气动驱动器种类及特点
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1 气动驱动的种类
图 1 McKibben型 的 PMA结构
气动复合弹性体驱动器最早出现在上世纪 5 0 年 代 ，经过几十年的发展，取得了丰硕的成果，
目 前 ，气 动 复 合 弹 性 体 驱 动 器 的 种 类 主 要 有 以 下 五种. 1.1 McKibben型气动驱动器
M cKibben型 PMA[6]作为最早的气动柔性驱 动 器 ，，其 结 构 如 图 1 所 示 f主要由三个部分组成:
收 稿 日 期 ：2016-12-15
作 者 简 介 : 彭 贺 （1988-)，男 ，辽 宁 锦 州 人 ，北 华 大 学 机 械 工 程 学 院 助 教 ，硕 士 ，主 要 从 事 仿 生 关 节 方 面 的 研 究 与
*
通
信
作
应用. 者 :刘 洪
波
，E-mai.l.tl.iu.h..o.n.g.b.o.9.5.@..1.63.com
单 等 优 点 得 到 了 国 内 外 学 者 的 关 注 并 成 功 应 用 到 各 种 机 器 人 上 .本 文 主 要 介 绍 了 气 动 驱 动 器 的 分 类 及
特点并举例加以说明.
关 键 词 ：气 动 驱 动 器 ; 仿 生 ; 机 器 人
中 图 分 类 号 ： TH 138.5
文献标志码： A
分为约束铁环，蓝色部分为气体入口 .当向硅胶管 内 腔 里 充 入 压 缩 气 体 时 ，驱 动 器 将 朝 着 硅 胶 管 壁 厚的一侧弯曲.
a
(b)IE作 状 态
图 5 回转型驱动器工作示意图
1 . 5 三 自 由 度 PMA
日 本 东 芝 公 司 （T o sh ib a ) 开 发 了 一 种 具 有 三 个 自 由 度 的 气 动 柔 性 驱 动 器 ，如 图 6 所 示 .PMA
气 动 驱 动 器 作 为 一 种 新 型 的 执 行 元 件 ，具有
结 构 简 单 、易 实 现 无 级 调 速 、易实现过 载 保 护 等 诸
多 独 特 的 优 点 将 越 来 越 广 泛 地 进 入 工 业 、军 事 、航 空等领域[1144].但也存在一些缺点：
(1)
气动人工肌肉的变形为非线性大变
外 层 采 用 的 纤 维 编 织 的 刚 性 网 、里 层 是 弹 性 性 能
较好的橡胶管以及起到密封作用的上下连接件，
其中一个连接件处设有充气口.
图 2 十分清楚的解释了 McKibben型 PM A工
作原 理 ，经充气口向橡胶管内注入压缩气体，随着
气 压 的 增 加 ，橡 胶 管 开 始 沿 径 向 膨 胀 ，径向膨胀力
准确控制其位移十分困难.因此若使气动人工肌
肉实用化，还需要解决许多问题，例如研究简便通
用的分析方法、简单高效的控制算法等.
(2)
气 压 驱 动 时 需 要 稳 定 的 气 压 源 ，如何
现 轻 量 便 携 式 的 气 泵 是 目 前 需 要 克 服 的 难 题 ，另
DOI j ：10.16039/ .cnki.cn2 2 - 1249.2017.03.013
传统的驱动方式主要是液压驱动和电机驱 动 [:1]，但 随 着 新 型 技 术 和 材 料 的 不 断 涌 现 ，出现了 各种形式的驱动器，如:形状记忆合金驱动器[2]、磁 致伸缩驱动器[~ 、压电驱动器[4]和气动柔性驱动 器等等.由于功能材料驱动因为成本高、技术尚不 十分成熟，没有得到进一步的研究与开发.气动柔 性驱动 器 以 其 结 构 简 单 、低 成 本 、清 洁 无 污 染 以 及 较好柔顺性等优点得到了广泛的座用[5].
