气动人工肌肉及其在双足机器人中的应用.

2、气动人工肌肉介绍
早在20世纪50 年代，美国医生McKibben 出于帮助手臂有残疾的人实 现肢体矫正目的，发明了一种驱动假肢运动的气动执行元件, 即McKibben 气动人工肌肉，(Pneumatic Artificial Muscle, PAM) 。 20世纪60年代开始，电动机技术由于不需要庞大的气源供给装置以及 控制灵活、精度高而迅速取代了气动肌肉的应用领域。
表：四种仿肌肉驱动器与人类骨骼肌的性能比较 类型 人类骨骼肌 应变系数 / (% ) >40 响应 速度 L s~ s 能量密度/ (W# kg-1) >100 效率 / (% ) 45~50 执行位移 / (% ) >20
SMA
EAP PZT PAM
>5
>40 0. 09 >15
s
L s~ s L s~ s s
EAP (Electro active Polymer) 的高柔韧性、很高的传动应变和内在减震能力等特
性与动物肌肉十分相似。但是输出力较小，只适用于微小型机械的驱动。 PZT (Piezoelectric Transducer) 具有结构紧凑、体积小、驱动力大、位移分辨率 高、控制简单，频率高等优点，其缺点是位移和输出力较小。
1.2 生物肌肉的组成
图 生物肌肉的结构图 人体全身有639块骨骼肌，众多肌束，约60亿条呈圆柱形的肌纤维组成。 每块肌肉表面由称作“肌包膜”的结缔组织包裹着。肌肉内分布着血管和神 经，负责调节肌肉的收缩和舒张。
• 骨骼肌对研制人工肌肉的几点启发：
1．肌肉直接驱动骨骼运动，不需要减速装置和传动元件，故传动简单，惯量小， 工作轻便灵活； 2．肌肉属于单向力装置，运动形式是直线往复式，肌肉总是处于部分收缩状态以 具有一定的承载能力，并有利于从“松弛”状态向收缩状态转化； 3．不存在机械系统中常见的松弛或迟缓运动，从而可以提高灵活性和效率。
气动人工肌肉 及其在双足机器人中的应用
2012.4
主要内容
仿肌肉驱动器概述 气动人工肌肉介绍 PAM在双足步行机器人中的应用
总结及发展趋势
1、仿肌肉驱动器概述
机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等部分 组成。对于仿生机器人的驱动，电机、气缸和液压等常见驱动器，虽然 可以实现仿生机器人的运动，但存在诸多弊端，也制约着仿生机器人的 发展。 目前，机器人已由单一的工业应用扩展到太空探索、海洋开发、 军事和反恐等领域。人们对于机器人的性能提出了更高的要求，驱动作 为机器人系统的重要组成部分也面临着重大挑战，尤其是仿生机器人中 的应用。 驱动装置按照所使用的驱动器一般分为：电机驱动装置、气压驱动 装置以及液压驱动装置。
1.3仿肌肉驱动器的分类
现在国内外广泛研究使用的仿肌肉驱动器一般可以分为材料类、 机械类和生物类。
材料类仿肌肉驱动器：
模拟动物肌肉收缩产生力的特性，利用材料在不同的外部控制下，如电压、 电流、pH值等，材料内部的成分发生物理变化，产生形变和力。
机械类仿肌肉驱动器:
不同于材料类仿肌肉驱动器，机械类仿肌肉驱动器都是结构发生变化，产生 收缩和力。
生物的驱动装置-骨骼和肌肉，与电机等驱动装置相比较，具有柔韧 性好、冗余度高、传动简单、力/自重比大、无噪声等优点。而且生物肌 肉具有将化学能等温高效地直接转换为机械能的特性，其高效率、无噪 声、无污染、体积小、柔性机构分布式直接驱动及特殊地伺服性能等特 点也十分引人注目。成为新型驱动装置的一个研究重点。 因此，上世纪60年代起，日本开始研制仿肌肉驱动器，美国海军、 NASA、DRAPA等机构也纷纷开展仿肌肉驱动器的研究。
正是由于现有驱动装置存在上述的种种弊端，科研人员一直没有停止 研制新型驱动器的研究工作，以克服现有驱动装置的种种弊端。
• 对于仿生机器人的驱动 ：
1．电机、气缸的刚性较大，不能良好的模拟生物的柔性运动； 2．电机需要齿轮等传动装置将旋转运动转为直线运动，装置较多，效率 降低；气缸的工作状态有限；液压驱动器的体积过大； 3．仿生机器人的未来发展方向是微小型化，对于驱动器的要求也必然是 微小化，而电机、气缸和液压驱动器则难以达到这一要求；
生物类仿肌肉驱动器:
目前尚处于实验室研制阶段，主要是利用动物活体细胞来充当驱动器。
表 仿肌肉驱动器的分类
形wk.baidu.com记忆合金
材料类 电致收缩聚合物 磁致收缩聚合物 压电陶瓷 气动人工肌肉 机械类 电致收缩器 磁致收缩器
仿肌肉驱动器
生物类
心肌细胞
虽然仿肌肉驱动器种类较多，但由于成本、实现难易程度等因素，投入实际 应用的主要有形状记忆合金、电致收缩聚合物、压电陶瓷和气动人工肌肉四种。
>1000
>5 >1000 >1000
>3
>30 >30 32~50
<8
>10 0.1~0.3 0~30
SMA (Shape Memory Alloy)是一种新型的功能材料，具有能量密度较高，结构
简单，集传感、驱动和执行功能于一体，与生物肌肉极为相似。但是输出力较小和 响应频率较低也成为SMA与动物肌肉最为明显的差异。
随着机器人技术的发展，人们发现气动肌肉接近生物肌肉的特性非 常适合用于仿生机器人的执行器。同时，随着BridgeStone、Shadow、 FESTO 三家公司推出了商品化的气动肌肉产品，更加促进了研究人员对 气动肌肉进行新的研究以及开发气动肌肉新的应用领域。
1.1 常见驱动装置比较
表：常见驱动方式优缺点比较 驱动方式 优点 缺点
电机驱动 便于控制，实现精确的位置和速 力矩/质量比较低，需使用减速器获得低 度；信号便于处理；配线容易； 速大力矩，减速器的使用附加控制问题； 清洁，无噪声，价格较低。 容易产生电火花，在应用上受到限制。 气压驱动 成本较低，可靠性高，易于维护，难于准确控制速度和位置，出力小，有噪 无污染。 声，易锈蚀等。一般用于控制要求不高、 驱动力要求不大、成本低的产品。 液压驱动 力矩/质量比较高，驱动器体积 需配备液压动力源设备，内部漏油及 小质量轻可输出较大的驱动力； 油温影响驱动特性；管理、维修技术要求 刚度大。 高；一次性投资较高等。目前液压执行机 构主要用于大型机械的驱动。