下载文档原格式
人工肌肉的制备及其应用研究近年来，人工智能、机器人等领域的不断发展和进步，让人们对人工肌肉的研究和应用产生了更大的兴趣。
相信不久的将来，人工肌肉将会在多个领域内得到广泛的应用。
一、人工肌肉的定义及分类人工肌肉，指的是一种由聚合物发展而来的高分子材料，能够在电场的刺激下收缩和扩张，从而产生与自然肌肉类似的运动功能。
根据不同的材料和工艺，人工肌肉可分为三类：1.电作用人工肌肉它由金属外壳和电介质组成，外部通过电场或场电极激励电荷，产生变形，可实现类似于自然肌肉的运动。
2.电动力聚合物人工肌肉该材料设计有可控制的、可逆转的伸长性和收缩性，导致它可达到自然肌肉运动。
该材料可以由不同形状的分子链所构成。
3.压电人工肌肉压电人工肌肉，由电子学的压电作用刺激产生收缩和扩张，该波形信号模仿了自然肌肉的运动方式。
二、人工肌肉的制备1.电作用人工肌肉制备电作用人工肌肉通常由金属材料制成，这个材料是有两层的金属层所包裹的电学介质。
金属和电介质之间形成了一个电荷，从而导致材料的体积收缩和扩张。
制备方法已比较成熟，但由于其不够灵活、重量较大、响应速度较慢等原因，目前应用范围有限。
2.电动力聚合物人工肌肉制备电动力聚合物人工肌肉的制备方法更加复杂。
主要有三种方法：光束聚合法、电致聚合法和湿润法。
其中，光束聚合法是应用最广的方法之一。
利用具有发光性能的物质，光照射时调节其聚合行为，最终生产出符合功能需求的电动聚合物人工肌肉。
3.压电人工肌肉制备制备压电人工肌肉的方法与电作用人工肌肉类似，但它的成分不同，它是由一些压电材料制成的，如钨酸锶、小分子、聚合物等，这些材料可以响应电压或电场，产生运动。
三、人工肌肉的应用1.生物医学领域人工肌肉在生物医学领域的应用极其广泛。
例如，在人工心脏瓣膜中使用人工肌肉，可以使瓣膜的开关更加准确、自然。
同时，人工肌肉也被广泛应用于人工肢体的制造上。
借助其可靠的运动特性和结构强度，可以为需要足够支撑的失去身体肢体的人群，提供更好的康复效果。
人工肌肉的研究与应用近年来人工智能和机器人技术的飞速发展，让人们对于科技的未来有了更广阔的想象空间。
但是在人类的科技探索中，机械化和电子化的路线已经走尽，因此人们开始向着仿生学和机械肌肉方向转变。
人工肌肉作为机械肌肉的核心之一，可谓是现代科技领域里的“金之日本海”。
一、什么是人工肌肉人工肌肉是一种运用智能材料制作的机械部件，其质量轻、力量大、运行速度快、响应速度快、并集成化程度高等特点。
他的物理原理是，当一种具有特殊性能的材料在外力的作用下发生体积的变化，就被称为智能材料。
这种材料的种类很多，其中最为典型的材料是电致性聚合物。
这种材料与其它普通的材料相比，具有明显的自适应性能。
比如说，当外界电场的作用在一种电致性聚合物导体上时，这种材料就会产生立体变化，从而让整个“人工肌肉”通电。
当电流消失时，这种材料会自动恢复原状。
二、人工肌肉的制作与传统机器人技术的不同之处，人工肌肉的制作不需要完备的硬件。
人工肌肉的制作方法很简单：将两层聚酯薄膜粘结在一起形成一种聚酯晶体管。
使用金属电极层，可以在薄膜上形成类似于水晶管的电路。
电路上的电压可以调节晶体管上的电场强度，通过变压器等电子设备可以放大电压信号的大小和数量的大小，从而让“人工肌肉”振动。
三、人工肌肉的应用人工肌肉的应用很广泛，在现代工程技术领域里已经广泛使用。
这种新型材料的重要奥秘在于，人工肌肉的响应速度极快，还能提供可靠的能源储备。
眼下，人工肌肉的应用主要分两个方面：医疗领域和生产领域。
其中，在医疗领域，人工肌肉已经成为长期严重疾病治疗的首选方案之一，比如在截肢和瘫痪患者的康复治疗中得到了广泛的运用。
在生产领域，人工肌肉可以提高生产效率，降低劳动强度，保证生产线的正常运行。
四、人工肌肉的未来可以预料，在未来的发展中，人工肌肉将会被应用到更广泛的领域，试图解决生命存在的一些问题。
共同的目标是，把不当人类处理的任务放到机器人和人造肌肉身上，使人类在工作中不仅感受到轻松而且会变得更加安全。
人造肌肉的工作原理及其在仿生机器人中的应用人造肌肉是一种模拟人类肌肉运动的装置，具有强大的收缩和伸展能力，可用于多个领域，尤其是在仿生机器人中。
本文将介绍人造肌肉的工作原理以及在仿生机器人领域中的应用。
一、人造肌肉的工作原理1. 弹性材料人造肌肉通常由弹性材料制成，如合成聚合物或金属合金。
这些材料具有高度可塑性，能够承受大范围的伸缩变形。
2. 激发机制人造肌肉的激发机制类似于人体肌肉。
通过外部刺激，如电流、气压或热能，可以引起人造肌肉的收缩或伸展。
3. 收缩和伸展人造肌肉的收缩和伸展是通过控制输入的激发信号来实现的。
激发信号的类型和强度决定了人造肌肉的运动方式和幅度。
二、人造肌肉在仿生机器人中的应用1. 动力学人造肌肉在仿生机器人中扮演着关键的角色。
通过在机器人的关节和肌肉系统中应用人造肌肉，可以实现更精确和流畅的运动。
机器人可以模仿人类肌肉的收缩和伸展，使得其运动更加自然。
2. 机械臂人造肌肉在机械臂中的应用是非常广泛的。
机械臂可以使用人造肌肉来完成精密的动作，比如抓取和搬运物体。
人造肌肉具有较高的柔韧性和力量，可以适应不同形状和重量的物体。
3. 步行机器人步行机器人是仿生机器人领域中的一个重要研究方向。
人造肌肉被广泛应用于步行机器人的腿部系统中，可以模拟人类的步态和运动方式。
通过调节人造肌肉的收缩和伸展，步行机器人可以实现平稳的行走和灵活的动作。
4. 医疗辅助人造肌肉还可以应用于医疗领域，用于辅助康复训练和肢体功能的恢复。
人造肌肉可以模拟人体肌肉的运动，并根据患者的需要进行调节。
通过与人体肌肉的交互作用，可以帮助患者恢复肌肉功能和日常活动能力。
5. 灵巧操作人造肌肉的特性使得其在灵巧操作中有广泛应用的潜力。
比如在手术机器人中，人造肌肉可以用于进行高精确度的手术操作，提高手术的成功率和准确性。
三、结论人造肌肉作为一种模拟人体肌肉运动的装置，具有广泛的应用前景。
其工作原理基于弹性材料和激发机制，通过控制输入信号实现收缩和伸展。
肌肉肌丝滑动原理及应用肌肉肌丝滑动原理是指当肌肉收缩时，肌肉中的肌纤维的肌丝会相互滑动。
肌肉肌丝滑动原理与肌肉收缩过程中所涉及的肌兴奋、收缩和松弛等生理机制密切相关。
下面将详细介绍肌肉肌丝滑动原理及其应用。
肌肉主要由肌纤维组成，而肌纤维是由肌兴奋膜、肌浆网和肌原纤维构成的。
肌原纤维中由肌丝组成，包括肌粗丝和肌细丝。
肌粗丝中包含肌球蛋白和肌肌蛋白，并且位于肌细丝之间。
肌细丝是由肌球蛋白组成的。
当肌肉受到刺激时，肌兴奋膜通电，导致肌细丝上的肌球蛋白与肌肌蛋白结合，从而引发肌肉收缩。
肌肉肌丝滑动原理的详细过程如下：在肌兴奋膜收到刺激之后，肌兴奋膜上的电位变化，导致细胞内的钙离子流入肌纤维。
钙离子结合到肌球蛋白上，使其发生构象改变，从而进一步激活肌肌蛋白。
激活的肌肌蛋白会与肌球蛋白结合，肌肌连接会发生变化，肌肉细胞内的肌细丝与肌粗丝之间的连接会拉紧。
肌细丝上的肌球蛋白会通过移动肌粗丝中的肌球蛋白，使两者之间相对滑动。
肌细丝的滑动进一步引起肌肉蛋白质分子之间的相互作用，从而使肌肉收缩。
肌肉肌丝滑动原理的应用非常广泛，不仅在日常生理活动中起到重要作用，还在医学和科学研究中得到广泛应用。
在日常生理活动中，肌肉肌丝滑动原理参与了人体的各种运动，包括活动肢体、行走、跑步等。
肌肉的收缩和松弛通过肌肉肌丝的滑动实现，从而实现了人体各种复杂的运动。
在医学中，对肌肉肌丝滑动原理的研究可以帮助人们更好地理解和治疗肌肉疾病。
例如，肌肉萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）是一种进行性肌肉萎缩的疾病。
研究肌肉肌丝滑动原理的变化可以帮助科学家了解疾病的机制，并寻找治疗策略。
此外，在科学研究中，肌肉肌丝滑动原理也起到了重要作用。
科学家可以通过研究肌肉肌丝滑动机制来了解生物肌肉系统的运作方式，以及与运动相关的问题。
这对于揭示细胞和分子水平上的肌肉生理学提供了重要线索。
综上所述，肌肉肌丝滑动原理是肌肉收缩过程中的重要生理机制。
通过对肌丝间的滑动实现肌肉的收缩和松弛。
《肌肉骨骼康复技术》教学大纲一、课程简介本教学大纲旨在介绍肌肉骨骼康复技术，包括其基本概念、原理、实践技巧和应用场景等。
通过本课程的研究，学生将了解到肌肉骨骼康复的重要性及其在康复领域的应用。
