李 靖，秦現(xiàn)生，尤向榮，王占璽，張雪峰

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人關(guān)節(jié)通常采用的傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+傳動機(jī)構(gòu)”方式已不能滿足越來越高的性能要求。仿生肌肉式的直線驅(qū)動器相比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、加速度大、能量密度高等優(yōu)勢，隨著科技的發(fā)展，應(yīng)用于各種研究中［1］，特別是機(jī)器人領(lǐng)域。人工肌肉驅(qū)動和仿生關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)受到了廣泛的重視，基于人工肌肉的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)已成為研究熱點(diǎn)。

常用的仿生肌肉包括電磁激勵、壓電超聲波電動機(jī)、氣動、液動、聚合物、形狀記憶合金、電磁等，如美國波士頓動力公司研發(fā)的BigDog［2］，驅(qū)動采用液動系統(tǒng);韓國的Byungkyu Kim等則將形狀記憶合金用于驅(qū)動仿生蚯蚓機(jī)器人［3］;韓國Hoon C.Park等［4］使用壓電材料作為微型飛行器的驅(qū)動裝置，翼的工作頻率可達(dá)9 Hz;日本的Koh Hosoda等［5］制作的雙足機(jī)器人使用氣動人工肌肉驅(qū)動，可以實(shí)現(xiàn)跑、跳、走三種運(yùn)動;中國徐偉［6］等設(shè)計(jì)并制作了磁性橡膠人工肌肉等。其中，電磁驅(qū)動的仿肌肉驅(qū)動裝置具有優(yōu)秀的驅(qū)動特性和高疲勞壽命，并且還應(yīng)具有疲勞壽命大、強(qiáng)度好、功率密度大和柔順性好等特征，較之其它方式的仿肌肉驅(qū)動裝置在應(yīng)變［1］和執(zhí)行位移都有較大的優(yōu)勢［7］。模仿哺乳動物骨骼肌肌肉結(jié)構(gòu)及運(yùn)動形式設(shè)計(jì)一種直線驅(qū)動裝置，將大大改善現(xiàn)有直線電機(jī)的性能。

本文在分析哺乳動物骨骼肌構(gòu)成和驅(qū)動機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出一種骨骼肌類肌小節(jié)直線電磁驅(qū)動器串并聯(lián)陣列人工肌肉設(shè)計(jì)方案。

圖1 哺乳動物骨骼肌組成結(jié)構(gòu)圖［11］

1 生物骨骼肌的結(jié)構(gòu)及工作原理

哺乳動物的肌肉一般分為三類:骨骼肌、心肌、平滑肌。骨骼肌作為動物運(yùn)動的發(fā)動機(jī)，完成了如跑步、跳躍等運(yùn)動［8-10］。動物骨骼肌結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，作為基本單元的肌小節(jié)通過串聯(lián)的方式組成了肌原纖維，若干肌原纖維通過并聯(lián)的方式組成了肌纖維，若干肌纖維通過并聯(lián)的方式組成了肌束，若干肌束通過并聯(lián)的方式組成了骨骼肌，骨骼肌附著在骨骼上，通過收縮拉伸協(xié)同工作帶動人體產(chǎn)生了運(yùn)動。

Huxley H E和Huxley A F在1954年分別獨(dú)立地提出肌肉收縮的肌絲滑行學(xué)說(sliding-filament theory of muscle contraction)［12］。該學(xué)說認(rèn)為肌肉的收縮(也就是肌肉的縮短)是細(xì)肌絲(肌動蛋白纖維)在粗肌絲(肌球蛋白纖維)之間主動地相對滑行的結(jié)果。骨骼肌的收縮與舒展是由最小單位肌小節(jié)狀態(tài)決定的，肌小節(jié)伸張狀態(tài)，粗肌絲、細(xì)肌絲之間的重疊減少，即為肌肉的伸展;肌小節(jié)收縮狀態(tài)，粗肌絲、細(xì)肌絲之間的重疊增加，即肌肉的縮短。肌纖維中肌小節(jié)的顯微結(jié)構(gòu)如圖2所示，其展現(xiàn)了肌小節(jié)的兩種狀態(tài)，A部分為肌小節(jié)伸張狀態(tài);B部分為肌小節(jié)收縮狀態(tài);C部分為細(xì)肌絲與粗肌絲重合部分的構(gòu)示意圖。

