气动人工肌肉的研究及应用进展探析

2014-04-16肖应锋

机械工程师 2014年2期

肖应锋

（宜昌测试技术研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

气动人工肌肉是流体驱动人工肌肉的一种，它用限制变形的支撑材料作为骨架，骨架内部是可膨胀的气囊（或类气囊）结构，通过气囊的膨胀和收缩来执行各种柔顺的动作，这种结构继承了气动元件的基本优点，同时还具备了结构简单、高柔性和良好的仿生特征等其他机械执行机构所无法比拟的特点。随着机器人技术的快速发展，气动人工肌肉在国内外引起广泛关注，并已成为气动及机器人技术领域的一个研究热点。近年来关于气动人工肌肉的研究和应用又出现了一些新的进展，本文主要围绕近几年气动人工肌肉的研究应用情况进行总结和分析。

1 气动人工肌肉的发展历程

纵观气动人工肌肉的发展，已经历了一个较长的历史过程，截止目前，气动人工肌肉的发展可分为尝试期、起步期和发展初期三个阶段。

1.1 尝试期（20世纪80年代前）

早在20世纪30年代俄罗斯科学家S.Garsiev就已开始了液压驱动人工肌肉的设计研究，但由于液压驱动的功率/重量比较低，且材料受限，该项技术当时并未得到发展［1］。

20世纪60～70年代，美国和日本的科学家也开始对人工肌肉进行过研究，并采用了气压驱动，但由于工艺和控制技术发展不够，该项技术长期没有进展，直到1980年代，日本才率先真正开始有关气动肌肉的应用研究［2］。

这一时期比较有代表性的产品主要是McKibben型气动肌肉，该型气动肌肉也在后续相当长时期内被作为理论研究的基础性载体。

1.2 起步期（20世纪80～90年代）

随着计算机技术、机器人技术、现代控制技术的飞速发展和生产制造工艺水平的提升，这一时期气动人工肌肉受到极大的重视并开始系统的研究。

这一阶段的代表主要是日本Bridgestone公司以McKibben型气动肌肉为基础设计的Rubbertuator驱动器，在机器人技术中被广泛用作驱动元件，这一成果使人工气动肌肉的研究进入了应用领域［3］。同期，国内也消化吸收已有成果并逐渐进入气动人工肌肉研究领域。

1.3 发展初期（2000年至今）

本阶段国内外对人工气动肌肉的研究更广泛深入，并从前期以基本特性研究为主的单一模式逐渐发展到运动控制等多方面的复合性研究。2000年FESTO公司推出了仿生气动肌腱系列化产品［4］，并提供了相应的应用解决方案，标志着气动人工肌肉进入了一个崭新的时代，它已正式成为了一种标准的气动执行元件。

人工气动肌肉由于其内部机理复杂，虽经历多年的发展，但目前的研究和应用也只是处于初级阶段，并没有得到普及应用。

2 近年来气动人工肌肉的研究及应用

近年来，气动人工肌肉的研究和应用主要集中在模型及基本特性研究、控制模式研究、实际应用研究和生产制造技术研究四个方面，以下分别介绍其研究和应用概况。

2.1 模型及基本特性研究

基本特性的研究作为气动人工肌肉的基础性研究工作正在进一步深入，同时理论模型和测试系统也得到了不断完善，进一步提升了基本特性的研究水平。

很多研究者对气动人工肌肉的研究都是基于Chou［5］给出的数学模型,由于该模型忽略了橡胶弹性和内部摩擦等重要因素，使其与实际有较大差距，为此现阶段广大研究者以此模型为基础，不断研究完善并提出新的模型。2009年，张远深等［6］以FESTO公司生产的MAS气动人工肌肉为研究对象，详细分析了Chou理论模型的存在的缺陷，通过改进建立了与实际更为接近的模型。张宏立等［7］通过试验分析提出，可采用试验拟合的方法得出简单的人工肌肉数学模型来取代很复杂的理论数学模型。2010年，刘小华等［8］以McKibben人工肌肉为基础，对国内建立的比较好的数学模型进行分析对比，结合弹性力学和摩擦理论建立了现阶段相对完善的气动人工肌肉静态数学模型。2011年，西安交通大学刘吉轩等［12］建立了等效刚度—阻尼模型，更好地描述了它的机械特性。

为指导完善数学模型的建立，关于气动人工肌肉基本特性的测试系统的研究也在快速发展，如刘昱等［9］提出了一种以低摩擦气缸为加载的新型气动人工肌肉测试系统，引入了基于微分跟踪器的前馈PID控制器，克服了传统测试系统的缺陷，提高了测试效率及自动化程度。通过利用测试系统对气动人工肌肉进行特性测试，可更直接有效的指导分析研究并完善理论模型。

2.2 控制模式研究

由于气动人工肌肉的强非线性和参数时变性特点，在实际应用时很难做到精确的位置控制，针对这些问题，近年来国内外研究者采用多种方式对气动人工肌肉的位置控制模式进行了广泛的研究。

由于传统的PID控制精度不高，相关人员引入不同的算法进行气动人工肌肉的PID控制研究。田艳兵等［10］采用粒子群算法对人工肌肉关节角度控制中PID参数进行寻优，取得了不错的控制效果，并证明了该方法比用Ziegler-Nichols法进行PID参数整定效果显著。另外，采用模糊PID［11］、BP神经网络PID［12］、基于递归神经网络的Smith预估PID控制［13］等方法，都取得了较传统经典PID更好的效果。

同期，研究人员也采用了变结构控制策略进行研究，其中离散滑模控制策略使控制误差达到了±1.5 mm，小于同条件下PID控制误差2 mm［14］；但采用滑模控制策略时，控制系统输出的高频抖振可能造成系统设备的损坏，设计时需尽量减小有害抖振到可行程度［15］。