二、课程内容1. 基本概念的介绍- 肌肉骨骼康复的定义- 康复技术的分类和特点2. 康复原理的讲解- 运动生理学基础知识- 康复过程中的生物力学原理- 应用研究和临床实践的案例分析3. 康复技术的实践技巧- 按摩和针灸的应用- 牵引和牵引设备的使用- 热敷和冷敷的技巧- 肌肉骨骼系统的体位练4. 康复技术的应用场景- 退伍军人康复- 运动损伤康复- 骨折康复- 关节炎治疗三、教学方法本课程将采用以下教学方法：- 理论讲授：介绍基本概念、康复原理和实践技巧等内容。
- 案例分析：通过分析实际案例，加深对康复技术的理解和应用能力。
- 实践操作：通过实际操作和演练，提升学生的实际操作技能。
四、教材和参考资料1. 主教材：《肌肉骨骼康复技术教程》2. 参考资料：- 《康复理论与实践》- 《运动生理学导论》- 《康复实践案例分析》五、考核要求1. 平时表现：课堂参与、作业完成情况等。
2. 期中考试：理论知识的掌握程度。
3. 期末考试：综合应用能力的测试。
六、教学进度安排时间 | 内容--- | ---第1周 | 课程介绍、基本概念的介绍第2周 | 康复原理的讲解第3周 | 康复技术的实践技巧第4周 | 康复技术的应用场景第5周 | 复与总结以上为《肌肉骨骼康复技术》教学大纲的简要内容安排，具体的教学细节将根据实际情况进行调整和补充。
肌肉的力学特性及其应用肌肉是人体中最重要的组织之一，它们能够为我们提供力量和动力，让我们进行各种活动。
肌肉的力学特性是肌肉整体生理学中的一个非常重要的方面，它们对人体力量的生成和控制发挥着至关重要的作用。
在此文章中，我们将探讨肌肉的力学特性以及它们如何应用于运动和康复。
一、肌肉力学特性的介绍肌肉力学特性是描述肌肉在不同负载下表现的方式，并对肌肉力量和动力的产生进行分类。
其中最重要的、人们普遍熟知的力学特性有：1.力-长度特性：力-长度特性描述了肌肉在不同长度处所产生的力量。
在肌肉的最佳收缩长度时，肌肉产生的力量最大。
2.长度-速度特性：长度-速度特性描述了肌肉在不同速度下所产生的力量。
这项特性也涉及到肌肉产生的最大力量。
3.力-时间特性：力-时间特性描述了肌肉的速度和力量随时间的变化。
在启动阶段，肌肉产生的力量高而速度慢，而在稳态阶段时，产生的力量低而速度较快。
4.力-频率特性：力-频率特性描述了肌肉在不同频率下的收缩强度。
随着肌肉被高频激活，收缩强度也会逐渐增加。
二、肌肉力学特性的应用肌肉力学特性在运动和康复中有很多应用。
以下是一些具体例子：1.训练：了解肌肉力学特性的变化可以帮助人们设计出更具效率的训练计划，以此提高肌肉力量。
例如，如果你知道肌肉在特定长度下产生的力量最大，你可以将训练重量设置在这个长度附近，以此最大化力量的产生。
2.康复：了解肌肉力学特性可帮助医生和物理治疗师对肌肉损伤进行恢复。
例如，了解力-时间特性可以帮助康复者确定他们的肌肉应该在什么速度下、使用什么样的力量来逐步恢复活力。
3.研究：理解肌肉力学特性可以帮助研究人员探索更加深入的问题，例如肌肉损伤、肌肉疲劳和肌肉发达等。
例如，通过研究肌肉收缩速度和力量之间的关系，研究人员可能会发现一些新的治疗方法或新的锻炼方式，能够更好地让人们达到锻炼效果。
4.运动：肌肉力学特性在各种运动竞技中发挥着至关重要的作用。
例如，在举重比赛中，运动员必须要了解自己的肌肉在给定重量下的力-时间特性，以此制定出最实用的训练计划。
人造肌肉的研究随着科技的不断进步和发展，人造肌肉的研究也日渐成熟。
人造肌肉作为材料科学、机械工程、生物医学等多个领域的重要组成部分，具有广阔的应用前景。
本文将对人造肌肉的研究现状、应用前景以及未来发展进行探讨。
一、人造肌肉的研究现状人造肌肉是指基于人类肌肉机制实现机器或生物体的运动功能的人工材料或装置，其研究始于20世纪60年代。
目前，人造肌肉主要分为电致动人工肌肉和化学致动人工肌肉两类。
电致动人工肌肉是一种基于电致变形效应的新型材料，利用外界电场作用下的电致变形实现运动功能，如电致变形石英晶体、电致陶瓷、电致聚合物等。
其中，电致聚合物是应用最广泛的一种，其机理是在电场作用下，电极之间电荷的迁移使得聚合物内部分子朝向电场方向移动而引起体积变化。
一些具有独特结构的纤维形电致聚合物被设计成了鱼的器官、人工血管、衣物等。
化学致动人工肌肉是一种基于化学反应实现运动功能的成果，其机理包括亲水性/疏水性转换和化学反应驱动，如聚氨酯弹性体、DNA分子、聚合物水凝胶纤维等。
其最大的优势是化学反应的能量来源于化学反应而非电场，可以在没有电力的情况下进行工作，且响应速度更快。
化学致动人工肌肉可用于微型机器人、生物体内脏裂纹修复、心脏辅助装置等领域。
二、人造肌肉的应用前景人造肌肉具有广泛的应用前景，在医疗、机器人、飞行器等方面的应用也逐渐变得日益重要。
以机器人领域为例，人造肌肉的使用可大大降低生产成本，提高机器人的灵活度和韧性。
人造肌肉用于医学领域，在解决病患者身体肌肉功能减退和伤害后的康复治疗方面也具有巨大潜力。
对于航空航天领域而言，人造肌肉可以实现更高的资源利用效率，因为它不仅可以承担飞行载荷，还可以帮助飞机实现一些与降级故障相关的转换性质。
此外，在飞行过程中人造肌肉可以准确调整飞机的姿态和稳定性，从而使得操纵更加准确，在部分机械装置的重量与空间极小而迫切需要控制的情况下，可以更加灵活地满足工作要求，发挥其极高的运动学和动力学性能。
人工肌肉的研究和应用一、引言人工肌肉这个概念，通常会被大家想象成一些奇特的机器人手臂或腿部，但其实除了这些传统的想法，人工肌肉还有着广泛的应用场景。
随着科技的不断发展，人工肌肉正逐渐演化为一种新型材料，拥有越来越多的实用性和市场价值。
本文将阐述人工肌肉的相关研究和具体应用，旨在提供对其发展和前景的了解和认识。
二、人工肌肉的定义和基本原理首先我们要明确，人工肌肉是一种由活性聚合物、电致活性材料或其他可能形成收缩延伸运动的元件构成的新型材料。
在这些材料中，电致活性材料尤其是电致致动聚合物材料是最常见的。
这类材料在感受到电压或电场时会发生体积变化，产生与真正的肌肉相似的运动，因此被称作“人工肌肉”。
其基本原理是，当这种材料受到电场激发时，会引起材料及其表面的体积变化，从而通过这一运动效应，在不同的应用领域发挥出各种不同的功能。
人工肌肉的许多特点和特性，如柔软可塑、可逆损伤、自愈能力强等，与真正的生物肌肉十分类似。
三、人工肌肉的应用针对不同的应用场景，人工肌肉可以被制成不同形态的机器人元件，例如灵活的手指、腿部的关节、甚至是更复杂的生物内科学工具。
下面，我们将详细讨论人工肌肉的现有和潜在的几个应用领域。
1.仿生机器人人工肌肉作为一种替代传统机器人的重要材料，可以被广泛的应用在现代仿生机器人的设计中。
比如，在机器人手臂中，人工肌肉能够比传统机器人手臂更加灵活地模拟人的手部运动，让机器人能够更好地模拟人的动作，或者实现更高的精准度和复杂性。
这些机器人可以在医疗、教育、工程等领域中发挥出巨大的作用。
2.医疗器械人工肌肉还可以应用于制作医疗器械，医用人工肌肉在仿真医学领域具有潜在的应用价值。
例如，人工心脏中应用电致活性材料的人工肌肉能够更好地模拟正常的心脏肌肉收缩和松弛，与当前的心脏辅助装置的机械结构相比，更为生理学的模拟可能会带来更好的治疗效果和患者的生活质量。
此外，在手术器械和生物传感器等领域中，人工肌肉也有着广泛的应用前景。
生物医学工程中的肌肉骨骼仿生学肌肉骨骼仿生学是一个研究人类运动机能的领域，旨在将仿生学原理应用于设计和制造人类肌肉骨骼系统。
这一概念出现于20世纪60年代初期，当时仿生学开始应用于工程学和材料科学。
肌肉骨骼系统由有机和无机物质组成，其中有机物质包括肌肉、骨骼和软道组织，无机物质则是钙和其他矿物质。
肌肉骨骼仿生学的目的是将这些元素与电子、感知器和控制器等组件相结合，以创造类似于人类肢体的机器。
这种机器能够反应通常由肌肉骨骼系统执行的动作，例如走路、举重和运动。
肌肉骨骼仿生学技术的应用范围十分广泛，涵盖了从协助行动不便者的康复系统到解决高强度工人受伤问题的自动化工具等不同领域。
系统组件一个肌肉骨骼系统由两个基本组件组成: 肌肉和骨骼。
在仿生学模型中，这两者都被模拟为松弛或牵张的弹性物体。
骨骼使用刚体约束模型实现，使其在关节处弯曲和扭转，肌肉则会向不同方向施加力。
肌肉通常使用传统肌肉模型表示，其中肌肉由多个肌肉纤维组成。
每个纤维都是由具有不同长度、速度和力学响应特征的肌原纤维组成。
这样，仿生学者可以通过控制肌原纤维的长度和张力来生成所需的动作。
