McKibben型气动人工肌肉研究进展与趋势

自制气动人工肌肉的基本特性研究
方得涛;郭冰菁;赵喜荣
【期刊名称】《液压气动与密封》
【年(卷),期】2009(029)001
【摘要】气动人工肌肉的基本特性可以用等压特性、等长特性来描述,可通过气动人工肌肉静态特性实验对其特性进行研究.本文设计了气动人工肌肉静态特性实验系统,对自制的气动人工肌肉的特性进行了研究.通过实验表明对气动人工肌肉静态数学模型理论分析的正确性以及自制的气动人工肌肉的实用性,为气动人工肌肉进一步的研究奠定了基础.
【总页数】3页(P22-24)
【作者】方得涛;郭冰菁;赵喜荣
【作者单位】河南科技大学机电工程学院,河南洛阳471003;河南科技大学机电工程学院,河南洛阳471003;河南科技大学机电工程学院,河南洛阳471003
【正文语种】中文
【中图分类】TH137.51
【相关文献】
1.气动人工肌肉驱动灵巧手的设计与研究 [J], 张氢;覃昶;孙远韬
2.一种新型气动执行元件--气动人工肌肉 [J], 杨钢;李宝仁;刘军
3.基于实验模型的气动人工肌肉位置控制研究 [J], 孙丽娜;毕庆
4.McKibben型气动人工肌肉研究进展与趋势 [J], 谢胜龙;梅江平;刘海涛
5.气动人工肌肉静态特性实验及模型仿真研究 [J], 高建文;梁全;刘慧芳
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２０１９年１月第４７卷第１期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＪａｎ ２０１９Ｖｏｌ ４７Ｎｏ １ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１９ ０１ ００３本文引用格式：高建文，梁全，刘慧芳．气动人工肌肉静态特性实验及模型仿真研究［Ｊ］．机床与液压，２０１９，４７（１）：９－１１．ＧＡＯＪｉａｎｗｅｎ，ＬＩＡＮＧＱｕａｎ，ＬＩＵＨｕｉｆａｎｇ．ＳｔａｔｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄＭｏｄｅｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＰｎｅｕｍａｔｉｃＭｕｓ⁃ｃｌｅＡｃｔｕａｔｏｒ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１９，４７（１）：９－１１．收稿日期：２０１７－０８－１７基金项目：沈阳市科技计划项目（Ｆ１５－１９９－１－１４）作者简介：高建文（１９９２ ），男，硕士研究生，研究方向为流体传动与控制㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｊｉａｎｗｅｎ６２＠１６３ ｃｏｍ㊂气动人工肌肉静态特性实验及模型仿真研究高建文，梁全，刘慧芳（沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳１１０８７０）摘要：由于受到材料㊁端部结构㊁内部摩擦力等因素的限制，建立准确的气动人工肌肉数学模型十分困难㊂针对气动人工肌肉的内部摩擦力和橡胶弹性力，建立了比理想模型更加符合实际的改进数学模型㊂根据ＤＭＳＰ型气动人工肌肉的结构与特性，设计并完成了基于ＬａｂＶＩＥＷ的静态特性实验㊂经过对比分析实验数据与应用ＭＡＴＬＡＢ仿真得到的理想模型曲线和改进模型曲线，研究了橡胶弹性力与摩擦力对气动人工肌肉轴向收缩力的影响，为下一步拮抗关节和控制方法的研究打下基础㊂关键词：气动人工肌肉；数学模型；静态特性实验；仿真中图分类号：ＴＨ１３８ ９ＳｔａｔｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄＭｏｄｅｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＰｎｅｕｍａｔｉｃＭｕｓｃｌｅＡｃｔｕａｔｏｒＧＡＯＪｉａｎｗｅｎ，ＬＩＡＮＧＱｕａｎ，ＬＩＵＨｕｉｆａｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｈｅｎｙａｎｇＬｉａｏｎｉｎｇ１１０８７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅｔｏｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌ，ｅｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｔｅｒｎａｌｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｏｔｈｅｒｆａｃｔｏｒｓ，ｉｔｉｓｖｅｒｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈａｎａｃｃｕｒａｔｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｐｎｅｕｍａｔｉｃｍｕｓｃｌｅａｃｔｕａｔｏｒ．Ｆｏｃｕｓｉｎｇｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｆｒｉｃｔｉｏｎｏｆｐｎｅｕｍａｔｉｃｍｕｓｃｌｅａｃｔｕａｔｏｒａｎｄｔｈｅｅｌａｓ⁃ｔｉｃｆｏｒｃｅｏｆｒｕｂｂｅｒ，ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｈｉｃｈｗａｓｍｏｒｅｐｒａｃｔｉｃａｌｔｈａｎｔｈｅｉｄｅａｌｍｏｄｅｌ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＤＭＳＰｐｎｅｕｍａｔｉｃｍｕｓｃｌｅａｃｔｕａｔｏｒ，ｔｈｅｓｔａｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎＬａｂＶＩＥＷｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｄｅａｌｍｏｄｅｌｃｕｒｖｅｓａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｍｏｄｅｌｃｕｒｖｅｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙＭＡＴＬＡＢｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｒｕｂｂｅｒｅｌａｓｔｉｃｆｏｒｃｅａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎｆｏｒｃｅｏｎａｘｉａｌｃｏｎｔｒａｃｔｉｌｅｆｏｒｃｅｏｆｐｎｅｕｍａｔｉｃｍｕｓｃｌｅａｃｔｕａｔｏｒｗａｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｉｔｌａｙｓｆｏｕｎｄａ⁃ｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｎｔａｇｏｎｉｓｔｉｃｊｏｉｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｍｕｓｃｌｅａｃｔｕａｔｏｒ；Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ；Ｓｔａｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ０㊀前言２０世纪五十年代，美国医生ＭＣＫＩＢＢＥＮ为他患有小儿麻痹症的女儿创造了一种新的康复训练装置 