笫3肋
彭 贺 ，等:气动驱动器种类及特点
57
伸 长 ，变形量与气体压力的大小成正比[7]*
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1 . 3 弯曲型气动驱动器
以色列海法大学Yoel Shapiro等人研制一种
单 自 由 度 的 弯 曲 型 驱 动 器 [8]，该 驱 动 器 主 要 由 非 完全对 称 性 的 硅 胶 管 、约 束 铁 环 ，气体入口等组 成 ，如 图 4 所示.图中黄色部分为硅胶管，绿色部
(1.北 华 大 学 机 械 工 栉 7 院 ，//林 吉 林 1 3 2〇21;2.北平大， 工程训练屮心，吉 林 Vf林 1 3 2〇21)
摘 要 ：气 动 驱 动 器 作 为 一 种 新 型 的 仿 生 驱 动 器 ，可 直 接 驱 动 、具 有 较 好 的 柔 顺 性 、清 洁 、摩 擦 小 、结 构 简
第 34卷 第 3 期 2017年 3 月
言林化工学院学报 JOURNAL OF JILIN INSTITUTE OF CHEMICAL TECHNOLOGY
V〇1.34 N〇.3 Mar. 2017
文 章 编 号 ：1007-2853(2017)03-0056-03
气动驱动器种类及特点 彭 贺 \ 刘 洪 波 2>k
内 腔 是 三 个 在 圆 周 上 均 勻 分 布 的 气 室 ，外 层 是 管 壁 中 加 有 纤 维 的 橡 胶 管 ，两端为端盖.通过控制
PM A 三 个 气 室 里 充 入 气 体 压 力 的 大 小 ，可使得 PMA实现轴向伸长和空间内任意方向的弯曲
运 动 [1'
图 4 弯曲型气动驱动器结构
使得整 个 PM A 沿轴向收缩，与生物肌肉的工作方
式类似.
图 2 McKibben型 的 PMA工作原理
1 . 2 轴向伸长型的气动驱动器 北华大学耿德旭教授等人研制了一种轴向伸
长性的气动柔性驱动器，如 图 3 所示.该驱动器主 要由橡胶管、弹簧和上下端盖等组成，下端盖处设 有气体入口 .当向橡胶管内充人气体时，由于弹簧 约 束 橡 胶 管 的 径 向 变 形 ，该 驱 动 器 只 能 沿 着 轴 向
1 . 4 旋转型气动驱动器
德 国 Karlsruhe研究中心也研制了一种回转
型的气动驱动器，如 图 5 所示.该驱动器主要由两 个 夹 板 和 一 个 弹 性 气 囊 构 成 ，两 夹 板 通 过 铰 链 连 接.当向弹性气囊内充入压缩气体时，气囊膨胀进 而 推 动 夹 板 张 开 一 定 的 角 度 ，张 开 角 度 的 大 小 主 要 取 决 气 囊 的 受 压 能 力 ，受 压 能 力 越 强 ，张角就越 大.卸压后，驱动器在弹性气嚢的作用下恢复到初 始 状 态 [9].
图 1 McKibben型 的 PMA结构
气动复合弹性体驱动器最早出现在上世纪 5 0 年 代 ，经过几十年的发展，取得了丰硕的成果，
目 前 ，气 动 复 合 弹 性 体 驱 动 器 的 种 类 主 要 有 以 下 五种. 1.1 McKibben型气动驱动器
M cKibben型 PMA[6]作为最早的气动柔性驱 动 器 ，，其 结 构 如 图 1 所 示 f主要由三个部分组成:
收 稿 日 期 ：2016-12-15
作 者 简 介 : 彭 贺 （1988-)，男 ，辽 宁 锦 州 人 ，北 华 大 学 机 械 工 程 学 院 助 教 ，硕 士 ，主 要 从 事 仿 生 关 节 方 面 的 研 究 与
*
通
信
作
应用. 者 :刘 洪
波
，E-mai.l.tl.iu.h..o.n.g.b.o.9.5.@..1.63.com
单 等 优 点 得 到 了 国 内 外 学 者 的 关 注 并 成 功 应 用 到 各 种 机 器 人 上 .本 文 主 要 介 绍 了 气 动 驱 动 器 的 分 类 及
特点并举例加以说明.
关 键 词 ：气 动 驱 动 器 ; 仿 生 ; 机 器 人
中 图 分 类 号 ： TH 138.5
文献标志码： A
分为约束铁环，蓝色部分为气体入口 .当向硅胶管 内 腔 里 充 入 压 缩 气 体 时 ，驱 动 器 将 朝 着 硅 胶 管 壁 厚的一侧弯曲.
a
(b)IE作 状 态
图 5 回转型驱动器工作示意图
1 . 5 三 自 由 度 PMA
日 本 东 芝 公 司 （T o sh ib a ) 开 发 了 一 种 具 有 三 个 自 由 度 的 气 动 柔 性 驱 动 器 ，如 图 6 所 示 .PMA
气 动 驱 动 器 作 为 一 种 新 型 的 执 行 元 件 ，具有
结 构 简 单 、易 实 现 无 级 调 速 、易实现过 载 保 护 等 诸
多 独 特 的 优 点 将 越 来 越 广 泛 地 进 入 工 业 、军 事 、航 空等领域[1144].但也存在一些缺点：
(1)
气动人工肌肉的变形为非线性大变
外 层 采 用 的 纤 维 编 织 的 刚 性 网 、里 层 是 弹 性 性 能
较好的橡胶管以及起到密封作用的上下连接件，
其中一个连接件处设有充气口.
