肖應(yīng)鋒

（宜昌測(cè)試技術(shù)研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

氣動(dòng)人工肌肉是流體驅(qū)動(dòng)人工肌肉的一種，它用限制變形的支撐材料作為骨架，骨架內(nèi)部是可膨脹的氣囊（或類氣囊）結(jié)構(gòu)，通過氣囊的膨脹和收縮來執(zhí)行各種柔順的動(dòng)作，這種結(jié)構(gòu)繼承了氣動(dòng)元件的基本優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高柔性和良好的仿生特征等其他機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)所無法比擬的特點(diǎn)。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，氣動(dòng)人工肌肉在國(guó)內(nèi)外引起廣泛關(guān)注，并已成為氣動(dòng)及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。近年來關(guān)于氣動(dòng)人工肌肉的研究和應(yīng)用又出現(xiàn)了一些新的進(jìn)展，本文主要圍繞近幾年氣動(dòng)人工肌肉的研究應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)和分析。

1 氣動(dòng)人工肌肉的發(fā)展歷程

縱觀氣動(dòng)人工肌肉的發(fā)展，已經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的歷史過程，截止目前，氣動(dòng)人工肌肉的發(fā)展可分為嘗試期、起步期和發(fā)展初期三個(gè)階段。

1.1 嘗試期（20世紀(jì)80年代前）

早在20世紀(jì)30年代俄羅斯科學(xué)家S.Garsiev就已開始了液壓驅(qū)動(dòng)人工肌肉的設(shè)計(jì)研究，但由于液壓驅(qū)動(dòng)的功率/重量比較低，且材料受限，該項(xiàng)技術(shù)當(dāng)時(shí)并未得到發(fā)展［1］。

20世紀(jì)60～70年代，美國(guó)和日本的科學(xué)家也開始對(duì)人工肌肉進(jìn)行過研究，并采用了氣壓驅(qū)動(dòng)，但由于工藝和控制技術(shù)發(fā)展不夠，該項(xiàng)技術(shù)長(zhǎng)期沒有進(jìn)展，直到1980年代，日本才率先真正開始有關(guān)氣動(dòng)肌肉的應(yīng)用研究［2］。

這一時(shí)期比較有代表性的產(chǎn)品主要是McKibben型氣動(dòng)肌肉，該型氣動(dòng)肌肉也在后續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)被作為理論研究的基礎(chǔ)性載體。

1.2 起步期（20世紀(jì)80～90年代）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)的飛速發(fā)展和生產(chǎn)制造工藝水平的提升，這一時(shí)期氣動(dòng)人工肌肉受到極大的重視并開始系統(tǒng)的研究。

這一階段的代表主要是日本Bridgestone公司以McKibben型氣動(dòng)肌肉為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的Rubbertuator驅(qū)動(dòng)器，在機(jī)器人技術(shù)中被廣泛用作驅(qū)動(dòng)元件，這一成果使人工氣動(dòng)肌肉的研究進(jìn)入了應(yīng)用領(lǐng)域［3］。同期，國(guó)內(nèi)也消化吸收已有成果并逐漸進(jìn)入氣動(dòng)人工肌肉研究領(lǐng)域。

1.3 發(fā)展初期（2000年至今）

本階段國(guó)內(nèi)外對(duì)人工氣動(dòng)肌肉的研究更廣泛深入，并從前期以基本特性研究為主的單一模式逐漸發(fā)展到運(yùn)動(dòng)控制等多方面的復(fù)合性研究。2000年FESTO公司推出了仿生氣動(dòng)肌腱系列化產(chǎn)品［4］，并提供了相應(yīng)的應(yīng)用解決方案，標(biāo)志著氣動(dòng)人工肌肉進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，它已正式成為了一種標(biāo)準(zhǔn)的氣動(dòng)執(zhí)行元件。

人工氣動(dòng)肌肉由于其內(nèi)部機(jī)理復(fù)雜，雖經(jīng)歷多年的發(fā)展，但目前的研究和應(yīng)用也只是處于初級(jí)階段，并沒有得到普及應(yīng)用。