气动人工肌肉［１］㊂海内外学者经过多年的研究，已经把气动人工肌肉发展成为一种商品化的气动元件㊂其结构主要为内部橡胶管和包裹在橡胶管上的高强度纤维编织网及两端的密封元件㊂将气动人工肌肉固定安装，向其进气口充入气体，橡胶管在气压的作用下周长方向扩张，轴向缩短，这样就产生了可以驱动外负载做线性运动的轴向收缩力㊂气动人工肌肉直径小，质量非常轻，可以应用在很小的空间中㊂它输出力非常大，在夹具上的初始夹紧力大约是气缸的１０倍，而且它具有柔性，可以模仿生物肌肉的自然运动，在工作过程中噪声和污染特别小［２］㊂这些优点使气动人工肌肉可以应用于工业㊁医疗器械㊁仿生机器人等领域㊂１㊀气动人工肌肉的静态数学模型在２０世纪九十年代中期，ＣＰＣＨＯＵ博士等［３］在华盛顿大学推导出了早期的理想数学模型，国内外研究学者在Ｃｈｏｕ模型的基础上建立了普遍接受的气动人工肌肉理想静态数学模型［４］：Ｆ０＝πＤ２０ｐ４ｓｉｎ２θ０３（１－ε）２ｃｏｓ２θ０－１[]（１）式中：Ｄ０为气动人工肌肉充气前的原始直径；ε为气动人工肌肉的收缩率；ｐ为气动人工肌肉容腔内的气体压力；θ０为气动人工肌肉充气前纤维与水平轴的原始夹角；Ｆ０为气动人工肌肉的理想收缩力㊂在推导理想数学模型的过程中假设不存在橡胶的弹性力和与纤维编织网间的摩擦力，这使得通过理想模型得到的数据与实验数据偏差非常大［５］㊂根据图１考虑橡胶弹性力的气动人工肌肉受力图可得橡胶弹性力Ｆｓ为Ｆｓ＝Ｆｌｌ＋Ｆｌｒｎｔａｎθ＝ＥπＤ０ｔｒｓｉｎθｓｉｎθ０ε＋１－εｔａｎθｔａｎθ０σéëêêùûúú（２）式中：Ｆｌｌ为在气动人工肌肉橡胶管轴向上产生的弹性力；Ｆｌｒ为气动人工肌肉橡胶管周长方向形变引起的弹性力；Ｅ为气动人工肌肉橡胶管的弹性模量；ｔｒ为气动人工肌肉橡胶管的厚度；σ为气动人工肌肉周长方向的膨胀率㊂图１㊀考虑弹性力的气动人工肌肉受力图图２㊀考虑摩擦力的橡胶管受力图摩擦力的方向和运动方向相反㊂在气动人工肌肉拉伸和回缩的循环过程中，摩擦力的方向不一致，会导致两次收缩力的数值不重合㊂根据图２所示的考虑摩擦力的橡胶管受力图，可得摩擦力［６］为Ｆｆ＝μπＬ０（１－ε）（ｐＤ０－２Ｅｔｒ）ｓｉｎθｓｉｎθ０＋２ＥｔｒμπＬ０（１－ε）（３）式中：μ为包裹在橡胶管上的纤维编织网与橡胶管之间摩擦因数㊂联立式（１）（２）（３），得到考虑气动人工肌肉橡胶管与编织网间的摩擦力和橡胶弹性力的改进数学模型为Ｆ＝Ｆ０－ＦｓʃＦｆ（４）２　气动人工肌肉静态特性实验设计通过静态特性实验可以看出气动人工肌肉收缩力㊁收缩率和容腔内充入气体压力之间的变化关系㊂根据ＤＭＳＰ型气动人工肌肉的结构与特性，设计其静态特性实验系统㊂等长实验和等压实验系统原理如图３所示，主要元器件如表１所示㊂静态特性实验分为等长实验和等压实验㊂等长实验为：固定连接气动人工肌肉的两端，使其长度（收缩率）保持不变，逐渐增大充入气体的压力，记录充入气体的压力和对应的收缩力㊂等压实验为：将气动人工肌肉容腔内气体的压力保持在某数值不变，通过改变负载气缸内的压力来间接改变气动人工肌肉的收缩率，记录不同收缩率下的收缩力［７］㊂图３㊀静态特性实验系统原理图表１㊀等长实验和等压实验主要元器件元件名称元件型号主要性能指标气动人工肌肉ＤＭＳＰ⁃２０⁃２００Ｎ⁃ＲＭ⁃ＣＭ初始长度：２００ｍｍ，初始直径：２０ｍｍ高速开关阀ＭＨＥ２⁃ＭＳ１Ｈ⁃３／２Ｇ⁃ＱＳ⁃４工作电压：０ ２４Ｖ，额定流量：１００Ｌ／ｍｉｎ单片机ＡｒｄｕｉｎｏＵＮＯ数字引脚：１２路，ＰＷＭ引脚：６路压力传感器ＡＥＴＧ２ＶＩＮ４⁃Ｔ１量程：０ １ＭＰａ，输出电压：０ ５Ｖ拉力传感器ＨＴ⁃７３１１Ｓ３量程：０ ２０００Ｎ，输出电压：０ ５Ｖ角度编码器ＢＭＱＡＢＺ１０２４工作电压：０ ３ ３Ｖ，信号形式：ＳＳＩ负载气缸ＭＢＬ６３⁃１００ＣＡ工作压力：０ １ＭＰａ，工作行程：１００ｍｍ㊀㊀Ａｒｄｕｉｎｏ单片机通过发出的ＰＷＭ信号能够控制高速开关阀通断的频率，调节气动人工肌肉的进气量和出气量，从而控制容腔内的气体压力［８］㊂气体压力由压力传感器测得，气动人工肌肉的收缩力和收缩率分别由拉力传感器和角度编码器测得㊂传感器与单片机相连，输出的电压信号转换成数字信号后，通过上位机软件ＬａｂＶＩＥＷ读取并保存到计算机中㊂考虑到篇幅，以静态特性实验中的等长实验为例，与仿真实验对比分析㊂通过高速开关阀调节充入气体的压力，使表压力由０增加到０ ５ＭＰａ，再由０ ５ＭＰａ减少到０，完成一次循环㊂调节端部螺杆上的螺母，改变气动人工肌肉的长度后，再次执行上述操作，得到表２所示的部分实验数据㊂等长实验台实物如图４所示㊂㊃０１㊃机床与液压第４７卷表２㊀等长实验数据㊀ε＝０㊀ε＝０．