圖2 肌纖維中肌小節(jié)的顯微結(jié)構(gòu)

骨骼肌絕大多數(shù)通過肌腱附著在骨骼上，通過收縮帶動骨骼，在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下協(xié)調(diào)工作完成人體的各種隨意運(yùn)動。以人體下肢為例，圖3a表示右腿骨胳肌與骨骼之間的附著聯(lián)結(jié)關(guān)系，圖3b表示右腿伸展運(yùn)動肌群。

圖3 人體膝關(guān)節(jié)模型

2 人工肌肉實(shí)現(xiàn)模式

人工肌肉仿真骨骼肌的結(jié)構(gòu)，先串聯(lián)類骨骼肌肌小節(jié)構(gòu)成類肌原纖維驅(qū)動器;再通過并聯(lián)類肌原纖維驅(qū)動器來構(gòu)成人工肌肉。通過增加串聯(lián)類肌小節(jié)驅(qū)動器的數(shù)量可以提高瞬時速度和加速度，通過增加并聯(lián)類肌原纖維驅(qū)動器的數(shù)量則可以提高人工肌肉的整體負(fù)載能力。

模擬骨骼肌附著生物體的形式，人工肌肉通過鉸鏈連接附著在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，以人體下肢仿生關(guān)節(jié)為例進(jìn)行分析說明。人體下肢膝關(guān)節(jié)伸展運(yùn)動由股四頭肌驅(qū)動完成。人體膝關(guān)節(jié)有三個自由度，為了簡化設(shè)計(jì)與控制，機(jī)器人關(guān)節(jié)通常只保留一個自由度，保留股四頭肌作用于該自由度的骨骼肌。仿生關(guān)節(jié)模型示意圖如圖4所示。

圖4 仿生關(guān)節(jié)模型示意圖

2.1 類肌原纖維驅(qū)動器

類肌原纖維驅(qū)動器由類肌小節(jié)驅(qū)動器通過串聯(lián)的方式構(gòu)成。以三級類肌小節(jié)驅(qū)動器串聯(lián)組成的一個仿肌肉驅(qū)動器為例，其連接方式如圖5所示:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為三個結(jié)構(gòu)完全相同的類肌小節(jié)驅(qū)動器，Ⅱ級的軸(動子)連在Ⅰ的端蓋(靜子)上，Ⅲ級的軸連在Ⅱ的端蓋上，三個基本單元依次相連，組成了類肌原纖維驅(qū)動器。

圖5 肌小節(jié)串聯(lián)組成的肌原纖維模式

2.2 類肌小節(jié)驅(qū)動器

肌小節(jié)為組成骨骼肌的基本單元，采用仿生骨骼肌肌小節(jié)結(jié)構(gòu)對類肌小節(jié)驅(qū)動器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其三維模型徑向剖視圖如圖6所示。類肌小節(jié)驅(qū)動器主要由三個模塊組成，分別是動子模塊、靜子模塊和抱閘模塊。其中包括動子模塊包含的零件有軸，永磁體;靜子模塊包含的零件有左端蓋、機(jī)殼、A向線圈骨架、A相線圈、B相線圈骨架、B相線圈、右端蓋。抱閘模塊包含的零件有扣件、鎖緊件、彈簧、抱閘線圈骨架、抱閘線圈、固定螺栓、頂桿。

類肌小節(jié)驅(qū)動器設(shè)計(jì)原理是利用線圈繞組產(chǎn)生的磁場和永磁體的磁場相互作用，通過控制左右線圈的通電電流的大小和方向控制永磁體的具體位置和力的大小。另外還對仿生裝置設(shè)計(jì)了抱閘機(jī)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中，單純的靠電磁力來維持仿肌肉驅(qū)動器的運(yùn)行狀態(tài)，需要不斷通入電流，而這樣必然產(chǎn)生很多的熱量，使驅(qū)動器溫度升高，不利于運(yùn)行。根據(jù)肌肉的纖維運(yùn)動結(jié)構(gòu)仿生，設(shè)計(jì)的抱閘系統(tǒng)能最大限度地提高驅(qū)動器的效率，節(jié)省能源。

