李 靖，彭宏業(yè)，秦現(xiàn)生

(1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072;2.中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西西安710065)

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，足式機(jī)器人在軍事和民用等方面得到越來(lái)越廣泛的發(fā)展應(yīng)用。但傳統(tǒng)的足式機(jī)器人關(guān)節(jié)普遍采用的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)－傳動(dòng)機(jī)構(gòu)”的驅(qū)動(dòng)方式，因受電機(jī)本身的力－加速度特性以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性的限制，很難滿(mǎn)足日益復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境對(duì)高性能關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的要求［1］。

由于動(dòng)物肌肉相對(duì)傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器有很多無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)［2－4］:能量利用率高達(dá) 50%以上，能量/自重比高，瞬間爆發(fā)力大，緩沖能力強(qiáng)，同時(shí)具有儲(chǔ)能的特點(diǎn)，因此模擬動(dòng)物肌肉特性制作的人工肌肉驅(qū)動(dòng)器已成為國(guó)內(nèi)外仿生研究的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。日本自20世紀(jì)60年代起就開(kāi)始研制類(lèi)肌肉驅(qū)動(dòng)器［2］，美國(guó)海軍將其列為未來(lái)新型驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展方向［5］。國(guó)內(nèi)眾多高校如上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)等都開(kāi)展了對(duì)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究［6－9］。目前大部分人工肌肉驅(qū)動(dòng)器僅在宏觀結(jié)構(gòu)上仿生生物骨骼肌收縮特性，并未對(duì)骨骼肌內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行仿生，同時(shí)也由于材料、工藝、結(jié)構(gòu)以及控制等方面的限制，還沒(méi)有設(shè)計(jì)出性能達(dá)到動(dòng)物肌肉的驅(qū)動(dòng)器。本文在分析哺乳動(dòng)物骨骼肌結(jié)構(gòu)和神經(jīng)控制機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)微觀仿生的人工肌肉驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。

1 骨骼肌的生物學(xué)基礎(chǔ)

動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)骨骼肌收縮帶動(dòng)骨骼運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，且骨骼肌通過(guò)和不同類(lèi)型的骨骼結(jié)構(gòu)結(jié)合，產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)方式。骨骼肌是由肌纖維構(gòu)成，而肌纖維又是由很多根肌原纖維組成，肌原纖維由串聯(lián)的若干肌小節(jié)組成，因此骨骼肌在宏觀上可以看作由若干肌小節(jié)通過(guò)串并聯(lián)組成，肌小節(jié)是肌肉運(yùn)動(dòng)的最基本單元。1954年Huxley［10］提出了關(guān)于肌肉運(yùn)動(dòng)機(jī)理的肌絲滑行學(xué)說(shuō)，解釋了骨骼肌的收縮原理:雖然肌肉在宏觀上可表現(xiàn)為肌肉的縮短，但在肌細(xì)胞內(nèi)部并無(wú)肌絲或分子結(jié)構(gòu)的縮短，僅是在每一個(gè)肌小節(jié)內(nèi)部發(fā)生了粗細(xì)肌絲之間的滑行。當(dāng)肌小節(jié)處于舒張狀態(tài)時(shí)，粗絲與細(xì)絲之間重疊減少，肌原纖維伸展;當(dāng)肌小節(jié)處于收縮狀態(tài)時(shí)，粗絲與細(xì)絲之間重疊增加，則肌原纖維收縮。

骨骼肌的活動(dòng)，都是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制下完成的。來(lái)自中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元支配骨骼肌的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)。運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元通過(guò)神經(jīng)－肌肉接頭，將神經(jīng)電信號(hào)傳遞給肌原纖維，再經(jīng)過(guò)興奮收縮耦聯(lián)，引起肌原纖維的收縮。具體過(guò)程為:肌原纖維通過(guò)感受自身長(zhǎng)度和位移變化，將轉(zhuǎn)化后的神經(jīng)信號(hào)經(jīng)傳入神經(jīng)纖維通過(guò)脊髓傳至人體的大腦;大腦對(duì)傳入信號(hào)做出解析，通過(guò)脊髓將控制神經(jīng)信號(hào)傳至各運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元;各運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元根據(jù)信號(hào)指示，通過(guò)神經(jīng)末梢對(duì)肌原纖維進(jìn)行控制;肌小節(jié)在信號(hào)的控制作用下，產(chǎn)生牽張反射，實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，并將運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)果反饋給神經(jīng)中樞［11－13］。骨骼肌機(jī)構(gòu)與神經(jīng)系統(tǒng)控制肌肉示意圖如圖1所示。