电气电子技术除了肌肉和骨骼，电子和电气技术也是肌肉骨骼仿生学中的基本组成部分。
这些技术专门用于测量和传输运动、力和位置信息。
这也是激活肌肉和骨骼之间的交互作用的关键。
控制器和感知器作为仿生系统的一部分，主要承担测量肌肉和骨骼位置、速度和加速度等运动信息的任务。
控制器通过计算传感器数据并确定下一步行动步骤来响应这些信息，这样就可以协调肌肉、骨骼和电子设备之间的动作。
人工智能和数据处理近年来，人工智能技术的运用推动了仿生学产业市场的扩张。
比如，一些公司正在使用人工智能技术开发能够自行学习、适应性较强的仿生机器，以更准确地模拟人体肌肉和骨骼的运动。
数据处理也是实现更精确仿生学仿真的关键。
数据处理技术可以提取和分析肌肉骨骼系统的运动数据，从而实现美观、平滑的动作，以及更准确的力量和位置控制。
机械原理及应用
机械原理是关于机械系统运动和力学行为的科学原理。
它包括了力学原理、运动学原理、动力学原理等基本概念和规律。
在机械原理中，力学原理是最基础的原理。
它研究物体受到力的作用时所产生的运动和变形。
力包括作用力、反作用力、重力等。
根据牛顿第一、第二、第三定律，我们能够推导出物体受力时的运动规律。
运动学原理则研究物体的运动规律，包括位置、速度、加速度等。
运动学原理能够帮助我们描述物体如何运动以及运动的速度和方向。
动力学原理则研究物体受力时的运动规律。
它是基于牛顿第二定律建立的。
动力学原理可以用来计算物体的加速度、力与加速度之间的关系等。
机械原理的应用非常广泛。
在工程领域，机械原理被用来设计和研发各种机械设备和系统。
比如，在汽车工程中，机械原理可以帮助我们理解汽车的运动和力学行为，以及优化汽车的性能。
另外，在机械制造领域，机械原理也可以帮助我们理解和设计各种机械零部件的运动和力学行为，以确保机械设备的稳定性和可靠性。
此外，机械原理还可以应用在建筑工程、航空航天、电力工程等领域。
在建筑工程中，机械原理可以用来设计和分析建筑物的结构和承载能力。
在航空航天领域，机械原理可以帮助我们
设计和分析飞机、火箭等航天器的运动和力学行为。
在电力工程中，机械原理可以应用于发电机、传动装置等电力设备的设计和运行。
总的来说，机械原理是一门重要的学科，它的基本理论和应用在各个工程领域都有广泛的应用。
通过研究和应用机械原理，我们能够更好地理解和掌握机械系统运动和力学行为的规律，从而提高工程设计的质量和效率。
人体肌肉生物力学模型的建立及其应用研究人体肌肉生物力学模型是一种描述肌肉结构和生理特性的方法，它能够描述肌肉受力及其对整个身体的运动和稳定性的影响。
在医学、运动医学、体育等领域，人体肌肉生物力学模型被广泛应用。
本文旨在介绍人体肌肉生物力学模型的建立方法和应用研究现状。
一、人体肌肉生物力学模型的建立方法人体肌肉生物力学模型的建立涉及多个方面的知识，包括解剖学、生理学、传感器技术、运动学、动力学、数学建模等。
人体肌肉生物力学模型的建立一般包括以下几个步骤：1. 选择肌肉选择需要研究的肌肉，一般需要考虑受力最大、受力最频繁、对某项运动影响最大等因素。
2. 测量肌肉步态、力量和肌肉活力在生理测量实验装置中，运用支持肌肉的传感器、电极、加速度计等技术手段，实现膝关节、颈部、腰部和手等关节及肌群的运动和功能测量。
3. 采集数据并进行分析采集测量到的数据，包括质量、力矩、速度、角位移等，进行数据处理和分析。
统计学方法和动力学方法是应用广泛的数据分析方法。
4. 建立数学模型根据统计学数据和动力学方程式对肌肉进行建模，将肌肉的生理特性（力-长度、力-速度、力-时间关系等）描述成数学形式。
目前，刚性体分析、柔性/多体动力学分析、有限元分析等方法都被应用于人体肌肉生物力学模型的建立。
5. 评估模型准确性将建立的模型与实际测量数据进行对比，评估模型的准确性，包括判断肌肉属性、肌肉合作、肌骨协同运动以及肌肉疲劳等方面。
二、人体肌肉生物力学模型的应用研究人体肌肉生物力学模型应用于医学、运动科学和工业设计等领域，被广泛应用于研究运动和劳动的创伤机制，分析姿势、平衡和动作的姿态调节和调整。
以下是人体肌肉生物力学模型的应用研究案例。
1. 运动医学运动过程中的肌肉活动是肌肉消耗的主要源泉，了解肌肉生物力学模型对运动员运动训练和调度等方面有重要的意义。
将人体肌肉生物力学模型应用于运动医学，可以分析肌肉的负荷、疲劳和肌肉损伤机制，为运动医学提供更全面的理论基础。
人工肌肉技术及其未来发展趋势人工肌肉技术是一种模仿人体肌肉结构和功能的新兴技术，具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，人工肌肉技术已经取得了许多突破，并在医疗、机器人、智能材料等领域展示出巨大的潜力。
本文将重点探讨人工肌肉技术的原理、应用以及未来发展趋势。
首先，人工肌肉技术是通过模仿人体肌肉的结构和运动原理来实现的。
人体肌肉由肌纤维束组成，能够通过收缩和舒张产生力量。
而人工肌肉也是由类似结构的纤维束组成，通过施加电流或改变温度等外部刺激来实现收缩和舒张，从而产生力量。
这种技术利用了聚合物、金属合金等材料的特性，在形态和功能上模拟了肌肉组织。
人工肌肉技术的应用前景广阔。
在医疗领域，人工肌肉可以用于辅助肢体康复和替代失去功能的组织，为残疾人提供更多的运动自由度。
此外，人工肌肉还可以用于仿真手术设备的开发，提高手术的准确性和安全性。
在机器人领域，人工肌肉可以赋予机器人更加精细的运动控制能力，使机器人在协作、搬运等任务中更加灵活高效。
智能材料领域，人工肌肉技术也可以用于开发自适应材料，如能够根据环境变化自动调整形态和功能的智能材料。
未来发展趋势来看，人工肌肉技术将朝着更高效、更稳定和更智能的方向发展。
首先，人工肌肉的能量转换效率仍有提升空间。
目前的人工肌肉技术主要依赖于外部能源输入，如电流或温度变化，而能量转换效率相对较低。
未来的研究将致力于提高能量转换的效率，以减少外部能源的依赖。
其次，人工肌肉技术将进一步提高运动控制的精度和灵敏度。
目前的人工肌肉技术虽已能够实现基本的收缩和舒张，但在精细运动控制方面还有一定差距。
未来的研究将集中在改善对人工肌肉的控制，提高其快速、准确和可靠的响应能力，以更好地模拟人体肌肉的运动特性。
此外，人工肌肉技术还有望实现自我修复和自愈合的功能。
目前的人工肌肉在面临损坏或破坏时通常需要进行手动修复或更换。
未来的研究将致力于开发能够自动修复和自愈合的人工肌肉材料，以提高其使用寿命和稳定性。
肌肉生物力学的研究现状与应用前景肌肉是人体最主要的动力产生器，同时也是生物力学研究的一个热门领域。
肌肉生物力学研究是指将运动、力、能量等物理方面的指标应用于人体运动的研究，它为我们提供了一种理解人体运动的有效途径。
在本文中，我们将会介绍肌肉生物力学研究的现状，它的应用范围与前景。
第一部分：生物力学和肌肉力学生物力学是机械学、生理学和解剖学的交叉领域，它研究动物和人体的运动学和动力学的规律，它的目标是通过去量化生物的物理情形，来探索人类力量的产生以及身体的姿态和运动。
肌肉是身体运动的主要来源，也被称为肌肉骨骼系统。
肌肉生物力学主要是研究肌肉在人体运动系统中的作用。
在生物力学的范畴内，肌肉发挥着一个很特别的作用，因为肌肉比起其它的组织来说有一个内在的收缩能力。
这种内在的收缩能力在其它生物的力学系统里是没有的。
因此，肌肉生物力学的研究对于深入理解人类运动运动机理，很重要。
第二部分：肌肉生物力学研究的现状肌肉生物力学是跨学科的领域，它融合了机械学、实验生理学、解剖学等多个学科的知识。
近年来，人们对于肌肉生物力学的研究越来越广泛，研究涵盖了从细胞到整个肌肉群体的方方面面。
目前，肌肉生物力学的研究现状主要集中在以下几个方面：1. 肌肉损伤与修复机制：在肌肉生物力学中，研究团队主要关注需要修士平复损伤的机制。
比如在人体运动过程中，肌肉受到力的作用时，肌肉纤维单元的拉应力增大，超过破坏点时就会发生损伤，之后，就会引起炎性反应和细胞注视与再生机制等多个基础过程了。
这类研究对于肌肉慢性炎症损伤治疗等领域有一定的指导意义。
2. 肌肉生长的机制：肌肉增长也是肌肉生物力学研究的重要领域。
研究的重点在于增长的过程是如何在细胞水平上进行的，肌肉细胞的增生和生长与邻近膜结合中激素的作用；比如，蛋白质合成的过程等等。
这类研究有助于运动表现和肌肉训练的最优解决方案制定，同时，对于有无肌肉力量状况的疾病诊断观察也有一定的指导意义。
