McKibben型气动人工肌肉研究进展与趋势

收 稿 日期 ：２０１７—０５—０３；修 订 日期 ：２０１７—０８—２３。Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ０３ Ｍａｙ ２０１７；ａｃｃｅｐｔｅｄ ２３ Ａｕｇ．２０１７． 基金项 目：国家 自然科学 基金青 年基金 资助项 目（５１４０５３３１）。Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｔｅｍ：Ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，
基 于虚 功原 理建立 的气 动人 工肌 肉几何 模 型有 Ｇａｙｌｏｒｄ模 型 、Ｓｃｈｕｌｔｅ模 型 、Ｃｈｏｕ模 型 和 Ｔｏｎｄｕ模 型 。１９５８年 ，Ｇａｙｌｏｒｄ［。 ］在 忽 略乳胶 管 弹性 、迟 滞 和 端 部非 圆柱 体影 响 的情 况 下 ，首次 建 立 了气 动 人工 肌 肉拉 力 与气压 和长 度 的几何关 系
气 动人 工肌 肉的静态 特性 模型 反 映的是 气动 人
式 中 ：Ｆ为 拉力 ；Ｐ为气 动 人工肌 肉容 腔 内 的绝 对充 气 压力 ； 为 外部 编织 网的编织 角 ；Ｄ 。为编 织 角 ４５。 时气动人 工肌 肉的直 径 。
在 基 于气 动 人 工 肌 肉为 理想 圆柱 体 的假 设 下 ， Ｓｃｈｕｌｔｅ［。司于 １９６１年 建立 了气 动人 工肌 肉 的几何 模 型 ；Ｃｈｏｕ等［。 ］以气压 Ｐ和 编织角 ０为参 数 ，根 据 能 量 守恒原 理 提 出气 动人 工 肌 肉静 态模 型 ，其 结 果 与 Ｇａｙｌｏａｒｄ模 型 一 致 ；Ｔｏｎｄｕ等 ［ ］以 气 压 Ｐ 和 收 缩 率 ￡为参 数 ，利 用 虚 功 原 理 得 到气 动 人 工 肌 肉静 态
本 文对气 动人 工肌 肉的相关 理论 研究 进行 了系 统整 理 和分析 ，回顾 了气 动人 工 肌 肉建 模 和 控 制方 法 的发展 历程 ，总 结 了国 内外 相关 机构 的研 究进 展 ， 归纳 了在 静／动态 特性建 模 、迟滞 特性 建模 与参 数辨 识 及 控制 策 略等方 面 的研 究 现 状 和最 新 成 果 ，并 在 此基 础上 展望 未来 研究 发展 方 向 。
第 ２４卷第 ５期 ２ ０ １ ８年 ５月
计算机 集成制造 系统
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍ ａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｓ
ＤＯＩ：１０．１３１９６／ｊ．ｃｉｍｓ．２０１８．０５．００１
Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．５
ＭｃＫｉｂｂｅｎ 型 气 动 人 工 肌 肉研 究 进 展 与 趋 势
（４）由气 体 的可 压 缩性 和橡 胶 管 的柔 性 导 致 的 柔顺 性 ［ ］（ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）。
（５）行 程 受 负 载 影 响 １１－１２］，其 气 压 位 移 迟 滞 特 性亦 随 负载 变化 ｌ１引。
（６）闭环 带宽 （ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）低 ［Ｍ］，限制 了气 动人 工 肌 肉的伸 缩频 率［１引。
Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．５１４０５３３１）．
１０６６
计算机集成制造 系统
第 ２４卷
（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）＿３＿。
（２）由橡胶 管 与 编织 网之 间 的间 隙 与摩 擦 产 生 的 门槛 气 压［ ］（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）效应 。
（３）气 动人 工 肌 肉橡 胶 管 在 充 放 气 过 程 中产 生 的周期 性 松 弛 ，以及 因气 动 人 工 肌 肉 内部 摩擦 产 生温 升 一 而 引起 的蠕 变 （ｃｒｅｅｐ）或 漂 移［ ］（ｄｒｉｆｔ） 现象 。
ｗｅｒｅ ｓｙｓｔｅｍｉｃａｌｌｙ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ａｒｔ ｗａｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ／ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌ—