０２５ε＝０．０７５㊀ε＝０．１㊀ｐ／ＭＰａＦ／Ｎｐ／ＭＰａＦ／Ｎｐ／ＭＰａＦ／Ｎｐ／ＭＰａＦ／Ｎ０．９８２４２．０１．０１６８．４１．０００１．０００２．００５０３．９２．００２９７．２２．０１５２３．９２．０９８９．９３．０３７５８．１３．０１５２３．９３．０４３４４．１３．０１２４７．１３．９７９９２．７４．００７６４．４４．０２５２９．８４．０３４２０．４５．００１２７６５．００９９７．１５．００７１３．６５．００６０４．１３．９７１０１４４．０６７８５．９３．９１５２４．０３．９７４３０．１３．０２７８１．６３．０２５３１．８３．０２３４６３．０３２６１．２２．００５１１．８２．０４３１２．８２．００１５６２．０９９２．８１．０３２７３．３１．０２７２．３１．０００１．０００图４㊀等长实验台实物图３㊀仿真研究获得等长实验数据后，可以应用ＭＡＴＬＡＢ对理想数学模型和改进数学模型进行仿真㊂通过等长实验曲线和两个数学模型的仿真曲线对比，可以分析纤维编织网与橡胶管之间的摩擦力和橡胶弹性力对气动人工肌肉收缩力的影响㊂在ＭＡＴＬＡＢ的ｍ文件中进行编程，设置气动人工肌肉当前的收缩率以及摩擦因数㊁橡胶管管壁厚度㊁弹性模量和充气前的原始长度和直径等常量，代入理想数学模型㊁改进数学模型和实验数据㊂设置仿真曲线图的水平轴ｐ和竖直轴Ｆ，输入自变量ｐ的取值范围后，运行程序㊂不断改变收缩率得到如图５所示的仿真实验曲线图㊂通过图５可以看出：当保持收缩率不变时，气动人工肌肉容腔内气体压力增大，收缩力呈比例增大㊂气动人工肌肉在充气和排气过程中的实验数据曲线不重合，造成这种现象的原因是气动人工肌肉橡胶管和编织网之间存在摩擦力㊂在充气过程中，气动人工肌肉收缩力方向与摩擦力相反；在排气过程中，气动人工肌肉收缩力方向与摩擦力相同㊂这使得相同压力下，排气过程中的收缩力大于充气过程中的收缩力，当前时刻橡胶管与编织网之间的摩擦力是两者之间差值的一半，同时也可以看出摩擦力在数值上对收缩力影响较小㊂图５㊀静态等长性实验仿真曲线图（实验曲线１为充气过程中的实验曲线，实验曲线２为排气过程中的实验曲线）由图５（ａ）可以看出：当收缩率ε＝０时，因为气动人工肌肉的长度为原始长度，橡胶管没有发生任何变形，橡胶没有产生弹性力，而且摩擦力的数值很小，所以理想模型曲线㊁改进模型曲线和实验曲线的偏差非常小㊂由图５（ｂ）㊁（ｃ）㊁（ｄ）可以看出：相对于理想模型曲线，改进模型曲线更加贴近实验曲线㊂随着收缩率的逐步增大，实验曲线和改进模型曲线与理想模型曲线偏差越来越大㊂因为收缩率越大，橡胶膨胀变形产生的橡胶弹性力就越大，使得气动人工肌肉容腔内用于抵消弹性力的气压增多，用于转化收缩力的气压减少，最终导致理想模型曲线偏离实验曲线越来越多㊂４㊀结论近些年来，海内外研究人员针对气动人工肌肉的研究主要体现在数学模型㊁控制方法及应用上，数学模型的研究是研究后两者的基础㊂引入影响气动人工肌肉收缩力的两要素，利用数学公式反映出收缩力㊁收缩率和容腔内压力间的关系㊂通过静态特性实验和仿真实验对比分析，研究了理想模型曲线和实验曲线的差异及橡胶弹性力和橡胶管与编织网间的摩擦力对气动人工肌肉收缩力的影响，对下一步拮抗关节和控制方法的研究具有重要意义㊂参考文献：［１］张远深，刘春明，赵娜，等．ＭｃＫｉｂｂｅｎ气动人工肌肉技术的发展历程［Ｊ］．液压与气动，２００８（７）：１３－１５．ＺＨＡＮＧＹＳ，ＬＩＵＣＭ，ＺＨＡＯＮ，ｅｔａｌ．