3. 肌肉控制问题：另一个研究领域关注的是，如何控制肌肉群以达到更好的表演。
人造肌肉的研究与应用人造肌肉，顾名思义，就是指由人工合成材料或人工合成高分子材料制成的可收缩、伸长、弯曲并承受载荷的材料。
它的实际用途可以涉及到生物医学、控制机器人、柔性电子等领域。
近年来，人造肌肉的研究与应用已经逐渐成为一个热门话题。
一、人造肌肉的种类人造肌肉根据其材料组成可分为形状记忆合金肌肉、电致变形聚合物肌肉、电场响应液晶聚合物肌肉等。
对于不同种类的肌肉，其应用也不尽相同，形状记忆合金肌肉应用普遍于机械上，如扭转、屈曲等动作，而电致变形聚合物肌肉能够对电磁波进行响应，用于天线和控制机器人等。
至于电场响应液晶聚合物肌肉，涉及到其运用于生物医学领域。
二、人造肌肉的研究人造肌肉的研究也涉及到材料科学、物理、生物医学等多个领域，其中，材料科学的进步为人造肌肉的研究提供了基础。
在人造肌肉的制备过程中，其材料的选择相当重要。
比如说，用碳纳米管研制的人造肌肉，比一般缩略性聚合物肌肉在力度、耐久性方面都有一定优势。
同时，在生物医学领域，人工肌肉的研究可以为身体的健康提供帮助。
如：人造肌肉可以作为人工器官，用于替代现有缺陷或割裂的器官；人工肌肉也可以用于治疗脑部疾病和肌肉病等疾病。
三、应用前景人造肌肉的应用前景十分广阔，不仅能够帮助替代现有的人体器官，而且还能够作为高雅的材料在机器人、柔性电子等方面应用，甚至可以实现良好的仿生机器人。
目前，已经有诸多研究表明，在工业、医疗、卫生等领域，人工肌肉都能为我们带来福音。
总的来说，人造肌肉的研究和应用值得期待。
尽管目前还处在研究的初级阶段，这一领域必将激起人们的浓厚兴趣，成为未来新材料和高科技领域里的热点和潮流。
第37卷第4期2015年7月机器人ROBOT V ol.37,No.4Jul.,2015DOI：10.13973/ki.robot.2015.0506机械式仿骨骼肌变刚度机构原理及设计王颜，房立金（东北大学，辽宁沈阳110819）摘要：随着物理性人机交互的增加，人机安全性等问题引起关注．应用于机器人关节中的机械式仿骨骼肌变刚度机构因其能够模仿骨骼肌的变刚度特性，故可以解决人机安全性和未知环境适应性等问题．通过对国外机器人变刚度关节结构设计的研究，总结了机械式仿骨骼肌变刚度机构的非线性变刚度原理，将其结构设计实现方法分为5类，并分析了这5类结构设计实现的优缺点，为设计安全性高、适应性强的机器人提供参考和依据．关键词：仿骨骼肌机构；机器人关节；变刚度特性；非线性中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1002-0446(2015)-04-0506-07Principle and Design of Mechanically Musculoskeletal Variable-Stiffness MechanismWANG Yan，FANG Lijin(Northeastern University,Shenyang110819,China)Abstract:With the growth of physical human-robot interface,the security of human-robot interface has attracted attention recently.Mechanically musculoskeletal variable-stiffness mechanisms applied to robot joints can solve the problems about human-robot security and unknown environmental adaptability by imitating the variable stiffness property of skeletal muscle.Many mechanism designs of variable stiffness joints of overseas robots are studied.The nonlinear variable stiffness principle of mechanically musculoskeletal variable-stiffness mechanisms is summarized.Mechanism design methods are classified intofive categories,and their advantages and disadvantages are analyzed.The analysis results might provide references for designs of highly-safe and well-adapted robots.Keywords:mechanically musculoskeletal mechanism;robotic joint;variable stiffness property;nonlinearity1引言（Introduction）近年来，机器人技术日益成熟，穿戴式机器人、康复机器人、假肢、行走机器人等以人为中心的机器人应用领域越来越多，使用者与机器人本体接触的物理性人机交互也随之增加[1]．传统机器人能够实现精确定位及轨迹跟踪，但也受到固定的工作空间和工作模式的限制，并且其高刚度特性可能会使使用者受到伤害，人机安全性和环境适应性已经受到了广泛关注．从运动生物力学角度看，肌肉是人体运动系统的动力来源，通过肌肉收缩产生的力量来维持或完成动作．骨骼肌有两种收缩形式，收缩过程中肌肉张力不变，长度改变，引起关节活动，即等张收缩；相对的，在收缩过程中肌肉长度不变，不产生关节运动，但肌肉的张力增加，即等长收缩．以人体手臂为例，解剖示意图如图1所示，肱二头肌和肱三头肌是一对既拮抗又协调的屈肌和伸肌[2]，当肘关节作屈肘运动时，肱二头肌收缩，肱三头肌放松；当关节位置不变时，肌肉张力增加，即关节的刚度增加，且刚度具有非线性特性．通过模仿骨骼肌的功能，机器人关节在控制位置的同时，具有良好的柔顺变刚度特性，这样能够满足人机安全性和环境适应性的要求．㛡Ҽ 㚼㛡й 㚼㛡僘 僘ẑ僘图1人体手臂解剖示意图Fig.1Anatomical diagram of a human arm基金项目：辽宁省高等学校创新团队项目（LT2014006）．通信作者：房立金，ljfang@收稿／录用／修回：2014-12-31/2015-04-27/2015-04-28第37卷第4期王颜，等：机械式仿骨骼肌变刚度机构原理及设计507目前，已经有许多仿骨骼肌实现方式．电致聚合物类人工肌肉在仿制生物肌肉时表现出高韧性、高传动应变和内在减震能力，但价格昂贵，输出力较小，无法广泛应用；形状记忆合金与骨骼肌力学行为极为相似，却有形变较小、力／质量比较小、响应速度不够快等缺点；气动人工肌肉结构简单、价格低廉、重量轻，但其行程较小，精确控制困难[3]．除了以上3种人工肌肉，机械式变刚度机构也常被应用在仿生关节中，因其输出力大、结构多样、设计灵活、易于制造等优点而被许多学者关注．应用于机器人关节中的机械式仿骨骼肌变刚度机构通常使用弹性元件来实现刚度变化，这种关节能够实现刚度与平衡位置的独立控制．根据刚度和位置的控制方式，机器人关节可分为串联结构和并联结构[4]．在串联结构中，使用两个电机分别独立地控制关节位置和刚度，该结构的功能明确，设计思维简便，缺点是最大转矩受最小电机限制．并联结构采用类似骨骼肌的拮抗式驱动方式，关节输出是由2个电机共同协作完成，关节转矩是2个电机转矩的代数和，输出转矩大，缺点是控制算法相对复杂[4-5]．本文着重介绍机械式仿骨骼肌变刚度机构，从变刚度原理、实现方式及应用方面回顾这类机器人仿生关节的研究工作及进展．2变刚度机构（Variable stiffness mecha-nisms）2.1变刚度机构原理变刚度机构是仿生关节的关键组成部分，是区别于传统刚性驱动器的重要部件，能够直接影响关节的变刚度性能．变刚度机构与生物系统中骨骼肌的功能相近，对肌肉的功能仿生研究为变刚度机构的设计提供了一定的理论参考依据，变刚度机构应该具有类似肌肉的非线性变刚度特性．根据胡克定律，线性弹簧的刚度是固定的，不随长度变化，其数学定义如下[1]：k=F∆x=常数(1)式中：F表示作用在弹性元件上的外力，∆x表示弹性元件相对于平衡位置的变化量．