类骨骼肌电磁直线驱动器设计

李 靖，秦现生，尤向荣，王占玺，张雪峰

(西北工业大学，陕西西安710072)

0 引 言

随着机器人技术的发展，机器人关节通常采用的传统的“旋转电机+传动机构”方式已不能满足越来越高的性能要求。仿生肌肉式的直线驱动器相比传统的结构，有结构简单、体积小、加速度大、能量密度高等优势，随着科技的发展，应用于各种研究中［1］，特别是机器人领域。人工肌肉驱动和仿生关节设计受到了广泛的重视，基于人工肌肉的关节设计已成为研究热点。

常用的仿生肌肉包括电磁激励、压电超声波电动机、气动、液动、聚合物、形状记忆合金、电磁等，如美国波士顿动力公司研发的BigDog［2］，驱动采用液动系统;韩国的Byungkyu Kim等则将形状记忆合金用于驱动仿生蚯蚓机器人［3］;韩国Hoon C.Park等［4］使用压电材料作为微型飞行器的驱动装置，翼的工作频率可达9 Hz;日本的Koh Hosoda等［5］制作的双足机器人使用气动人工肌肉驱动，可以实现跑、跳、走三种运动;中国徐伟［6］等设计并制作了磁性橡胶人工肌肉等。其中，电磁驱动的仿肌肉驱动装置具有优秀的驱动特性和高疲劳寿命，并且还应具有疲劳寿命大、强度好、功率密度大和柔顺性好等特征，较之其它方式的仿肌肉驱动装置在应变［1］和执行位移都有较大的优势［7］。模仿哺乳动物骨骼肌肌肉结构及运动形式设计一种直线驱动装置，将大大改善现有直线电机的性能。

本文在分析哺乳动物骨骼肌构成和驱动机理的基础上，提出一种骨骼肌类肌小节直线电磁驱动器串并联阵列人工肌肉设计方案。

图1 哺乳动物骨骼肌组成结构图［11］

1 生物骨骼肌的结构及工作原理

哺乳动物的肌肉一般分为三类:骨骼肌、心肌、平滑肌。骨骼肌作为动物运动的发动机，完成了如跑步、跳跃等运动［8-10］。动物骨骼肌结构图如图1所示，作为基本单元的肌小节通过串联的方式组成了肌原纤维，若干肌原纤维通过并联的方式组成了肌纤维，若干肌纤维通过并联的方式组成了肌束，若干肌束通过并联的方式组成了骨骼肌，骨骼肌附着在骨骼上，通过收缩拉伸协同工作带动人体产生了运动。

Huxley H E和Huxley A F在1954年分别独立地提出肌肉收缩的肌丝滑行学说(sliding-filament theory of muscle contraction)［12］。该学说认为肌肉的收缩(也就是肌肉的缩短)是细肌丝(肌动蛋白纤维)在粗肌丝(肌球蛋白纤维)之间主动地相对滑行的结果。骨骼肌的收缩与舒展是由最小单位肌小节状态决定的，肌小节伸张状态，粗肌丝、细肌丝之间的重叠减少，即为肌肉的伸展;肌小节收缩状态，粗肌丝、细肌丝之间的重叠增加，即肌肉的缩短。肌纤维中肌小节的显微结构如图2所示，其展现了肌小节的两种状态，A部分为肌小节伸张状态;B部分为肌小节收缩状态;C部分为细肌丝与粗肌丝重合部分的构示意图。

图2 肌纤维中肌小节的显微结构

骨骼肌绝大多数通过肌腱附着在骨骼上，通过收缩带动骨骼，在神经系统的支配下协调工作完成人体的各种随意运动。以人体下肢为例，图3a表示右腿骨胳肌与骨骼之间的附着联结关系，图3b表示右腿伸展运动肌群。

图3 人体膝关节模型

2 人工肌肉实现模式

人工肌肉仿真骨骼肌的结构，先串联类骨骼肌肌小节构成类肌原纤维驱动器;再通过并联类肌原纤维驱动器来构成人工肌肉。通过增加串联类肌小节驱动器的数量可以提高瞬时速度和加速度，通过增加并联类肌原纤维驱动器的数量则可以提高人工肌肉的整体负载能力。

模拟骨骼肌附着生物体的形式，人工肌肉通过铰链连接附着在机械结构上，以人体下肢仿生关节为例进行分析说明。人体下肢膝关节伸展运动由股四头肌驱动完成。人体膝关节有三个自由度，为了简化设计与控制，机器人关节通常只保留一个自由度，保留股四头肌作用于该自由度的骨骼肌。仿生关节模型示意图如图4所示。