图 2 十分清楚的解释了 McKibben型 PM A工
作原 理 ，经充气口向橡胶管内注入压缩气体，随着
气 压 的 增 加 ，橡 胶 管 开 始 沿 径 向 膨 胀 ，径向膨胀力
准确控制其位移十分困难.因此若使气动人工肌
肉实用化，还需要解决许多问题，例如研究简便通
用的分析方法、简单高效的控制算法等.
(2)
气 压 驱 动 时 需 要 稳 定 的 气 压 源 ，如何
现 轻 量 便 携 式 的 气 泵 是 目 前 需 要 克 服 的 难 题 ，另
DOI j ：10.16039/ .cnki.cn2 2 - 1249.2017.03.013
传统的驱动方式主要是液压驱动和电机驱 动 [:1]，但 随 着 新 型 技 术 和 材 料 的 不 断 涌 现 ，出现了 各种形式的驱动器，如:形状记忆合金驱动器[2]、磁 致伸缩驱动器[~ 、压电驱动器[4]和气动柔性驱动 器等等.由于功能材料驱动因为成本高、技术尚不 十分成熟，没有得到进一步的研究与开发.气动柔 性驱动 器 以 其 结 构 简 单 、低 成 本 、清 洁 无 污 染 以 及 较好柔顺性等优点得到了广泛的座用[5].
笫3肋
彭 贺 ，等:气动驱动器种类及特点
57
伸 长 ，变形量与气体压力的大小成正比[7]*
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1 . 3 弯曲型气动驱动器
以色列海法大学Yoel Shapiro等人研制一种
单 自 由 度 的 弯 曲 型 驱 动 器 [8]，该 驱 动 器 主 要 由 非 完全对 称 性 的 硅 胶 管 、约 束 铁 环 ，气体入口等组 成 ，如 图 4 所示.图中黄色部分为硅胶管，绿色部
(1.北 华 大 学 机 械 工 栉 7 院 ，//林 吉 林 1 3 2〇21;2.北平大， 工程训练屮心，吉 林 Vf林 1 3 2〇21)
摘 要 ：气 动 驱 动 器 作 为 一 种 新 型 的 仿 生 驱 动 器 ，可 直 接 驱 动 、具 有 较 好 的 柔 顺 性 、清 洁 、摩 擦 小 、结 构 简
第 34卷 第 3 期 2017年 3 月
言林化工学院学报 JOURNAL OF JILIN INSTITUTE OF CHEMICAL TECHNOLOGY
V〇1.34 N〇.3 Mar. 2017
文 章 编 号 ：1007-2853(2017)03-0056-03
气动驱动器种类及特点 彭 贺 \ 刘 洪 波 2>k
内 腔 是 三 个 在 圆 周 上 均 勻 分 布 的 气 室 ，外 层 是 管 壁 中 加 有 纤 维 的 橡 胶 管 ，两端为端盖.通过控制
PM A 三 个 气 室 里 充 入 气 体 压 力 的 大 小 ，可使得 PMA实现轴向伸长和空间内任意方向的弯曲
运 动 [1'
图 4 弯曲型气动驱动器结构
使得整 个 PM A 沿轴向收缩，与生物肌肉的工作方
式类似.
图 2 McKibben型 的 PMA工作原理
1 . 2 轴向伸长型的气动驱动器 北华大学耿德旭教授等人研制了一种轴向伸
长性的气动柔性驱动器，如 图 3 所示.该驱动器主 要由橡胶管、弹簧和上下端盖等组成，下端盖处设 有气体入口 .当向橡胶管内充人气体时，由于弹簧 约 束 橡 胶 管 的 径 向 变 形 ，该 驱 动 器 只 能 沿 着 轴 向
1 . 4 旋转型气动驱动器
德 国 Karlsruhe研究中心也研制了一种回转
型的气动驱动器，如 图 5 所示.该驱动器主要由两 个 夹 板 和 一 个 弹 性 气 囊 构 成 ，两 夹 板 通 过 铰 链 连 接.当向弹性气囊内充入压缩气体时，气囊膨胀进 而 推 动 夹 板 张 开 一 定 的 角 度 ，张 开 角 度 的 大 小 主 要 取 决 气 囊 的 受 压 能 力 ，受 压 能 力 越 强 ，张角就越 大.卸压后，驱动器在弹性气嚢的作用下恢复到初 始 状 态 [9].