ｌｉｎｇ，ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ， ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ． Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｅｖｅｌｏｐｍ ｅｎｔ ｔｒｅｎｄｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｐｎｅｕｍ ａｔｉｃ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｍｕｓｃｌｅ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏｗａｒｄｓ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎ— ｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍ ｅｎｔ ｏｆ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｍｕｓｃｌｅ ｗａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ｉｔｓ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｇｒｅａｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｏｆ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｔｈｅ ｃｏｍ ｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｍｏｄｅｌｓ ｗ ｅｒｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎ— ｃｒｅａｓｅ ｏｆ ａｇｅｎｃｙ ｃｏｍ ｐｌｉａｎｃｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｃｏｍ ｐｌｉａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍ ｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｒｏｖｅ ｂｙ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ａｒｔｉｆｉ— ｃｉａｌ ｍ ｕｓｃｌｅ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｂｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｉｅｄ， ａｎｄ ｈｏｗ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗ ａｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｏｐｉｃ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｍｕｓｃｌｅ；ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ；ｒｅｓｅ ａ ｒｃｈ ｔｒｅｎｄｓ；ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ；ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ
Ｆ ：＝＝
（３ＣＯＳ。 一 １）。
（１）
图 １ ＭｃＫｉｂｂｅｎ型气动 人 工肌 肉
气 动人工 肌 肉 因上述 特性 而呈 现 出强非 线性 与 时变 性 ，极大 地增 加 了控 制 系 统 的复 杂程 度 。为 了 更好 地将 气 动人 工 肌 肉应 用 到 实 际 工 程 中 ，国 内外 学者 针 对上述 问题 从 气 动 人 工 肌 肉 的静 ／动 态 特性 建模 、迟 滞特 性建 模 、控制 策略 等方 面进行 了大量研 究 ，取得 了诸 多成 果［１６－１７］。
关键词 ：气动人工肌 肉；研究进展 ；研究趋势 ；迟滞现象 ；控制 策略 ；建模 中图分类号 ：ＴＧ１５６ 文献标识码 ：Ａ
Ａｃｈｉｅｖｅｍ ｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｉｌ Ｍ ｃＫ ｉｂｂｅｎ ｐｎｅｕｍ ａｔｉｃ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｍ ｕｓｃｌｅｓ ＸＩＥ Ｓｈｅｎｇｌｏｎｇ，Ｍ ＥＩ Ｊｉａｎｇｐｉｎｇ ，ＬＩＵ Ｈａｉｔａｏ
工肌 肉的 拉 力 与 气 压 和 长 度 之 间 的 函 数 关 系＿２ 。 在大量 文献 调研 工 作 的 基础 上 ，本文 将 气 动 人 工 肌 肉的静 态 特性模 型 划分 为几何 模 型 、现象 模 型 、实 验 模型 和有 限元模 型 。
２．１．１ 几 何 模 型