然而变刚度机构的刚度不是常数，随着位置的变化而变化，力－位移关系为非线性的，数学表达如下：k(x)=d Fd x=常数(2)由式(2)可以推导出变刚度机构受到外力矩τ作用，产生偏角θ的情况下的刚度表达式：k(x)=dτdθ=常数(3)如何产生非线性变刚度特性成为变刚度机构的设计重点．我们知道非线性弹簧自身就具有变刚度特性，例如图2所示的几种变刚度螺旋弹簧，通过变节距、变中径、变簧丝直径中的一个或几个参数来实现变刚度特性[6]，但这种弹簧受到工艺、设计等方面的限制，应用范围并不广泛．图2几种变刚度螺旋弹簧Fig.2Several variable-stiffness coil springs与非线性变刚度弹簧相比，等刚度弹簧的制造更简单，价格低廉，品种多，规格齐全，因此研究人员更多地选用了等刚度弹簧，也有些人选用具有相同优点的板簧．等刚度弹簧与机构配合产生非线性变刚度特性，这就是变刚度机构．变刚度机构产生非线性变刚度特性的基本原理主要就是基于几何学关系，即，变刚度机构使线性弹簧变形方向与所受外力的方向形成一定角度，并且该角度随着力的改变而改变，根据三角函数，可以形成非线性的特性．2.2变刚度机构原理的实现方法2.2.1三角形结构变刚度机构日本东京大学的Osada等人为线驱动肌肉骨骼仿人机器人Kojiro研制了非线性弹性拉力部件NST （nonlinear spring tension unit）[7]，变刚度原理如图3(a)所示，2个定滑轮中间是1个动滑轮，通过绳子连接构成了等腰三角形，绳长的改变使动滑轮移动，此时弹簧的拉伸方向和绳的拉力方向形成了三角形．应用于肘关节时，采用并联结构，相同的2个电机各控制1个变刚度单元，当电机等速同向旋转时，关节转动，刚度不变，当电机等速反向旋转时，关节位置不变，刚度改变．该关节具有以下3个优点：较好地适应目标，吸收外部冲击以及快速释放弹簧能量．为了缩小体积，对NST进行改进，设计出使用压缩弹簧的附加非线性弹性部件（add-on nonlinear spring unit）[7]和使用乳胶弹簧的紧凑式非线性弹性部件（compact nonlinear spring unit using natural rubber latex）[8]．弹性对抗弹簧机构FAS（flexible antagonistic spring）[9]的工508机器人2015年7月作原理图如图3(b)所示，与弹簧相连的弹簧滑轮总是绕着定滑轮转动，并在绳的拉力作用下拉伸弹簧，弹簧力与绳拉力之间不再像图3(a)那样一直保持等腰三角形的几何形状，而是随着拉力变化而改变三角形的形状．(a)(b)(c)图3三角形结构变刚度机构Fig.3Triangular variable stiffness mechanisms除了使用滑轮－绳索机构构建三角形结构外，Ham等人采用杆－绳索机构设计出机械式可调柔顺性及可控平衡位置驱动器MACCEPA（mechanically adjustable compliance and controllable equilibrium po-sition actuator）[10]，工作原理如图3(c)所示，为串联结构，参考体、杠杆臂和旋转体绕轴旋转，参考体可视为固定不动，杠杆臂的另一端和旋转体上的固定点间用绳连接弹簧，绳的另一端连接着用来调节弹簧预紧力的刚度电机，关节电机调整杠杆臂来改变旋转体的位置，也就是控制杠杆臂和参考体之间的夹角α，而杠杆臂和旋转体的夹角θ为0时，关节处于平衡位置，θ不为0时，弹簧拉伸，就会产生使关节恢复平衡的力矩．2.2.2四杆结构变刚度机构Huang等人设计的连续状态耦合弹性驱动器CCEA（continuous-state coupled elastic actuator）[11]的变刚度原理如图4(a)所示，采用四杆结构，外力F挤压滑块，使弹簧拉伸．CCEA使用一对这样的四杆变刚度机构，刚度电机通过双螺纹螺杆同时调整滑块的位置来改变刚度．CCEA应用在肘部康复骨骼服，可以实现近零机械刚度，并且，提出的最短距离控制可以简单控制变刚度机构．Yeo等人设计的绳驱动机械手CDM（cable-driven manipulator）中的变刚度装置VSD（variable stiffness device）[12]使用了扭簧，原理如图4(b)所示，拉伸两端绳子，扭簧绕其轴旋转，刚度改变．(a)(b)图4四杆结构变刚度机构Fig.4Four-bar variable stiffness mechanisms2.2.3杠杆结构变刚度机构杠杆也是一种应用广泛的结构，原理如图5(a)～(c)所示，分别通过移动弹簧位置、外力作用位置、杠杆支点位置来调节刚度．可调刚度驱动器AwAS（actuator with adjustable stiffness）[13]的变刚度原理如图5(a)所示，杠杆支点位置和外力作用点位置不变，两个弹簧对抗地连接在杠杆两侧，并沿着杠杆向着或远离支点位置移动，从而改变杠杆有效力臂长度，弹簧距离支点越远，有效力臂越长，刚度越高，相反，有效力臂越短，刚度越低，根据式(3)，AwAS的刚度表达式如下：k=dτdθ=2k s R2cos(2θ)(4)式中：τ为外力F的等效外力矩，θ为杠杆受外力产生的偏角，R为有效力臂，即弹簧与支点的距离，k s为弹簧的弹性系数．由于改变刚度的位移垂直于弹簧力，所以这种设计减小了调节刚度的能量．(a)(b)(c)(d)图5杠杆结构变刚度机构Fig.5Lever structural variable stiffness mechanisms第37卷第4期王颜，等：机械式仿骨骼肌变刚度机构原理及设计509Kim等人在混合变刚度驱动器HVSA（hybridvariable stiffness actuator）[14]中设计的可调力臂机构，原理如图5(d)所示，是对图5(a)杠杆变刚度方法的变形．HVSA使用了相对旋转中心对称的一对弹簧，2个弹簧滑块分别与齿条相连，而2个齿条又分别与行星齿轮系中的2个行星齿轮构成了2组齿轮齿条机构，行星架连接到关节框架，一个电机控制齿圈，另一个电机控制行星架．当行星架不转动，只齿圈转动时，行星齿轮自转，齿条移动，弹簧滑块移动，只有杠杆力臂改变，从而改变刚度；当行星架和齿圈同方向同角度转动时，滑块位置不变，关节转动，刚度不变．Carloni等人设计的一种节能型变刚度驱动器（energy-efficient variable stiffness actuator）[15]采用了图5(b)的变刚度原理，支点和弹簧固定不动，并且只用一个弹簧，不使用对抗弹簧，通过移动外力作用点位置来改变杠杆有效力臂，外力作用点距离支点越近，刚度越大，相反则刚度越小，刚度表达式如下：k=dτdθ=(LR)2k s(5)式中：R为有效力臂，即外力作用点与支点的距离；L为弹簧与支点的距离．紧凑型变刚度驱动器CompAct-VSA （CompAct-variable stiffness actuator）[16]、UT-Ⅱ型变刚度驱动器vsaUT-Ⅱ（variable stiffness actu-ator UT-Ⅱ）[17]、小型变刚度驱动器mVSA-UT （miniaturized variable stiffness actuator-UT）[18]和AwAS-Ⅱ[19]都是采用图5(c)所示的变刚度原理，2个弹簧对抗固定在杠杆一端，外力作用点在另一端，并且位置不变，通过移动支点位置来改变杠杆力臂的比值，当支点向弹簧一端移动时刚度变小，而向外力方向移动时刚度变大．AwAS-Ⅱ的刚度表达式如下：k=dτdθ=2k sα2(R1+R2)cosθ(6)式中：R1为支点到弹簧的距离，R2为支点到外力作用点的距离，α为杠杆力臂的比值，即α=R1/R2．相比于AwAS，AwAS-Ⅱ的力臂更短，结构更紧凑，调节刚度所需的时间也就更短，刚度范围更大，性能优于AwAS．特殊地，板簧作为常用的弹性元件由于其自身特性，无法像线性螺旋弹簧那样通过几何结构来实现非线性变刚度特性，但是能够通过改变其有效工作长度来实现变刚度的目的，常用的变刚度原理如图6所示，与图5(c)原理相似，通过移动支点位置来改变板簧的有效长度L．根据悬臂梁的挠曲线方程，刚度表达式如下：k=3EIL3(7)由上式可以看出，有效长度L越小，刚度越大．