ＴｈｅＣｏｕｒｓｅｏｆｔｈｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭｃＫｉｂｂｅｎＰｎｅｕｍａｔｉｃＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＭｕｓｃｌｅｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＨｙｄｒａｕｌｉｃｓ＆Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ，２００８（７）：１３－１５．（下转第１７页）㊃１１㊃第１期高建文等：气动人工肌肉静态特性实验及模型仿真研究㊀㊀㊀－０ １２５ｋＮ，不同工况下的阻尼力可调节的倍数如表２所示㊂表２㊀不同工况下的阻尼力可调节倍数Ａ工况电流００．５１．０１．５２．０频率１Ｈｚ，振幅２．８ｍｍ１１．２８１．６７１．８８２．１频率１Ｈｚ，振幅５．６ｍｍ１１．１６１．２５１．５８１．６３㊀㊀由图１１㊁图１２和表２可知，在电流改变的情况下，阻尼力与位移曲线所包括的面积随着电流的增大而增大，等效阻尼系数随着面积的增大而增大，阻尼力调节倍数也随着电流的增大而增大，这说明阻尼通道内的磁场强度随着电流的增大而增大，而磁场强度的增大可以使减摆器的库仑阻尼力增大㊂４㊀结论设计了一款新型的线圈外置式磁流变减摆器，较线圈内置式磁流变减摆器有以下优势：可避免线圈内置式磁流变减摆器由于线圈发热和磁芯部分的电磁感应热而降低磁流变液体的黏度；可缩短减摆器的轴向尺寸；可更方便地引出导线，便于检修；有较好的密封性能㊂同时，文中的研究结果为磁流变减摆器的设计提供了新思路㊂另外，通过实验与仿真分析，得出如下几点结论：（１）磁场分布基本符合预期㊂磁通密度从高到低分布在缸筒壁㊁阻尼通道与磁芯中心处㊂磁路的磁势降主要分布在阻尼缝隙处，减摆器的磁场分布与有限元仿真结果基本相符㊂（２）优化方法有效㊂根据磁流变减摆器的设计原则，推导出结构参数之间的约束关系方程组㊂使用ＡＮＳＹＳ建立参数化模型，将参数约束关系方程组导入，对此参数化模型的磁路结构进行了线性插值优化，通过仿真验证了其有效性㊂（３）较好地实现了摆振阻尼调节功能㊂在加载电流的条件下，该外置式磁流变减摆器经实验结果表明，获得了较大的输出阻尼力㊂通过加载不同大小的电流，最大阻尼力调节倍数可达２ １倍㊂参考文献：［１］周福亮．飞机起落架摆振稳定性仿真分析研究［Ｄ］．南京：南京航空航天大学，２００８：５－７．［２］诸德培．摆振理论及防摆措施［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８４：１９－２４．［３］ＣＡＲＬＳＯＮＪＤ，ＳＰＥＮＣＥＲＢＦ．Ｍａｇｎｅｔｏ⁃ｒｈｅｄｏｇｉｃａｌＦｌｕｉｄＤａｍｐｅｒｓｆｏｒＳｅｍｉ⁃ａｃｔｉｖｅＳｅｉｓｍｉｃＣｏｎｔｒｏｌ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ３ｒｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＭｏｔｉｏｎａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ．Ｊａｐａｎ，１９９６：３５－４０．［４］ＢＡＴＴＥＲＢＥＥＤＣ，ＳＩＭＳＮＤ，ＳＴＡＮＷＡＹＲ，ｅｔａｌ．Ｍａｇｎｅ⁃ｔｏ⁃ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＬａｎｄｉｎｇＧｅａｒ：ＡＤｅｓｉｇｎＭｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００７，１６（６）：２４２９－２４４０．［５］李忠献．徐龙河新型磁流变阻尼器及半主动控制设计理论［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１２．［６］王代华．一种磁流变阻尼器的阻尼器控制器的实验测试［Ｊ］．