2 近年來氣動(dòng)人工肌肉的研究及應(yīng)用

近年來，氣動(dòng)人工肌肉的研究和應(yīng)用主要集中在模型及基本特性研究、控制模式研究、實(shí)際應(yīng)用研究和生產(chǎn)制造技術(shù)研究四個(gè)方面，以下分別介紹其研究和應(yīng)用概況。

2.1 模型及基本特性研究

基本特性的研究作為氣動(dòng)人工肌肉的基礎(chǔ)性研究工作正在進(jìn)一步深入，同時(shí)理論模型和測(cè)試系統(tǒng)也得到了不斷完善，進(jìn)一步提升了基本特性的研究水平。

很多研究者對(duì)氣動(dòng)人工肌肉的研究都是基于Chou［5］給出的數(shù)學(xué)模型,由于該模型忽略了橡膠彈性和內(nèi)部摩擦等重要因素，使其與實(shí)際有較大差距，為此現(xiàn)階段廣大研究者以此模型為基礎(chǔ)，不斷研究完善并提出新的模型。2009年，張遠(yuǎn)深等［6］以FESTO公司生產(chǎn)的MAS氣動(dòng)人工肌肉為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了Chou理論模型的存在的缺陷，通過改進(jìn)建立了與實(shí)際更為接近的模型。張宏立等［7］通過試驗(yàn)分析提出，可采用試驗(yàn)擬合的方法得出簡(jiǎn)單的人工肌肉數(shù)學(xué)模型來取代很復(fù)雜的理論數(shù)學(xué)模型。2010年，劉小華等［8］以McKibben人工肌肉為基礎(chǔ)，對(duì)國(guó)內(nèi)建立的比較好的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)合彈性力學(xué)和摩擦理論建立了現(xiàn)階段相對(duì)完善的氣動(dòng)人工肌肉靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。2011年，西安交通大學(xué)劉吉軒等［12］建立了等效剛度—阻尼模型，更好地描述了它的機(jī)械特性。

為指導(dǎo)完善數(shù)學(xué)模型的建立，關(guān)于氣動(dòng)人工肌肉基本特性的測(cè)試系統(tǒng)的研究也在快速發(fā)展，如劉昱等［9］提出了一種以低摩擦氣缸為加載的新型氣動(dòng)人工肌肉測(cè)試系統(tǒng)，引入了基于微分跟蹤器的前饋PID控制器，克服了傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的缺陷，提高了測(cè)試效率及自動(dòng)化程度。通過利用測(cè)試系統(tǒng)對(duì)氣動(dòng)人工肌肉進(jìn)行特性測(cè)試，可更直接有效的指導(dǎo)分析研究并完善理論模型。

2.2 控制模式研究

由于氣動(dòng)人工肌肉的強(qiáng)非線性和參數(shù)時(shí)變性特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)很難做到精確的位置控制，針對(duì)這些問題，近年來國(guó)內(nèi)外研究者采用多種方式對(duì)氣動(dòng)人工肌肉的位置控制模式進(jìn)行了廣泛的研究。

由于傳統(tǒng)的PID控制精度不高，相關(guān)人員引入不同的算法進(jìn)行氣動(dòng)人工肌肉的PID控制研究。田艷兵等［10］采用粒子群算法對(duì)人工肌肉關(guān)節(jié)角度控制中PID參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，取得了不錯(cuò)的控制效果，并證明了該方法比用Ziegler-Nichols法進(jìn)行PID參數(shù)整定效果顯著。另外，采用模糊PID［11］、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID［12］、基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Smith預(yù)估PID控制［13］等方法，都取得了較傳統(tǒng)經(jīng)典PID更好的效果。

同期，研究人員也采用了變結(jié)構(gòu)控制策略進(jìn)行研究，其中離散滑模控制策略使控制誤差達(dá)到了±1.5 mm，小于同條件下PID控制誤差2 mm［14］；但采用滑?？刂撇呗詴r(shí)，控制系統(tǒng)輸出的高頻抖振可能造成系統(tǒng)設(shè)備的損壞，設(shè)計(jì)時(shí)需盡量減小有害抖振到可行程度［15］。