图6(a)为主动变刚度弹性驱动器A VSEA（active vari-able stiffness elastic actuator）[20]的变刚度原理示意图，板簧不受外力的一端固定，仅通过刚度电机移动作为支点的滚子来调节刚度．Choi等人设计的变刚度关节VSJ（variable stiffness joint）[21]的变刚度原理如图6(b)所示，板簧连接到中心轴上，相同的电机1、2通过曲柄滑块机构共同控制力臂长度L，整个关节使用4组图中的机构平均分布在中心轴周围，当电机控制的曲柄以相同速度同向旋转时，刚度不变，关节旋转，当曲柄反向旋转时，移动支点在板簧上移动，刚度改变．(b)图6使用板簧的变刚度机构Fig.6Variable stiffness mechanisms with leaf springs2.2.4具有特殊曲面／斜面零件的变刚度机构利用凸轮等零件的弧形曲面可以产生非线性变刚度特性，Migliore等人设计的非线性弹性驱动器（nonlinear elastic actuator）[22]采用并联结构，其非线性弹簧装置原理如图7(a)所示，两个滚子之间连接着弹簧，施加外力时，绳子向相反方向拉动外框架和滚子导轨，滚子沿着非线性轮廓移动，弹簧被拉伸，拉力F与弹簧力F s的比值为tanϕ．这种对抗二次弹簧设计方法能够模仿动物的关节结构，提高机器人运动性能．在MACCEPA2.0[23]中，使用心形轮廓圆盘的弧形曲面来产生非线性变刚度特性，如图7(b)所示，弹簧置于旋转体上，其工作原理与MACCEPA相似，但是2.0版的转矩和刚度范围更大．510机器人2015年7月同样，利用具有一定斜率的斜面零件也可以获得非线性特性．Song等人提出的并联变刚度驱动器PVSA（parallel-type variable stiffness actuator）[24]中的双凸轮－滚子机构如图7(c)所示，弹簧位于输出杆中间，一端固定，另一端连着滚子，利用两个凸轮的斜面共同挤压滚子来压缩弹簧，产生非线性变刚度特性．当两个凸轮反向旋转相同角度时，滚子移动，只改变刚度，而输出杆不动；当两个凸轮同向旋转相同角度时，滚子不受挤压，刚度不变，输出杆转动．(a)(b)䖞2(c)图7具有特殊曲面／斜面零件的变刚度机构Fig.7Variable stiffness mechanisms with special curved orinclined surfaces2.2.5S型旋转结构变刚度机构日本东京大学的Osada等人又为仿人机器人Kenzoh设计出一种旋转式非线性弹性部件（rotarynonlinear spring unit）[25]，原理如图8所示，部件分为上下两层，绳子缠绕在上层圆筒的轴上，呈S型，拉动绳子使上层圆筒转动，从而压缩下层的弹簧，绳拉直时的刚度为绳自身材料的最大刚度．旋转结构缩小了体积，并能够适应更大的冲击，产生的力大概是NST的7倍，且使用的旋转电位计价格更低．图8S型旋转结构变刚度机构Fig.8S-type rotary variable stiffness mechanism2.3变刚度机构的位置布局基于驱动方式、变刚度机构的结构等因素，变刚度机构一般分布于机器人关节的关节处或关节两侧．变刚度机构位于关节位置，即机构与关节集成在一起的位置布局，优点是机构的结构紧凑，集成性高，安装简便，缺点是关节体积较大，多数的串联结构会选择这种布局，比如AwAS，但是PVSA、VSJ这些采用并联结构的关节也会集成在关节处．变刚度机构位于关节两侧，即机构与关节分离的布局，变刚度机构往往可以独立用作一个变刚度驱动部件，通常采用滑轮－绳驱动方式连接变刚度机构与关节轮，优点是关节的结构简化，体积减小，总体布局的灵活性高，缺点是集成性低，安装时需要考虑变刚度机构的位置安排，并联结构常采用这种布局，比如Kojiro的肘关节．3结论（Conclusion）3.1对比为了能够直观地对比变刚度机构的性能，将前文提到的部分变刚度机构的性能参数分别列于表1、表2中（部分参数未在参考文献中提及）．表1中的变刚度机构集成度高，可直接作为仿生关节使用．表2中的变刚度机构作为人工肌肉部件，通过绳索安装于关节两侧，构成拮抗式驱动系统，应用范围广泛且灵活，可用于旋转关节．在分析研究各种变刚度机构的结构后，对上述5类变刚度机构在设计实现过程中存在的优缺点进行总结：(1)三角形结构和四杆结构的原理相对容易理解，设计实现也较容易，通常采用预紧弹簧的方式调整刚度，位于平衡位置时，也需要能量来调整刚度，而且受到物理结构的限制，刚度范围会受影响；(2)杠杆结构不需要预紧弹簧来改变刚度，即，平衡位置时不需要能量来改变刚度，刚度变化只与力臂长度有关，调整力臂的方法很多，实现形式多样，但是通常采用一对弹簧，且机构设计会略显复杂；(3)具有特殊曲面／斜面的零件需要实现二次弹簧的功能，因此对零件轮廓的设计要求较高，而且刚度也受到轮廓的物理长度的限制；(4)S型的旋转机制能够有效减小摩擦力，缩小体积，但是设计实现复杂．5类变刚度机构的结构实现各有优缺点，设计时应根据实际应用需求，选择合适的结构类型，扬长避短地进行机构设计．第37卷第4期王颜，等：机械式仿骨骼肌变刚度机构原理及设计511表1变刚度关节的性能参数概览Tab.1An overview of some parameters of several variable stiffness joints名称变刚度机构类型示意图序号及文献编号刚度范围/(N·m/rad)运动范围/(◦)最大力矩/(N·m)质量/kg弹簧数量应用MACCEPA三角形结构图3(c)，[10]28.65～42.970～12070 2.41肘、膝关节AwAS杠杆结构图5(a)，[13]30～1500±12080 1.82膝关节HVSA杠杆结构图5(d)，[14] 4.01～126.050～1208.5 1.82肘关节CompAct-VSA杠杆结构图5(c)，[16]0～∞/11722旋转关节vsaUT-Ⅱ杠杆结构图5(c)，[17]0.7～948±28.660 2.52旋转关节AwAS-Ⅱ杠杆结构图5(c)，[19]0～∞±15080 1.12膝关节A VSEA杠杆结构图6(a)，[20] 4.87～∞±15029 2.22肘关节VSJ杠杆结构图6(b)，[21]252～3648/30 4.954旋转关节非线性特性驱动器具有特殊曲面零件图7(a)，[22]630～46237±900.050.112旋转关节MACCEPA2.0具有特殊曲面零件图7(b)，[23]0～114.590～120600.71膝关节PVSA具有斜面零件图7(c)，[24]0～51.57/90.984旋转关节表2变刚度人工肌肉部件的性能参数概览Tab.2An overview of some parameters of several variable-stiffness artificial muscular units名称变刚度机构类型示意图序号及文献编号刚度范围/(N/m)伸长量/m最大拉力/N长度/m弹簧数量应用NST三角形结构图3(a)，[7]0～∞0∼0.025300.061旋转关节紧凑式非线性弹性部件三角形结构图3(a)，[8]1×103～∞0∼0.0251500.032旋转关节VSD四杆结构图4(b)，[12]100～4×1040∼0.02800.032旋转关节旋转式非线性弹性部件S型结构图8，[25]0～∞0∼0.0252000.051旋转关节由于各仿生变刚度机构的体积、材料、弹性元件刚度系数等设计参数选择不一，因此变刚度机构的总体性能参数也存在较大差异．虽然这些不同用途的变刚度机构能够模拟肌肉的非线性变刚度特性，但是与人体关节性能相比，仍存在一定差距．人体关节的部分性能参数范围如表3所示[26-29]，将列举的变刚度机构与人体关节参数对比，可得出以下结论：表3人体关节部分参数Tab.3Some parameters of human joints关节运动范围/(◦)最大力矩范围/(N·m)刚度范围/(N·m/rad)肘关节0～14650.03±8.161～300膝关节0～140180.14±40.2225～300(1)变刚度机构应用于肘关节时，大多数情况下可以满足1项人体肘关节参数，个别可以满足2项，但是尚不能同时满足3项人体肘关节参数；(2)变刚度机构应用于膝关节时，多数能够满足人体膝关节的运动范围和刚度范围，但是所有变刚度关节的最大力矩都远低于人体膝关节；(3)变刚度人工肌肉部件的刚度范围极大，但最大拉力偏小．应用于肘或膝关节时，容易实现人体关节的运动范围．