几何 模 型 的建 模 方 法 分 为 两 种 ＿２ ：① 能 量 法 ， 即基 于 虚功原 理建 立 气 动 人 工 肌 肉 的静 态 模 型 ；② 力平 衡法 ，即通过 横 截 面 的轴 向和 周 向力 平 衡 条 件 建立 气 动 人 工 肌 肉 的静 态模 型 。表 面 气 压 力 剖 面 法［２２－２３］（ｆｏｒｃｅ ｐｒｏｆｉｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）归 于 力平 衡法 。
１ 问题 的 提 出
气 动 人 工 肌 肉 （Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍｕｓｃｌｅ， ＰＡＭ）又 称 为 气 动 肌 肉执 行 器 （Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｍｕｓｃｌｅ Ａｃｔｕａｔｏｒ，ＰＭＡ），因其 具有结 构 简单 、重量 轻 、输 出 力 ／自重 比大 、柔 性 大 等优 点 Ⅲ ，越 来 越 受 到 工 业 界
（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍ ｅｃｈａｎｉｓｍ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍ ｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓ ｏｆ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ， ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ， ｃｒｅｅｐ， ｃｏｍ ｐｌｉａｎｃｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ， ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍ ｅｎｔｓ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｍ ｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍ ｃＫｉｂｂｅｎ ｐｎｅｕｍ ａｔｉｃ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｍｕｓｃｌｅｓ ａｔ ｈｏｍ ｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ
的青 睐 ，其 中应用 最 广 泛 的是 ＭｉｃＫｉｂｂｅｎ型气 动人 工 肌 肉 （如 图 １，以下 简 称 为 气 动 人 工 肌 肉）。 由 于气动 人 工 肌 肉 的 结 构 特 点 ，使 其 具 有 以 下 固有 特 性 ：
（１）因编 织 网之 间 、编 织 网 与橡 胶 管 之 间 的摩 擦 ，以及 橡 胶 管 的 拉 伸 与 变 形 ，导 致 的迟 滞 现 象
２ 气 动 人 工 肌 肉建 模 方 法
研 究 气动人 工 肌 肉的基 本特性 与相 应 的参数 建 模 方法 ，是 实现 其控 制 与应 用 的前 提 和 基 础［１ 。为 研 究气 动人 工肌 肉 的工 作 特 性 和控 制 器 设 计 方 法 ， 需 首先 建立 其数 学 模 型 ，进 而 分 析 系统 参 数 对 控 制 性 能 的影 响［１ 。 回顾 现有 文献 ，可将 气 动 人工 肌 肉 的参 数 模 型 分 为 静 态 特 性 模 型 和 动 态 特 性 模 型 两类 。 ２．１ 静态 特性 建模 方法
谢胜龙 ，梅江平 ＋，刘 海涛
（天津大学 机构理论与装备设计教育部重点实验 室 ，天津 ３０００７２）
摘 要 ：鉴于气动人工肌 肉固有 的结 构特点导致其在 运动过 程 中产 生迟滞 和蠕变 等非线性 现象 ，给其精 确控 制带来 了极 大的困难 ，而现有 的气动人工 肌肉的迟滞理论建 模和 控制策 略 尚存在 诸多 缺陷 ，阐述 了气 动人工 肌 肉 运动过程 中产生 的一 系列 非线性现象及其原 因，从气 动人工肌肉静／动态特性建模 、迟滞 特性建模 及控制策 略等方 面综述 和分析其 现有研究 进展与成果 。根据气动人工肌 肉结构 、迟滞 建模 和控制 策略 的发展趋势 ，给出 了气 动人 工肌 肉需要深入研究 的方 向和解决 这些关键问题 的途径 。
模 型
Ｆ— ａ－ｒｏ２Ｐ［ａ（１一ｅ） 一 ；
（２）
３
以 一
Βιβλιοθήκη Baidu
，ｂ 一
一
。
㈤
式 中 ：Ｔ＂ｏ和 Ｌ。分 别 为 气 动 人 工 肌 肉在 初 始 状 态 下 的半 径和 长度 ；ｓ为 收缩率 ；Ｌ 为 气 动人 工 肌 肉充 气 收缩后 的长度 ； 为 编织 角 。式 （２）表 明气 动人 工 肌 肉的拉 力 与 气 压 成 正 比 ，与 收 缩 率 成 非 线 性 关 系 。 实际上 ，该 式与 Ｇａｙｌｏｒｄ模 型式 （１）等 价 ，但 因为 收 缩 率 ｓ比编织 角 更 易 于 通 过 实验 测 得 ，所 以 实 际 应 用 中多采 用 Ｔｏｎｄｕ公 式或其 修 正公式 ｌ２ 。