功能材料，２００６，３７（７）：１１５６－１１５９．［７］王巍然．单作动式磁流变减震器设计及性能研究［Ｄ］．天津：中国民航大学航空工程学院，２０１６．［８］陈邦．外置式磁流变减震器磁路设计及性能研究［Ｄ］．天津：中国民航大学航空工程学院，２０１３．［９］徐晓美，富春．线圈外置式磁流变阻尼器及磁场有限元分析［Ｊ］．拖拉机与农用运输车，２００９，３６（５）：５４－５５．［１０］周云，谭平．磁流变液阻尼控制理论与技术［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７．（责任编辑：卢文辉）（上接第１１页）［２］卫玉芬，李小宁．气动人工肌肉的进展和应用［Ｊ］．机床与液压，２００３（１）：３７－３８．［３］ＣＨＯＵＣＰ，ＨＡＮＮＡＦＯＲＤＢ．ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆＭｃＫｉｂｂｅｎＰｎｅｕｍａｔｉｃＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＭｕｓｃｌｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ⁃ａｃｔｉｏｎｓｏｎＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，１９９６（１２）：９０－１０２．［４］刘小华．ＭｃＫｉｂｂｅｎ气动人工肌肉的静态特性及预紧力研究［Ｄ］．兰州：兰州理工大学，２０１０．［５］隋立明，包钢，王祖温．气动人工肌肉改进模型研究［Ｊ］．液压气动与密封，２００２（２）：１－４．［６］姜忠爱，郜颖．气动人工肌肉动静态性能模型分析研究［Ｊ］．佳木斯大学学报，２０１５，３３（６）：８５１－８５４．ＪＩＡＮＧＺＡ，ＧＡＯＹ．ＤｙｎａｍｉｃａｎｄＳｔａｔｉｃＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｎｅｕｍａｔｉｃＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＭｕｓｃｌｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｍｕｓｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１５，３３（６）：８５１－８５４．［７］臧克江，郭艳玲，马岩，等．气动人工肌肉特性实验与数学模型研究［Ｊ］．工程设计学报，２０１０，１７（５）：３５０－３５４．ＺＡＮＧＫＪ，ＧＵＯＹＬ，ＭＡＹ，ｅｔａｌ．ＳｔｕｄｙｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｏｆｔｈｅＰｎｅｕｍａｔｉｃＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＭｕｓｃｌｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ，２０１０，１７（５）：３５０－３５４．［８］郭冰菁，李鹏杰，韩建海，等．基于数据手套的气动灵巧手控制系统设计［Ｊ］．液压与气动，２０１６（１０）：４２－４６．ＧＵＯＢＪ，ＬＩＰＪ，ＨＡＮＪＨ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＰｎｅｕｍａｔｉｃＤｅｘ⁃ｔｅｒｏｕｓＨａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＤａｔａＧｌｏｖｅ［Ｊ］．Ｃｈｉ⁃ｎｅｓｅＨｙｄｒａｕｌｉｃ＆Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ，２０１６（１０）：４２－４６．（责任编辑：张艳君）㊃７１㊃第１期祝世兴等：线圈外置式磁流变减摆器设计与实验研究㊀㊀㊀。