圖1 骨骼肌結(jié)構(gòu)與神經(jīng)系統(tǒng)控制肌肉示意圖

2 類(lèi)肌小節(jié)的力和位移控制規(guī)律研究

上文介紹的骨骼肌在宏觀上可以看作由若干肌小節(jié)通過(guò)串并聯(lián)組成，參照骨骼肌的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理，建立多個(gè)類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器串并聯(lián)結(jié)構(gòu)矩陣的人工肌肉結(jié)構(gòu)模式，如圖2所示。類(lèi)肌小節(jié)利用線(xiàn)圈繞組磁場(chǎng)和永磁體磁場(chǎng)相互作用，通過(guò)控制線(xiàn)圈電流的大小和方向來(lái)控制永磁體的位置和輸出力，形成舒張和收縮狀態(tài)，詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)文獻(xiàn)［14］。

圖2 肌小節(jié)串聯(lián)組成的肌原纖維模式［14］

足式機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中會(huì)與環(huán)境接觸，在空間運(yùn)動(dòng)有約束，僅僅采用位置控制是不夠的，需要控制機(jī)器人位置的同時(shí)，還要考慮交互力的控制。主動(dòng)柔順控制可以很好地解決這一問(wèn)題，通過(guò)傳感器引入力、位置等信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用合適的控制策略控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

除了力與位置控制以外，還應(yīng)考慮的因素包括重力、向心力、哥氏力、環(huán)境力以及加速度前反饋等因素，故類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器控制采取R－C力和位置混合控制，控制原理如圖3所示。位置/速度控制部分包括了3個(gè)通道:位置通道、速度通道和加速度通道。其中，xd為笛卡兒坐標(biāo)系下末端期望位置;L為運(yùn)動(dòng)方程;q是關(guān)節(jié)位置矢量;J為雅可比矩陣;Kpp為位置通道比例系數(shù);Kpi為位置通道積分系數(shù);xd為末端期望速度;是關(guān)節(jié)速度矢量;Kpd為速度通道比例系數(shù);Mp為位置、速度和加速度通道的選擇矩陣;d為末端期望加速度;M(q，)+g(q)為重力、向心力和哥氏力加入的關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

(q)為位置、速度和加速度通道的慣量矩陣;τ為空間力矩之和;Fd為笛卡兒坐標(biāo)系下末端期望的廣義力;Mf為力控制部分各個(gè)分量的選擇矩陣;KfP為力通道比例系數(shù);Kfi為力通道積分系數(shù);F為當(dāng)前末端的廣義力;KfdF為測(cè)量得到的廣義力;JTkfP為彈性目標(biāo)對(duì)仿生關(guān)節(jié)的剛性要求而產(chǎn)生的環(huán)境力。

圖3 人工肌肉閉環(huán)控制原理

由位置通道、速度通道和加速度通道產(chǎn)生的關(guān)節(jié)空間力矩:

由力通道產(chǎn)生的關(guān)節(jié)空間力矩:

動(dòng)態(tài)補(bǔ)償部分產(chǎn)生的關(guān)節(jié)空間力矩:

仿生關(guān)節(jié)空間的力矩為力通道產(chǎn)生的力矩、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償部分產(chǎn)生的力矩以及位置通道、速度通道和加速度通道產(chǎn)生的力矩三者之和。即:

3 人工肌肉驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

通過(guò)類(lèi)比生物神經(jīng)控制組成方式，設(shè)計(jì)人工肌肉控制系統(tǒng)硬件組成框圖如圖4所示。中央計(jì)算機(jī)起人體大腦的作用，通過(guò)控制總線(xiàn)(脊髓)與類(lèi)肌原纖維控制器DSP芯片通信。DSP向中央計(jì)算機(jī)提供通過(guò)傳感器(即人體感受器)采集的位置、力等信息，同時(shí)接受中央計(jì)算機(jī)下達(dá)的運(yùn)動(dòng)命令，并進(jìn)行解算，最后對(duì)類(lèi)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。

圖4 人工肌肉控制系統(tǒng)硬件組成簡(jiǎn)圖

本系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示。系統(tǒng)采用工控計(jì)算機(jī)構(gòu)成上位機(jī)系統(tǒng)，采用DSP－FPGA的模式構(gòu)下位機(jī)系統(tǒng)。上位/下位機(jī)通過(guò)RS－485總線(xiàn)進(jìn)行通訊，系統(tǒng)通信的波特率設(shè)計(jì)為38 400 b/s，且可調(diào);下位機(jī)的DSP與FPGA之間采用并行總線(xiàn)進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為16位。