可以看出，到目前為止還沒有一個(gè)完美控制策略實(shí)現(xiàn)精確地控制，控制模式的研究還是未來一定時(shí)期的研究重點(diǎn)。

2.3 實(shí)際應(yīng)用研究

由于氣動(dòng)人工肌肉的優(yōu)點(diǎn)越來越受到重視，引領(lǐng)其技術(shù)逐漸向?qū)嶋H應(yīng)用方向發(fā)展。

在現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，滕燕等［16］結(jié)合氣動(dòng)人工肌肉進(jìn)行下肢康復(fù)機(jī)器人的研究，對(duì)比總結(jié)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)型、健康下肢驅(qū)動(dòng)性和氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)型下肢康復(fù)訓(xùn)練器（采用氣動(dòng)人工肌肉制作）的特點(diǎn)，認(rèn)為柔順性、安全性和智能化是下肢康復(fù)器未來的發(fā)展方向。

在機(jī)械手應(yīng)用方面，孫中圣等［17］以氣動(dòng)人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)器的外骨架式反饋數(shù)據(jù)手套，研究了虛擬環(huán)境中抓取柔性物體的力覺再現(xiàn)問題，為力反饋數(shù)據(jù)手套在虛擬裝配、遙操作、虛擬手術(shù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。衛(wèi)玉芬等［18］討論了基于生物運(yùn)動(dòng)機(jī)制的仿人兩指手爪的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)手指加持力的理論模型，指出氣動(dòng)肌肉的輸出壓力是決定手指抓取力與手指張角大小的唯一因素，并證實(shí)了該手爪可有效地抓取多種易碎、柔軟的物體。朱紅亮等［19］將遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)作用于氣動(dòng)肌肉機(jī)械手樣機(jī)上，較好地實(shí)現(xiàn)了在室外700 m和室內(nèi)100 m區(qū)域內(nèi)對(duì)氣動(dòng)肌肉機(jī)械手的遠(yuǎn)程無線控制，并運(yùn)行可靠。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也開展了多自由度靈巧手的研究和試驗(yàn)。

近幾年來，國(guó)內(nèi)很多行業(yè)已經(jīng)開始使用人工氣動(dòng)肌肉來解決實(shí)際問題。如在小型舵機(jī)加載系統(tǒng)中，利用氣動(dòng)人工肌肉代替常規(guī)的電動(dòng)缸，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)橫向力的加載，解決小型舵機(jī)電動(dòng)缸安裝空間不夠的問題［20］；在振動(dòng)輸送技術(shù)應(yīng)用中，將氣動(dòng)人工肌肉和機(jī)械料盤集成一體，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)人工肌肉的激振定向送料，組成了一種全新的氣動(dòng)振動(dòng)盤［21］；在汽車行業(yè)，利用人工氣動(dòng)肌肉設(shè)計(jì)主動(dòng)緩沖減振座椅，用于減小路面激勵(lì)對(duì)駕駛員的振動(dòng)沖擊［22］；在空投技術(shù)領(lǐng)域，利用氣動(dòng)人工肌肉實(shí)現(xiàn)空投著陸緩沖，在現(xiàn)有空投系統(tǒng)基礎(chǔ)上提高了空投質(zhì)量，增強(qiáng)了穩(wěn)定性［23］。

2.4 生產(chǎn)制造技術(shù)研究

氣動(dòng)人工肌肉研究起步較晚，目前只有國(guó)外少數(shù)廠家能提供規(guī)格有限的產(chǎn)品，如德國(guó)FESTO、英國(guó)Shadow公司，且目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)研究都是以德國(guó)FESTO公司提供的人工肌肉為對(duì)象開展。近幾年來，相關(guān)資料顯示，國(guó)內(nèi)也在逐漸開展氣動(dòng)人工肌肉的生產(chǎn)制造技術(shù)研究，但都處于試制起步階段。