人工肌肉的制作和应用近年来，人工肌肉的研究和应用引起了广泛的关注。

人工肌肉是一种模拟生物肌肉运动的机械器件，可以通过电刺激等方式实现自主收缩和膨胀，具有很高的可塑性和适应性。

本文旨在介绍人工肌肉的制作原理、应用领域和展望。

一、人工肌肉的制作原理人工肌肉的制作原理主要基于两种技术：微型电子和聚合物化学。

其中，微型电子技术主要是利用微电子器件实现人工肌肉的驱动和控制；而聚合物化学技术则是基于聚合物材料的力学和化学特性，来制造人工肌肉的材料。

微型电子技术包括传感器、电路和传动机构等几个部分。

传感器负责检测外部环境，如光、声、温度、湿度等信号；电路则将传感器采集的信号转化为电信号，送入传动机构控制人工肌肉的收缩和膨胀。

传动机构包括电动机、电磁铁、形状记忆合金等组件，它们可将电信号转化为机械能，进而控制人工肌肉的收缩和膨胀。

聚合物化学技术目前主要发展了两种人工肌肉制作方法：电致变形和机械致变形。

电致变形是利用聚合物材料在电场作用下发生形变的特性，通过改变电场的大小和方向来控制人工肌肉的膨胀和收缩。

机械致变形是通过控制聚合物材料的变形温度和压力，来触发人工肌肉的收缩和膨胀。

这两种方法均需要高灵敏度和高稳定性的电控技术和机械设计技术的配合，以实现人工肌肉的精确控制。

二、人工肌肉的应用领域人工肌肉作为一种新型机械器件，具有广泛的应用前景。

目前，人工肌肉已被应用于多种领域，包括医疗、仿生机器人和智能服装等。

在医疗领域，人工肌肉被广泛应用于康复治疗和假肢制造。

通过控制人工肌肉的收缩和膨胀，可以实现一定程度的肌肉运动和力量增强，可用于康复治疗中恢复肌肉功能和肌力。

同时，人工肌肉还可以被应用于假肢制造，配合神经控制系统实现更自然的肢体运动和力量输出。

在仿生机器人领域，人工肌肉的应用非常广泛。

由于人工肌肉具有生物肌肉类似的适应性和可塑性，能够实现更自然、更高效的运动方式，因此被广泛应用于仿生机器人的设计中。

特别是在灵巧机械手臂、智能双足机器人和可穿戴机器人等领域，人工肌肉的应用已经取得了一定的进展。

science子刊发布，利用“电磁炉原理”制造新型气动人工肌肉！电磁炉大家都很熟悉，它利用电磁感应来加热可被磁化的锅具，是居家“吃火锅”必备小家电。

近期小编发现来自麻省理工大学（MIT）和英属哥伦比亚大学(University of British Columbia)的研究者们利用“电磁炉的加热原理”研发了一款不需要气泵和气阀的气动人工肌肉，并将研究成果发表到了《科学-机器人学》（science robotics）杂志上。

研究者利用通电线圈迅速加热混有永磁体颗粒的液体，让其在短时间内相变（汽化），从而产生能够驱动人工肌肉的气压。

图1 电磁感应加热原理能驱动气动肌肉？利用电磁感应加热原理驱动的气动人工肌肉新型的仿生肌肉设计是当下机器人研究的热点，其中，非常典型的气动人工肌肉有很多优点，例如安全，抗冲击，柔顺，高能量密度等，但它有一个“硬伤”就是需要一个稳定的高压气源来驱动。

科学家们尝试用各式各样的方式来“摆脱”泵的束缚，包括用预充高压气体，用小型的气泵，或者用催化分解反应以及燃烧爆炸产生气体等方式来设计气动软体机器人（相关论文标题在文末给出）。

图2 几种摆脱气泵的气动软体机器人小编觉得气动肌肉似乎已经走到了尽头（可以由学术界进发工业界了），没有什么其他新的方式可以有效产生气体，而且现如今大多数研究者都着眼于新材料的研发。

但是近期的一个研究让人眼前一亮：电磁炉原理竟然可以用来驱动人工肌肉？！图3 利用电磁感应加热原理驱动的“肱二头肌”来自麻省理工（MIT）和英属哥伦比亚大学（UBC）的研究者们基于传统的气动肌肉（Pneumatic Artificial Muscle，PAM），设计了一种能够摆脱气泵，用电磁感应加热原理来制造气压变化的新型人工肌肉，命名为MITPAM（磁诱导热的气动人工肌肉magnetically inducedthermal PAM），于4月15号发表在了顶级期刊《科学-机器人学》(science robotics)上，今天就由小编来为大家解读一下。

2010年1月第38卷第1期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSJan12010Vol138No11DOI:10.3969/j1issn11001-3881120101011008编织型气动人工肌肉几何特性研究臧克江1,2,郭艳玲,马岩,高明112(11东北林业大学,黑龙江哈尔滨150040;21佳木斯大学,黑龙江佳木斯154007)摘要:以McKibben型气动人工肌肉为研究对象,对编织型气动人工肌肉工作机理进行了研究,建立了考虑端部有径向约束的气动人工肌肉几何模型,并对所建模型进行数值分析。

通过与理想圆柱模型的对比,所建模型从理论上能更精确描述气动人工肌肉的工作特性,这对建立更加精确的气动人工肌肉模型有着重要的意义。

关键词:气动人工肌肉;理论建模;端部径向约束中图分类号:TP211+132文献标识码:A文章编号:1001-3881(2010)1-024-4 StudyofGeometryCharacteristicofBraidedStylePneumaticArtificalMuscle ZANGKejiang,GUOYanling,MAYan,GAOMing(11NortheastForestryUniversity,HerbinHeilongjiang150040,China;21JiamusiUniversity,JiamusiHeil)Abstract:Theworkingmechanismofbraidedstylepneumaticartificalmus2cleactuatorasacas e.Thegeometricalmodelofbraidedbuiltbyconsideringtheendra2dialconstraintandanalyzed bynuresultshowsthatthismodelcanexact2lydescribetheworkorintheory. Theorymodel;Endradialconstraint1,220前言气动人工肌肉作为一种新型气动驱动元件引起了国内外学者的关注,并做了大量的研究工作。