但是，当仿生关节的尺寸与人体关节相当时，仿生关节力矩与人体关节力矩相比则存在明显差距．3.2结论本文对应用于机器人关节中的机械式仿骨骼肌变刚度机构的非线性变刚度原理及其设计实现方法进行总结分类，重点介绍了三角形结构、四杆结构、杠杆结构、具有特殊曲面／斜面零件及S型结构这5类变刚度机构的结构实现方法，总结了几种仿生关节的变刚度机构性能参数，最后，总结出了5类变刚度机构在设计实现过程中存在的优缺点，以及与人体关节性能的对比结果．机械式仿骨骼肌变刚度机构能够满足人机安全性和未知动态环境适应性的要求，并在人机交互中得到越来越多的应用．虽然目前已经有许多驱动器的设计，但为了获得具有较大可调刚度范围、结构紧凑、质量轻、能量效率高和易于控制等优点的变刚度机构还应该继续探索，笔者希望本文的分析整理结果能够为研究者在未来的设计中提供参考．参考文献（References）[1]van Ham R,Sugar T G,Vanderborght B,et pliant actu-ator designs:Review of actuators with passive adjustable com-512机器人2015年7月pliance/controllable stiffness for robotic applications[J].IEEE Robotics and Automation Magazine,2009,16(3):81-94. [2]余慧杰．具有生理学特性的高精度人体肌肉疲劳建模及其在手臂屈伸运动中的应用研究[D]．上海：复旦大学，2008.Yu H J.Development of a high-fidelity human muscle fatigue model with physiological characteristics for use in the model-ing of the elbowflexor-extensor motion[D].Shanghai:Fudan University,2008.[3]臧克江．编织型气动人工肌肉工作机理及设计理论研究[D]．哈尔滨：东北林业大学，2012.Zang K J.Mechanism and design theory research of braided type pneumatic artificial muscle[D].Harbin:Northeast Forestry University,2012.[4]Tagliamonte N L,Sergi F,Accoto D,et al.Double actuationarchitectures for rendering variable impedance in compliant robots:A review[J].Mechatronics,2012,22(8):1187-1203. [5]Vanderborght B,Albu-Schaeffer A,Bicchi A,et al.Variableimpedance actuators:A review[J].Robotics and Autonomous Systems,2013,61(12):1601-1614.[6]祁宏钟，雷雨成，冯晋祥．变刚度螺旋弹簧的设计方法和精确建模初探[J]．中国机械工程，2002，13(13)：1100-1102.Qi H Z,Lei Y C,Feng J X.Preliminary study on design method of nonlinear spring and precise modeling[J].China Mechanical Engineering,2002,13(13):1100-1102.[7]Osada M,Ito N,Nakanishi Y,et al.Realization offlexible mo-tion by musculoskeletal humanoid“Kojiro”with add-on non-linear spring units[C]//IEEE/RAS International Conference on Humanoid Robots.Piscataway,USA:IEEE,2010:174-179. [8]Nakanishi Y,Ito N,Shirai T,et al.Design of powerful andflex-ible musculoskeletal arm by using nonlinear spring unit and electromagnetic clutch opening mechanism[C]//IEEE/RAS In-ternational Conference on Humanoid Robots.Piscataway,USA: IEEE,2011:377-382.[9]Friedl W,Chalon M,Reinecke J,et,al.FAS aflexible antag-onistic spring element for a high performance over actuated hand[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Piscataway,USA:IEEE,2011:1366-1372.[10]van Ham R,Vanderborght B,van Damme M,et al.MACCEPA,the mechanically adjustable compliance and controllable equi-librium position actuator:Design and implementation in a biped robot[J].Robotics and Autonomous Systems,2007,55(10): 761-768.[11]Huang T H,Huang H P,Kuan J Y.Mechanism and control ofcontinuous-state coupled elastic actuation[J].Journal of Intelli-gent and Robotic Systems,2014,74(3/4):571-587.[12]Yeo S H,Yang G,Lim W B.Design and analysis of cable-driven manipulators with variable stiffness[J].Mechanism and Machine Theory,2013,69:230-244.[13]Jafari A,Tsagarakis N G,Caldwell D G.A novel intrinsical-ly energy efficient actuator with adjustable stiffness(AwAS)[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2013,18(1):355-365.[14]Kim B S,Song J B.Design and control of a variable stiffnessactuator based on adjustable moment arm[J].IEEE Transactions on Robotics,2012,28(5):1145-1151.[15]Visser L C,Carloni R,Stramigioli S.Energy-efficient variablestiffness actuators[J].IEEE Transactions on Robotics,2011, 27(5):865-875.[16]Tsagarakis N G,Sardellitti I,Caldwell D G.A new vari-able stiffness actuator(CompAct-VSA):Design and mod-elling[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligen-t Robots and Systems.Piscataway,USA:IEEE,2011:378-383.