可以看出，到目前为止还没有一个完美控制策略实现精确地控制，控制模式的研究还是未来一定时期的研究重点。

2.3 实际应用研究

由于气动人工肌肉的优点越来越受到重视，引领其技术逐渐向实际应用方向发展。

在现代康复医学领域，滕燕等［16］结合气动人工肌肉进行下肢康复机器人的研究，对比总结了电机驱动型、健康下肢驱动性和气动柔性驱动型下肢康复训练器（采用气动人工肌肉制作）的特点，认为柔顺性、安全性和智能化是下肢康复器未来的发展方向。

在机械手应用方面，孙中圣等［17］以气动人工肌肉作为驱动器的外骨架式反馈数据手套，研究了虚拟环境中抓取柔性物体的力觉再现问题，为力反馈数据手套在虚拟装配、遥操作、虚拟手术等领域的广泛应用打下了基础。卫玉芬等［18］讨论了基于生物运动机制的仿人两指手爪的结构和工作原理，建立了气动肌肉驱动手指加持力的理论模型，指出气动肌肉的输出压力是决定手指抓取力与手指张角大小的唯一因素，并证实了该手爪可有效地抓取多种易碎、柔软的物体。朱红亮等［19］将远程遥控系统作用于气动肌肉机械手样机上，较好地实现了在室外700 m和室内100 m区域内对气动肌肉机械手的远程无线控制，并运行可靠。同时，国内也开展了多自由度灵巧手的研究和试验。

近几年来，国内很多行业已经开始使用人工气动肌肉来解决实际问题。如在小型舵机加载系统中，利用气动人工肌肉代替常规的电动缸，实现舵机横向力的加载，解决小型舵机电动缸安装空间不够的问题［20］；在振动输送技术应用中，将气动人工肌肉和机械料盘集成一体，实现了气动人工肌肉的激振定向送料，组成了一种全新的气动振动盘［21］；在汽车行业，利用人工气动肌肉设计主动缓冲减振座椅，用于减小路面激励对驾驶员的振动冲击［22］；在空投技术领域，利用气动人工肌肉实现空投着陆缓冲，在现有空投系统基础上提高了空投质量，增强了稳定性［23］。

2.4 生产制造技术研究

气动人工肌肉研究起步较晚，目前只有国外少数厂家能提供规格有限的产品，如德国FESTO、英国Shadow公司，且目前国内绝大多数研究都是以德国FESTO公司提供的人工肌肉为对象开展。近几年来，相关资料显示，国内也在逐渐开展气动人工肌肉的生产制造技术研究，但都处于试制起步阶段。

2007，杨林等［24］详细介绍了简易气动人工肌肉的制作方法，并经过验证取得了成功；2010年，李红雁［25］对人工肌肉橡胶筒的制造进行了研究，解决了生产工艺问题。这些研究成果都为后续人工气动肌肉的推广奠定了基础。但由于目前国内需求主要是科研，批量商业化动力不足，也导致了气动人工肌肉的生产制造技术发展迟缓。

3 气动人工肌肉的发展前景分析

气动人工肌肉作为一种处于发展初期的新型气动驱动器，它的前期发展主要受机器人技术的牵引和推动，由于它优点显著，正在逐渐进入到各行各业的应用领域，具有良好的发展趋势。

首先，现代工业发展过程中，柔性技术已普遍成为产品自动化实现的瓶颈，如易碎易变形物品的抓取、高精度产品的装配都具备一定的技术难度，气动人工肌肉在解决类似柔性问题上具有明显的优势，随着研究的深入，气动人工肌肉在这一技术领域将得到广泛应用，柔性技术的广泛应用也会带动工业自动化水平的提升。

其次，气动人工肌肉良好的仿生特征决定了其在机器人领域广阔的应用前景。气动人工肌肉的发展与机器人技术息息相关，两者结合可使机器人完成更多的类人操作，更重要的是在某些高危行业可一定程度代替人的操作，降低风险。如执行水下操作、高空作业，乃至排爆、救援等，这些领域都将大有作为。

另外，由于气动人工肌肉结构简单，作为一种普通的驱动器可大大简化传统机械结构的复杂设计，这一特点正越来越受到重视，并将被逐渐应用于日常设计中，从而实现气动人工肌肉技术应用的普及化。

综上分析，气动人工肌肉应用领域广泛，更重要的是，它具备了许多传统机械不具备的特点，通过深入开发利用，可以解决目前各行业长期面临的一些实际问题，促进科研及工业自动化水平的发展，前景可观。

4 结论

目前，气动人工肌肉技术的研究和应用发展迅速，但还没有实现普及推广，它具有广阔的应用发展前景，但需要理论技术研究的进一步深入来支持。综合分析气动人工肌肉的发展现状，认为在未来一定时期内，重点从以下几方面开展研究，可较好地加速推动该技术的快速发展。

1）以高精度控制策略为理论研究重点，寻求合适的模型和控制算法以更好的指导实际应用；

2）结合各行各业的实际需求开展针对性的应用研究，为不同行业提供具体的系列化解决方案，使该技术在应用领域逐渐普及；

3）结合试验测试开展产品的标准化、系列化研究。人工气动肌肉作为一种新型柔性驱动器，国内外产品形式单一，缺乏统一标准。因此，很有必要进行标准化研究，建立标准化体系，同时开发多规格多系列的产品，经过试验测试提供对应的特性参数供各领域选用，通过这种模式促进理论研究和生产制造工艺的共同发展。

［参考文献］

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