下位機(jī)系統(tǒng)中DSP處理器選用TI公司成熟的工業(yè)控制器TMS320F2812，設(shè)計(jì)工作外頻30 MHz，通過(guò)內(nèi)部倍頻處理可工作在120MHz，該處理器在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的功能:運(yùn)動(dòng)控制指令的解碼、外回路控制律的解算，可變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)及故障監(jiān)控等。

圖5 類(lèi)基元肌小節(jié)控制系統(tǒng)硬件電路圖

FPGA選用APEX公司的A3P1000，該FPGA具備內(nèi)部FLASH，真正實(shí)現(xiàn)“零”上電加載時(shí)間，有效避免因上電加載而出現(xiàn)系統(tǒng)失控現(xiàn)象，該FPGA在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)如下功能:行/列驅(qū)動(dòng)器電流開(kāi)關(guān)通斷控制、驅(qū)動(dòng)器工作的PWM波產(chǎn)生、驅(qū)動(dòng)器正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)的產(chǎn)生及A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片的控制等。

系統(tǒng)單個(gè)驅(qū)動(dòng)器工作電流最大為1 A，因此可以用于驅(qū)動(dòng)類(lèi)基元肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器的器件包括繼電器、晶閘管、功率管、專(zhuān)用功率驅(qū)動(dòng)器等，實(shí)際選型考慮盡量減小控制器體積，因此選用集成度高、技術(shù)較成熟的專(zhuān)用功率驅(qū)動(dòng)器，本系統(tǒng)選用NSC公司的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器LMD18200，該驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成兩路驅(qū)動(dòng)電路，工作電壓范圍較寬，具有過(guò)壓、過(guò)流、超溫保護(hù)。圖4中僅給出一路列肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器控制電路，整個(gè)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了12組行/列肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器控制電路。

4 人工肌肉驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

通過(guò)類(lèi)比生物神經(jīng)控制方式，人工肌肉控制系統(tǒng)軟件任務(wù)分解如圖6所示。將控制系統(tǒng)分為上位機(jī)與下位機(jī)兩部分，起人體大腦作用的中央計(jì)算機(jī)，分析從DSP傳回來(lái)的傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析與信息融合，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻人工關(guān)節(jié)所處的位置并分析關(guān)節(jié)受力等其它狀態(tài)。同時(shí)根據(jù)控制律要求，解算下一時(shí)刻人工關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置及運(yùn)動(dòng)任務(wù)，對(duì)人工關(guān)節(jié)進(jìn)行任務(wù)協(xié)調(diào)和任務(wù)分解，計(jì)算出的控制量通過(guò)控制總線(xiàn)發(fā)送給下位機(jī)核心處理器DSP。DSP軟件所完成的任務(wù):對(duì)上位機(jī)傳來(lái)的運(yùn)動(dòng)控制指令的進(jìn)行解碼，并實(shí)時(shí)計(jì)算肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器外回路控制律，對(duì)前向控制增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，此外DSP還負(fù)責(zé)各驅(qū)動(dòng)器傳感器及電流回路的故障監(jiān)控。DSP計(jì)算后的指令送至FPGA，由FPGA內(nèi)部邏輯將這一指令轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)各肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的實(shí)際方向信號(hào)及電流PWM信號(hào)，使每個(gè)類(lèi)基元肌小節(jié)達(dá)到預(yù)定位置，完成目標(biāo)動(dòng)作。

圖6 人工肌肉控制系統(tǒng)軟件任務(wù)分解圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)哺乳動(dòng)物骨骼肌結(jié)構(gòu)和神經(jīng)控制肌小節(jié)運(yùn)動(dòng)的機(jī)理進(jìn)行了分析，為使仿生肌肉運(yùn)動(dòng)特性更加逼近動(dòng)物肌肉，進(jìn)一步研究了肌小節(jié)的力和位移控制規(guī)律。基于理論分析原理，經(jīng)反復(fù)論證，設(shè)計(jì)出了仿動(dòng)物肌肉結(jié)構(gòu)的串/并聯(lián)肌小節(jié)驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了任務(wù)分解及上/下位機(jī)工作剖面劃分。本文旨在對(duì)仿生肌肉微觀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，并完成了控制軟硬系統(tǒng)設(shè)計(jì)。后續(xù)將進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，逐步完善該控制系統(tǒng)，使其達(dá)到實(shí)際工程運(yùn)用的目標(biāo)。

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