圖6 類肌小節(jié)驅(qū)動器三維模型徑向剖視圖

3 試驗(yàn)與仿真

3.1 電磁仿真參數(shù)設(shè)置

一般直線電磁驅(qū)動器本身所具有的特點(diǎn)決定了自身存在的缺點(diǎn):磁路開斷所引起的邊端效應(yīng)以及安裝氣隙較大等問題。故仿生肌肉直線驅(qū)動器的性能由電磁場設(shè)計(jì)的合理與否、工作環(huán)境與電磁參數(shù)的選擇等因素有關(guān)。選擇一種精確的仿真算法和仿真軟件，可以大大減少設(shè)計(jì)優(yōu)化過程的反復(fù)工作與實(shí)驗(yàn)成本。本文采用的Maxwell 2D，包括交流/直流磁場、靜電場以及瞬態(tài)電磁場、溫度場分析、參數(shù)化分極以及優(yōu)化功能［13］。

圖7 類肌小節(jié)驅(qū)動器電磁分析曲線

考慮到電機(jī)的結(jié)構(gòu)，故采用軸對稱坐標(biāo)即RZ平面進(jìn)行仿真。為了簡化分析，電機(jī)簡化為軸、永磁體、端蓋、機(jī)殼、線圈骨架、相線圈。其中永磁體選擇NdFeB，軸、端蓋、線圈骨架為鋁，線圈為銅，機(jī)殼為45號鋼。

線圈單根導(dǎo)線通過電流大小為0.5～1 A，線圈匝數(shù)為360匝～380匝，這里按照電流大小為0.5 A、匝數(shù)為360匝為基準(zhǔn)。給線圈施加電流源時，設(shè)置其中一個線圈總體面積通過總電流為180 A，另一個線圈總體面積通過總電流為-180 A。

按照上述條件對類肌小節(jié)驅(qū)動器用Maxwell軟件進(jìn)行仿真求解，其電磁場磁力電磁曲線如圖7所示。計(jì)算結(jié)果顯示，動子和靜子在豎直方向上產(chǎn)生的電磁力為3.1 N。仿肌小節(jié)驅(qū)動器的質(zhì)量經(jīng)測量為22 g，力重比達(dá)到了14.4。

3.2 測試結(jié)果

依照仿真結(jié)果制造類肌小節(jié)驅(qū)動器如圖8所示，圖8a為類肌小節(jié)直線驅(qū)動器樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)，圖8b為類肌小節(jié)直線驅(qū)動器樣機(jī)分解結(jié)構(gòu)。通過測試得到類肌小節(jié)驅(qū)動器響應(yīng)速度可以達(dá)到毫秒級，最大效率可以達(dá)到90%以上，最大應(yīng)變也在40%以上，功率密度達(dá)到200 W/kg。

圖8 肌小節(jié)串聯(lián)組成的肌原纖維模式

3.3 機(jī)械仿真

用Solidworks建立機(jī)器關(guān)節(jié)三維模型為例，用其中的Motion功能對機(jī)器關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行仿真，如圖9所示。在本實(shí)施例中，兩個擺動桿通過鉸鏈聯(lián)接，肌肉仿生驅(qū)動裝置聯(lián)接在兩個固定端子上，固定端子通過鉸鏈聯(lián)接到擺動桿上。肌肉仿生驅(qū)動裝置收縮帶動關(guān)節(jié)運(yùn)動，其中L1=44 mm，L2=36 mm，L3=33 mm，L4=27 mm，關(guān)節(jié)需要的轉(zhuǎn)動角度為70°，且基本單元總長為30 mm，壓縮率為50%，即收縮狀態(tài)與舒張狀態(tài)相差15 mm，由此可以求解出需要串聯(lián)3個基本單元，轉(zhuǎn)動范圍為56.25°～128.04°，轉(zhuǎn)動角度為71.39°。

圖9 機(jī)器關(guān)節(jié)模型示意

4 結(jié) 語

本文在分析動物骨骼肌的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動形式上，設(shè)計(jì)了基于電磁力的肌肉仿生驅(qū)動器，經(jīng)仿真分析及試制樣機(jī)實(shí)測研究，初步發(fā)掘出該仿生驅(qū)動器具有響應(yīng)速度高、加速度高、完全無接觸和機(jī)械磨損、體積小、質(zhì)量輕、功率密度高等良好特性?？梢灶A(yù)見，經(jīng)后續(xù)完善改進(jìn)，該仿生驅(qū)動器應(yīng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

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