气动人工肌肉及其在双足机器人中的应用

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1、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

2、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。1.1常见驱动装置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度；信号便于处理；配线容易；清洁，无噪声，价格较低。力矩/质量比较低，需使用减速器获得低速大力矩，减速器的使用附加控制问题；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，无污染。难于准确控制速度和位置，出力小，有噪声，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，驱动器体积小质量轻可输出较大的驱动力；刚度大。需配备液压动力源设备，内部漏油及

3、油温影响驱动特性；管理、维修技术要求高；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。表：常见驱动方式优缺点比较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；

4、1.2生物肌肉的组成人体全身有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。图生物肌肉的结构图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。生物的驱动装置-骨骼和肌肉，

5、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。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

6、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。仿肌肉驱动器材料类形状记忆合金电致收缩聚合物磁致收缩聚合物压电陶瓷机械类气动人工肌肉电致收缩器磁致收缩器生物类心肌细胞表仿肌肉驱动器的分类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。表：四种仿肌肉

7、驱动器与人类骨骼肌的性能比较类型应变系数/(%)响应速度能量密度/(W#kg-1)效率/(%)执行位移/(%)人类骨骼肌>40Ls~s>10045~50>20SMA>5s>1000>3<8EAP>40Ls~s>5>30>10PZT0.09Ls~s>1000>300.1~0.3PAM>15s>100032~500~30SMA(ShapeMemoryAlloy)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。EAP(Electr

8、oactivePolymer)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(PiezoelectricTra