類半肌節(jié)驅(qū)動器分別通過類肌膜連接器將所有的類肌原纖維驅(qū)動器聚合成一體，并在聚合成一體的類肌原纖維驅(qū)動器兩端設(shè)置有類腱膜連接器構(gòu)成人工肌肉；該類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉的列數(shù)m及層數(shù)η的確定通過如下技術(shù)步驟:
[0008](I)根據(jù)人工肌肉應(yīng)用對象和應(yīng)用環(huán)境給出最大目標(biāo)輸出位移Lasmax以及人工肌肉運(yùn)動時需要的最大目標(biāo)輸出力Fasmax ；
[0009](2)計算人工肌肉并聯(lián)層層數(shù)η，η為自然數(shù)，若類半肌節(jié)驅(qū)動器的最大輸出位移為xs_，則有
【權(quán)利要求】
1.一種類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉的設(shè)計方法，其特征在于:該方法將類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉包括多個類半肌節(jié)驅(qū)動器，多個類半肌節(jié)驅(qū)動器經(jīng)過串聯(lián)形成類肌原纖維驅(qū)動器，以一個類肌原纖維驅(qū)動器為對稱中心，將其他類肌原纖維驅(qū)動器并列排布構(gòu)成六邊形蜂窩式網(wǎng)狀對稱陣列式結(jié)構(gòu)，每個類肌原纖維驅(qū)動器上的同層類半肌節(jié)驅(qū)動器分別通過類肌膜連接器將所有的類肌原纖維驅(qū)動器聚合成一體，并在聚合成一體的類肌原纖維驅(qū)動器兩端設(shè)置有類腱膜連接器構(gòu)成人工肌肉；該類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉的列數(shù)m及層數(shù)η的確定通過如下技術(shù)步驟: (1)根據(jù)人工肌肉應(yīng)用對象和應(yīng)用環(huán)境給出最大目標(biāo)輸出位移Lasmax以及人工肌肉運(yùn)動時需要的最大目標(biāo)輸出力Fasmax ； (2)計算人工肌肉并聯(lián)層層數(shù)η，η為自然數(shù)，若類半肌節(jié)驅(qū)動器的最大輸出位移為Xsmax，則有
2.如權(quán)利要求1所述的類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉的設(shè)計方法，其特征在于:所述的每個類肌原纖維驅(qū)動器上的同層類半肌節(jié)驅(qū)動器分別通過類肌膜連接器將所有的類肌原纖維驅(qū)動器聚合成一體，各類肌膜連接器逐層等距離并列排布。
3.如權(quán)利要求1所述的類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉的設(shè)計方法，其特征在于:在聚合成一體的類肌原纖維驅(qū)動器兩端設(shè)置有類腱膜連接器，類腱膜連接器為六邊形結(jié)構(gòu)。
4.一種權(quán)利要求1設(shè)計得到的類骨骼肌直線網(wǎng)狀陣列式人工肌肉的類神經(jīng)控制方法，其特征在于:該控制方法包括如下步驟: 第一步，根據(jù)人工肌肉上層控制器解算的控制時間Δt內(nèi)，人工肌肉目標(biāo)輸出位移Las以及其運(yùn)動時的目標(biāo)輸出力Fas ； 第二步，先進(jìn)行人工肌肉列控制，計算人工肌肉并聯(lián)控制層層數(shù)n，n為自然數(shù)，若類半肌節(jié)驅(qū)動器的最大輸出位移為xsmax，則有
【文檔編號】G05B13/04GK103529704SQ201310476897
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】李靖, 秦現(xiàn)生, 董秀珍, 季振宇, 付峰, 尤富生, 史學(xué)濤, 劉銳崗, 白晶, 王戰(zhàn)璽 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)