气动人工肌肉

McKibben气动人工肌肉的测量和建模

Ching-Ping Chou and Blake Hannaford

Member, ZEEE

摘要：本文报道了测量和建模McKibben人工肌肉气动执行机构。此装置，首先在1950年开发的，包含扩大管周围编织线。我们通过静态和动态长度张力的测试结果，得出一个线性模型。并将结果与人体的肌肉属性相比较，以评估是否适合人体肌肉仿真。McKibben执行器基于生物学的机器人手臂。

一、引言

McKibben气动人工肌肉的研究在1950年和1960年，主要是发达的假肢。他们最近被商业化的日本机器人应用普利司通橡胶公司的J.温特斯博士用来重

新设计建造生物力学逼真的骨骼模型。McKibben肌肉包括一个内部膀胱周围由编织网是连接外壳（具有灵活且不可扩展的线程）在两端的接头或一些类似肌腱的结构（图1（a）条）。当膀胱加压，高的高压气体推压其内表面上，并针对外部的外壳，且很容易增加其体积。由于纵向刚度非常高的编织网壳中的线程，执行器缩短根据它的容量的增加和/或，如果它产生张力被耦合到一个机械负载。这种物理配置导致McKibben本的肌肉有可变刚度春天的特性，非线性弹性被动，身体的柔韧性，和很轻的重量比其他种类的人工致动器[9]。

之间的关系紧张，长度，速度不同的激活是主要特征从类型区分。人骨骼肌也有其自己的特殊特性：例如，凸状主动张力长度关系[5]，非线性被动拉伸长度的关系，和双曲张力速度关系[11]。每个属性也是一个函数激活电平[14]，[18]，[19]。为了说明的相似性（或不）生物肌肉，三种类型的McKibben肌肉，两个普利司通设计者和博士共同进行了测试。另外，由于气动执行器，实验和建模简单的气动回路都包括在内。

在本文中，所有的实验，理论，建模，和模拟分为四个主要部分：准静态和动态拉伸长度的关系;第三节，气动回路;第四节，等距等渗实验和第五节，能源转换和效率估计。

第二节：1）一个理想化的静态McKibben的肌肉的物理模型进行分析一个简单的理论方法，2）动态试验机将描述;

3）的一系列准静态和动态实验进行说明，显示的速度不敏感紧张长度滞后;

4）简化的静态模型将描述基于实验数据和一个理论方法和

5）的准静态和动态特性进行分析。

在第三条：1）两个动态实验进行说明简单的气动回路和；

2）与线性或非线性的气体集中参数模型;阻力将描述模拟。

在第四节中，等距和等渗实验的气动行为将被显示。在第五节，能源转换和根据气体动力学和热力学效率将是估计。

最后，致动器和气动系统进行比较生物肌肉。在一般情况下，McKibben人工肌肉更类似于生物肌肉比起其他种人工执行器。然而，气动系统，提供控制和执行器的电源，还需要一个很大的改进，以成一个可行的实施独立的系统。二、张力和长度的动静态关系

McKibben肌肉转换气动的致动器（或液压）的能量转化为机械形式转移膀胱的内表面上所施加的压力缩短张力。找关系的紧张，长度和压力，理论方法和几个实验中，将被分析的简化模型。

A.静态物理模型

McKibben肌肉为了找到作为压力的函数的张力和致动器的长度而不考虑详细的几何结构，理论方法的基础上节能首先介绍。

McKibben肌肉做输入工作（胜）当气体推内胆表面。这是

其中，P是绝对的内部的气体压力，PO，环境压力（1大气压=1.0336巴），PI，相对的压力，的Si，总的内表面，DSJ面积矢量，DLJ内表面位移和dV体积的变化。输出工作（Wout）了当执行器缩短关联的体积变化，这是

其中F是轴向张力，和dL，轴向位移。从节能的观点，输入工作等于输出的工作，如果一个系统是无损和无能量存储。假设执行器是在理想条件。然后我们可以使用“虚功”的说法

因此，由式（1）和（2）中，

为了估计每升的体积变化，首先我们假设的可扩展性壳线程是非常低的（因为它必须被选择），因此致动器量将只取决于它的长度。此外，中间部的致动器被模拟为一个完美的气缸零壁的厚度（图1（b）条），其中L是长度的缸，0是编织线和气缸之间的角度长轴，D是气缸的直径，正圈数一个线程，B螺纹长度。L和D可以表示8恒定参数n和b的功能，

圆柱体的体积是

因此，由式（4b）中，F可以表示为P'和8的功能

这相当于

在这里，角度长轴为0时的直径等于90，舒尔特文献[17]中使用的是相同的形式。张力因此线性比例的气压，为单调编织角（0<8<90'）的功能。最大当F = 0时，也就是，缩短达到，8=54.7'。请注意，尽管我们取得的张力与这里假设理想缸，张力总是可以，来自所知道的任意形状的致动器的dV/ dL的（4B）而假设致动器将被视为非理想的。

B.动态试验机

对于下面的实验中，测试系统，能够的制造和记录所需型态的张力，建长度，和压力的致动器（图2）。该系统包括一台IBM兼容的个人计算机（PC，16MHz 的386SX，实时更新率高达5 kHz），PC扩展总线接口和定时器电路，A / D，D / A转换器，模拟滤波器和放大器，压力传感器（6.8 bar最大），应变式力传感器（最大100 N），滤波器，放大器，1/4马力直流电动机与PO WER放大器（RT24 A最大。电流），光的角位置的增量式编码器（每转1600步）和一个解码器，一个压力调节器（10巴最大），电磁阀（费斯托比例压力稳压器MPP-3-1/8，最大10 bar），两个气体蓄能器（3 IN3和10立方英寸的），以及灵活的管（Q51/ 8“）。

通过利用不同的组合的U0通道和软件的设置，该系统可以进行各种测试条件，如恒定的压力测试，等距的测试，等渗测试，气动回路测试等。

C.准静态和动态实验

由于没有解析解来描述生物肌张力长度激活的关系，各种被选为测试配置说明的一部分这种关系，如静态张力下的长度关系

恒定的激活水平[5]，等距至等渗快速释放实验[3]，等速试验[3]，[13]等轴测响应激活张力[11，[2]等请注意激活肌肉力学总是输入，其他两个量中的任一个（紧张和长度）可能是输入或输出。

致动器的压力是类似的激活电平，最初将被认为作为输入到致动器，这将在保持为常数尽可能在这些实验中，以尽量减少压力动态的影响，从而简化了分析在准静态实验测试三种类型的执行一个在动态实验还测试了。该第一个休息长，1.1厘米，14厘米，用尼龙外壳直径在5巴的无负载。第二个，与玻璃纤维壳，