图4 仿生关节模型示意图

2.1 类肌原纤维驱动器

类肌原纤维驱动器由类肌小节驱动器通过串联的方式构成。以三级类肌小节驱动器串联组成的一个仿肌肉驱动器为例，其连接方式如图5所示:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为三个结构完全相同的类肌小节驱动器，Ⅱ级的轴(动子)连在Ⅰ的端盖(静子)上，Ⅲ级的轴连在Ⅱ的端盖上，三个基本单元依次相连，组成了类肌原纤维驱动器。

图5 肌小节串联组成的肌原纤维模式

2.2 类肌小节驱动器

肌小节为组成骨骼肌的基本单元，采用仿生骨骼肌肌小节结构对类肌小节驱动器进行设计，其三维模型径向剖视图如图6所示。类肌小节驱动器主要由三个模块组成，分别是动子模块、静子模块和抱闸模块。其中包括动子模块包含的零件有轴，永磁体;静子模块包含的零件有左端盖、机壳、A向线圈骨架、A相线圈、B相线圈骨架、B相线圈、右端盖。抱闸模块包含的零件有扣件、锁紧件、弹簧、抱闸线圈骨架、抱闸线圈、固定螺栓、顶杆。

类肌小节驱动器设计原理是利用线圈绕组产生的磁场和永磁体的磁场相互作用，通过控制左右线圈的通电电流的大小和方向控制永磁体的具体位置和力的大小。另外还对仿生装置设计了抱闸机构，在实际应用中，单纯的靠电磁力来维持仿肌肉驱动器的运行状态，需要不断通入电流，而这样必然产生很多的热量，使驱动器温度升高，不利于运行。根据肌肉的纤维运动结构仿生，设计的抱闸系统能最大限度地提高驱动器的效率，节省能源。

图6 类肌小节驱动器三维模型径向剖视图

3 试验与仿真

3.1 电磁仿真参数设置

一般直线电磁驱动器本身所具有的特点决定了自身存在的缺点:磁路开断所引起的边端效应以及安装气隙较大等问题。故仿生肌肉直线驱动器的性能由电磁场设计的合理与否、工作环境与电磁参数的选择等因素有关。选择一种精确的仿真算法和仿真软件，可以大大减少设计优化过程的反复工作与实验成本。本文采用的Maxwell 2D，包括交流/直流磁场、静电场以及瞬态电磁场、温度场分析、参数化分极以及优化功能［13］。

图7 类肌小节驱动器电磁分析曲线

考虑到电机的结构，故采用轴对称坐标即RZ平面进行仿真。为了简化分析，电机简化为轴、永磁体、端盖、机壳、线圈骨架、相线圈。其中永磁体选择NdFeB，轴、端盖、线圈骨架为铝，线圈为铜，机壳为45号钢。

线圈单根导线通过电流大小为0.5～1 A，线圈匝数为360匝～380匝，这里按照电流大小为0.5 A、匝数为360匝为基准。给线圈施加电流源时，设置其中一个线圈总体面积通过总电流为180 A，另一个线圈总体面积通过总电流为-180 A。

按照上述条件对类肌小节驱动器用Maxwell软件进行仿真求解，其电磁场磁力电磁曲线如图7所示。计算结果显示，动子和静子在竖直方向上产生的电磁力为3.1 N。仿肌小节驱动器的质量经测量为22 g，力重比达到了14.4。

3.2 测试结果

依照仿真结果制造类肌小节驱动器如图8所示，图8a为类肌小节直线驱动器样机整体结构，图8b为类肌小节直线驱动器样机分解结构。通过测试得到类肌小节驱动器响应速度可以达到毫秒级，最大效率可以达到90%以上，最大应变也在40%以上，功率密度达到200 W/kg。

图8 肌小节串联组成的肌原纤维模式

3.3 机械仿真

用Solidworks建立机器关节三维模型为例，用其中的Motion功能对机器关节运动参数进行仿真，如图9所示。在本实施例中，两个摆动杆通过铰链联接，肌肉仿生驱动装置联接在两个固定端子上，固定端子通过铰链联接到摆动杆上。肌肉仿生驱动装置收缩带动关节运动，其中L1=44 mm，L2=36 mm，L3=33 mm，L4=27 mm，关节需要的转动角度为70°，且基本单元总长为30 mm，压缩率为50%，即收缩状态与舒张状态相差15 mm，由此可以求解出需要串联3个基本单元，转动范围为56.25°～128.04°，转动角度为71.39°。

图9 机器关节模型示意

4 结 语

本文在分析动物骨骼肌的结构和运动形式上，设计了基于电磁力的肌肉仿生驱动器，经仿真分析及试制样机实测研究，初步发掘出该仿生驱动器具有响应速度高、加速度高、完全无接触和机械磨损、体积小、质量轻、功率密度高等良好特性。可以预见，经后续完善改进，该仿生驱动器应具有广泛的应用前景。

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