[17]Groothuis S S,Rusticelli G,Zucchelli A,et al.The variablestiffness actuator vsaUT-II:Mechanical design,modeling,and identification[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2014,19(2):589-597.[18]Fumagalli M,Barrett E,Stramigioli S,et al.The mVSA-UT:Aminiaturized differential mechanism for a continuous rotational variable stiffness actuator[C]//IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics.Pis-cataway,USA:IEEE,2012:1943-1948.[19]Jafari A,Tsagarakis N G,Sardellitti I,et al.A new actuator withadjustable stiffness based on a variable ratio lever mechanism [J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2014,19(1): 55-63.[20]Wang R J,Huang H P.Active variable stiffness elastic actua-tor:Design and application for safe physical human-robot in-teraction[C]//IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.Piscataway,USA:IEEE,2010:1417-1422. [21]Choi J,Hong S,Lee W,et al.A robot joint with variablestiffness using leaf springs[J].IEEE Transactions on Robotics, 2011,27(2):229-238.[22]Migliore S A,Brown E A,DeWeerth S P.Novel nonlinearelastic actuators for passively controlling robotic joint compli-ance[J].Journal of Mechanical Design,2007,129(4):406-412.[23]Vanderborght B,Tsagarakis N G,Ham R V,et al.MACCEPA2.0:Compliant actuator used for energy efficient hopping robotChobino1D[J].Autonomous Robots,2011,31(1):55-65. [24]Nam K H,Kim B S,Song J pliant actuation of parallel-type variable stiffness actuator based on antagonistic actua-tion[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2010, 24(11):2315-2321.[25]Osada M,Ito N,Nakanishi Y,et al.Stiffness readout inmusculo-skeletal humanoid robot by using rotary potentiome-ter[C]//IEEE Sensors Conference.Piscataway,USA:IEEE, 2010:2329-2333.[26]Nordin M,Frankel V H.Basic biomechanics of the muscu-loskeletal system[M].Philadelphia,USA:Lippincott Williams &Wilkins,2011.[27]徐红旗，张欣，冉令华，等．应用等张模式测定人体单关节肌群功率发展与保持能力的方法学研究[J]．人类工效学，2011，17(4)：13-18.Xu H Q,Zhang X,Ran L H,et al.Methodology research on evaluating the developmental and retentive capacity level of hu-man single-joint muscular power in mode of isotonic test[J].Chinese Journal of Ergonomics,2011,17(4):13-18.[28]Abul-Haj C,Hogan N.An emulator system for developingimproved elbow-prosthesis designs[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,1987,34(9):724-737.[29]Zhang L Q,Nuber G,Butler J,et al.In vivo human knee jointdynamic properties as functions of muscle contraction and joint position[J].Journal of Biomechanics,1998,31(1):71-76.作者简介：王颜（1986–），女，博士生．研究领域：仿生结构设计．房立金（1965–），男，博士，教授．研究领域：机器人及自动化控制系统．。
肌肉机械学的基础原理与应用研究肌肉机械学是一门研究肌肉运动的学科，是生物力学的一个分支。
肌肉机械学研究的是人体肌肉的形态结构、肌肉的力学特性以及肌肉在不同运动情况下的运动机理。
该学科对于人类运动学研究和运动生理学的发展极为重要，研究结果不仅对人类运动和体育节目的表现、训练和预防运动损伤都具有重要的临床意义，也对医学领域的很多疾病的防治具有指导价值。
1. 肌肉的形态结构
肌肉是由肌纤维构成的，在肌纤维中又含有丝状蛋白。
丝状蛋白是肌肉收缩的重要组成部分，它由肌肉蛋白和肌球蛋白组成。
在肌纤维中，肌球蛋白与肌蛋白长短不同，通过肌球蛋白的变化来形成肌肉收缩的过程。
肌纤维通过神经末梢的刺激来收缩，产生肌力。
而肌力应该是肌肉机械学中最主要的研究内容之一。
2. 肌肉力学特性
肌肉的力学特性与许多因素有关。
比如，肌肉的长度、速率和力度等会直接影响力学特性。
肌肉的弹性行为也是影响肌肉力学
特性的重要因素之一，可以通过研究肌肉的弹性模型来加深对肌
肉力学特性的认识。
3. 肌肉在不同运动情况下的运动机理
肌肉在不同运动情况下的运动机理是肌肉机械学的重要研究内
容之一。
比如，肌肉在收缩时所产生的力与肌肉长度有关，可以
通过研究肌肉对不同长度的变形如何产生力来探究肌肉在不同运
动状态下的机理。
此外，肌肉的疲劳也是肌肉在不同运动情况下
的一个重要方面，它对于肌肉能力和运动表现都有着重要的影响，也是肌肉研究不可忽视的一个方面。
4. 肌肉机械学的应用研究
在体育科学、医学领域和工程领域等众多领域中，肌肉机械学
得到了广泛的应用，产生了许多重要的研究成果。
例如，在体育
方面，肌肉机械学的研究成果可以促进运动员的训练程序，进一
步提高运动员的表现和成绩；在医学领域中，肌肉机械学的研究
成果可以帮助人们更好地管理运动损伤，从而预防和治疗从事不
同运动的人群的各种肌肉和骨骼损伤疾病；而在工程领域中，肌
肉机械学的研究成果可以应用于设计机器人等各种智能硬件，从而实现更好的人机互动等目标。
总结
肌肉机械学的研究内容较为广泛，上述内容仅涉及其基础原理与应用研究的一部分。
但是，可以肯定的是，肌肉机械学的研究成果对于人类运动学研究和运动生理学的发展极为重要，还对医学领域的很多疾病的防治具有指导价值。
因此我们可以预见，未来肌肉机械学的研究将会取得更加突出的进展和成果。