2007，楊林等［24］詳細(xì)介紹了簡(jiǎn)易氣動(dòng)人工肌肉的制作方法，并經(jīng)過驗(yàn)證取得了成功；2010年，李紅雁［25］對(duì)人工肌肉橡膠筒的制造進(jìn)行了研究，解決了生產(chǎn)工藝問題。這些研究成果都為后續(xù)人工氣動(dòng)肌肉的推廣奠定了基礎(chǔ)。但由于目前國(guó)內(nèi)需求主要是科研，批量商業(yè)化動(dòng)力不足，也導(dǎo)致了氣動(dòng)人工肌肉的生產(chǎn)制造技術(shù)發(fā)展遲緩。

3 氣動(dòng)人工肌肉的發(fā)展前景分析

氣動(dòng)人工肌肉作為一種處于發(fā)展初期的新型氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，它的前期發(fā)展主要受機(jī)器人技術(shù)的牽引和推動(dòng)，由于它優(yōu)點(diǎn)顯著，正在逐漸進(jìn)入到各行各業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展趨勢(shì)。

首先，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過程中，柔性技術(shù)已普遍成為產(chǎn)品自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的瓶頸，如易碎易變形物品的抓取、高精度產(chǎn)品的裝配都具備一定的技術(shù)難度，氣動(dòng)人工肌肉在解決類似柔性問題上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，隨著研究的深入，氣動(dòng)人工肌肉在這一技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用，柔性技術(shù)的廣泛應(yīng)用也會(huì)帶動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化水平的提升。

其次，氣動(dòng)人工肌肉良好的仿生特征決定了其在機(jī)器人領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。氣動(dòng)人工肌肉的發(fā)展與機(jī)器人技術(shù)息息相關(guān)，兩者結(jié)合可使機(jī)器人完成更多的類人操作，更重要的是在某些高危行業(yè)可一定程度代替人的操作，降低風(fēng)險(xiǎn)。如執(zhí)行水下操作、高空作業(yè)，乃至排爆、救援等，這些領(lǐng)域都將大有作為。

另外，由于氣動(dòng)人工肌肉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作為一種普通的驅(qū)動(dòng)器可大大簡(jiǎn)化傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜設(shè)計(jì)，這一特點(diǎn)正越來越受到重視，并將被逐漸應(yīng)用于日常設(shè)計(jì)中，從而實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)人工肌肉技術(shù)應(yīng)用的普及化。

綜上分析，氣動(dòng)人工肌肉應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，更重要的是，它具備了許多傳統(tǒng)機(jī)械不具備的特點(diǎn)，通過深入開發(fā)利用，可以解決目前各行業(yè)長(zhǎng)期面臨的一些實(shí)際問題，促進(jìn)科研及工業(yè)自動(dòng)化水平的發(fā)展，前景可觀。

4 結(jié)論

目前，氣動(dòng)人工肌肉技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，但還沒有實(shí)現(xiàn)普及推廣，它具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景，但需要理論技術(shù)研究的進(jìn)一步深入來支持。綜合分析氣動(dòng)人工肌肉的發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)為在未來一定時(shí)期內(nèi)，重點(diǎn)從以下幾方面開展研究，可較好地加速推動(dòng)該技術(shù)的快速發(fā)展。

1）以高精度控制策略為理論研究重點(diǎn)，尋求合適的模型和控制算法以更好的指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用；

2）結(jié)合各行各業(yè)的實(shí)際需求開展針對(duì)性的應(yīng)用研究，為不同行業(yè)提供具體的系列化解決方案，使該技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域逐漸普及；

3）結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試開展產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化研究。人工氣動(dòng)肌肉作為一種新型柔性驅(qū)動(dòng)器，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品形式單一，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，很有必要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究，建立標(biāo)準(zhǔn)化體系，同時(shí)開發(fā)多規(guī)格多系列的產(chǎn)品，經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試提供對(duì)應(yīng)的特性參數(shù)供各領(lǐng)域選用，通過這種模式促進(jìn)理論研究和生產(chǎn)制造工藝的共同發(fā)展。

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