人造肌肉的制备和应用研究人造肌肉是一种模仿生物肌肉的人工材料，具备类似肌肉的收缩和伸展能力。

它在机器人技术、医疗领域、纺织品、运动器材等方面具有广泛的应用前景。

本文将探讨人造肌肉的制备方法和应用研究。

1.人造肌肉的制备方法：1.1化学合成法：通过化学反应合成活性聚合物，如聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸钠（PAA-Na），通过改变聚合物的交联度和溶液中的离子浓度，控制其收缩和伸展能力。

1.2电致变形法：利用电场的作用，使电致活性聚合物收缩或伸展，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚乙烯草酸（PVA-COOH）等。

1.3热致变形法：通过改变材料的温度，使热致材料发生体积变化，实现肌肉的伸展和收缩，如形状记忆合金（SMA）等。

2.人造肌肉的应用研究：2.1机器人技术：人造肌肉可以用于制造具有高灵活性和仿生功能的机器人。

它可以替代传统的电机驱动系统，实现更加精确的运动控制和顺畅的动作。

例如，用人造肌肉制作的机器手臂可以模仿人类手臂的运动，完成更加精细的操作。

2.2医疗领域：人造肌肉可以用于制作智能假肢和外骨骼。

通过植入人造肌肉，可以使假肢和外骨骼具备类似肌肉的运动能力，提高患者的生活质量。

此外，人造肌肉还可以用于心脏辅助装置，模仿心脏的收缩和舒张动作，帮助心脏病患者维持正常的血液循环。

2.3纺织品：人造肌肉可以用于制作智能纺织品，例如智能服装和智能床垫。

通过植入人造肌肉，可以实现服装和床垫的自适应形状调整，提高舒适度和贴合度，适应不同身体形状和姿势。

2.4运动器材：人造肌肉可以用于制作具有变形功能的运动器材，如运动鞋和运动手套。

通过植入人造肌肉，可以根据运动员的动作和姿势，实现运动器材的自适应变形，提高运动的效果和安全性。

总结：人造肌肉的制备和应用研究在各个领域都具有巨大的潜力。

通过探索不同的制备方法和结构设计，可以实现更加高效、精确和可控的人造肌肉。

未来，人造肌肉技术有望在机器人、医疗、纺织品和运动器材等领域发展出更多的应用。

气动人工肌肉建模研究的开题报告题目：气动人工肌肉建模研究一、研究背景及意义随着智能机器人、人机协作技术的不断发展，气动人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscle, PAM）的应用越来越广泛。

PAM具有结构简单、柔性、快速响应等优点，已被广泛应用于机器人、仿生等领域。

然而，当前PAM的建模研究仍存在不足，导致PAM在实际应用中的精度和控制效果受限。

因此，本研究旨在探索PAM建模的关键问题，提高PAM的精度和控制效果，为PAM的应用提供有力支持。

二、研究内容和方法1. PAM的结构及特性分析，包括PAM的材料、组成、结构形式等，以及其物理特性如柔性、质量、形变等。

2. PAM的建模方法研究，探索PAM的数学模型，分析PAM的运动学、动力学以及力学特性，并对PAM的现有建模方法进行评估与优化。

3. PAM的控制策略研究，分析PAM的控制问题，根据PAM的特性和建模结果，提出一种合适的控制策略，并进行实验验证。

4. PAM的应用研究，以机器人为应用场景，利用建立好的PAM模型和控制策略，控制机器人的动作并进行系统评价。

三、研究预期结果1. 建立PAM的数学模型，为PAM的应用提供理论基础。

2. 提出一种有效的PAM控制策略，提高PAM的控制精度和响应速度。

3. 通过机器人应用实验，检验所提出的PAM模型和控制策略的有效性。

四、研究方案及进度1. 第一年：对PAM的结构及特性进行分析研究，建立PAM的数学模型。

2. 第二年：对PAM的建模方法进行研究探索，选择合适的控制策略，并进行初步实验验证。

3. 第三年：对所建立的PAM模型和控制策略进行改进，通过机器人应用实验，验证所提出的模型和控制策略的有效性。

五、研究经费预算本研究预计需要200万元左右的经费，主要用于人员费用、实验设备、材料及成果的转化与应用等。

其中，人员费用占50%以上，实验设备约占20%。