氣動人工肌肉的研究及應用進展探析

肖應鋒

（宜昌測試技術研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

氣動人工肌肉是流體驅動人工肌肉的一種，它用限制變形的支撐材料作為骨架，骨架內部是可膨脹的氣囊（或類氣囊）結構，通過氣囊的膨脹和收縮來執行各種柔順的動作，這種結構繼承了氣動元件的基本優點，同時還具備了結構簡單、高柔性和良好的仿生特征等其他機械執行機構所無法比擬的特點。隨著機器人技術的快速發展，氣動人工肌肉在國內外引起廣泛關注，并已成為氣動及機器人技術領域的一個研究熱點。近年來關于氣動人工肌肉的研究和應用又出現了一些新的進展，本文主要圍繞近幾年氣動人工肌肉的研究應用情況進行總結和分析。

1 氣動人工肌肉的發展歷程

縱觀氣動人工肌肉的發展，已經歷了一個較長的歷史過程，截止目前，氣動人工肌肉的發展可分為嘗試期、起步期和發展初期三個階段。

1.1 嘗試期（20世紀80年代前）

早在20世紀30年代俄羅斯科學家S.Garsiev就已開始了液壓驅動人工肌肉的設計研究，但由于液壓驅動的功率/重量比較低，且材料受限，該項技術當時并未得到發展［1］。

20世紀60～70年代，美國和日本的科學家也開始對人工肌肉進行過研究，并采用了氣壓驅動，但由于工藝和控制技術發展不夠，該項技術長期沒有進展，直到1980年代，日本才率先真正開始有關氣動肌肉的應用研究［2］。

這一時期比較有代表性的產品主要是McKibben型氣動肌肉，該型氣動肌肉也在后續相當長時期內被作為理論研究的基礎性載體。

1.2 起步期（20世紀80～90年代）

隨著計算機技術、機器人技術、現代控制技術的飛速發展和生產制造工藝水平的提升，這一時期氣動人工肌肉受到極大的重視并開始系統的研究。

這一階段的代表主要是日本Bridgestone公司以McKibben型氣動肌肉為基礎設計的Rubbertuator驅動器，在機器人技術中被廣泛用作驅動元件，這一成果使人工氣動肌肉的研究進入了應用領域［3］。同期，國內也消化吸收已有成果并逐漸進入氣動人工肌肉研究領域。

1.3 發展初期（2000年至今）

本階段國內外對人工氣動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展到運動控制等多方面的復合性研究。2000年FESTO公司推出了仿生氣動肌腱系列化產品［4］，并提供了相應的應用解決方案，標志著氣動人工肌肉進入了一個嶄新的時代，它已正式成為了一種標準的氣動執行元件。

人工氣動肌肉由于其內部機理復雜，雖經歷多年的發展，但目前的研究和應用也只是處于初級階段，并沒有得到普及應用。

2 近年來氣動人工肌肉的研究及應用

近年來，氣動人工肌肉的研究和應用主要集中在模型及基本特性研究、控制模式研究、實際應用研究和生產制造技術研究四個方面，以下分別介紹其研究和應用概況。

2.1 模型及基本特性研究

基本特性的研究作為氣動人工肌肉的基礎性研究工作正在進一步深入，同時理論模型和測試系統也得到了不斷完善，進一步提升了基本特性的研究水平。

很多研究者對氣動人工肌肉的研究都是基于Chou［5］給出的數學模型,由于該模型忽略了橡膠彈性和內部摩擦等重要因素，使其與實際有較大差距，為此現階段廣大研究者以此模型為基礎，不斷研究完善并提出新的模型。2009年，張遠深等［6］以FESTO公司生產的MAS氣動人工肌肉為研究對象，詳細分析了Chou理論模型的存在的缺陷，通過改進建立了與實際更為接近的模型。張宏立等［7］通過試驗分析提出，可采用試驗擬合的方法得出簡單的人工肌肉數學模型來取代很復雜的理論數學模型。2010年，劉小華等［8］以McKibben人工肌肉為基礎，對國內建立的比較好的數學模型進行分析對比，結合彈性力學和摩擦理論建立了現階段相對完善的氣動人工肌肉靜態數學模型。2011年，西安交通大學劉吉軒等［12］建立了等效剛度—阻尼模型，更好地描述了它的機械特性。

為指導完善數學模型的建立，關于氣動人工肌肉基本特性的測試系統的研究也在快速發展，如劉昱等［9］提出了一種以低摩擦氣缸為加載的新型氣動人工肌肉測試系統，引入了基于微分跟蹤器的前饋PID控制器，克服了傳統測試系統的缺陷，提高了測試效率及自動化程度。通過利用測試系統對氣動人工肌肉進行特性測試，可更直接有效的指導分析研究并完善理論模型。

2.2 控制模式研究

由于氣動人工肌肉的強非線性和參數時變性特點，在實際應用時很難做到精確的位置控制，針對這些問題，近年來國內外研究者采用多種方式對氣動人工肌肉的位置控制模式進行了廣泛的研究。

由于傳統的PID控制精度不高，相關人員引入不同的算法進行氣動人工肌肉的PID控制研究。田艷兵等［10］采用粒子群算法對人工肌肉關節角度控制中PID參數進行尋優，取得了不錯的控制效果，并證明了該方法比用Ziegler-Nichols法進行PID參數整定效果顯著。另外，采用模糊PID［11］、BP神經網絡PID［12］、基于遞歸神經網絡的Smith預估PID控制［13］等方法，都取得了較傳統經典PID更好的效果。

同期，研究人員也采用了變結構控制策略進行研究，其中離散滑模控制策略使控制誤差達到了±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，控制系統輸出的高頻抖振可能造成系統設備的損壞，設計時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完美控制策略實現精確地控制，控制模式的研究還是未來一定時期的研究重點。

2.3 實際應用研究

由于氣動人工肌肉的優點越來越受到重視，引領其技術逐漸向實際應用方向發展。

在現代康復醫學領域，滕燕等［16］結合氣動人工肌肉進行下肢康復機器人的研究，對比總結了電機驅動型、健康下肢驅動性和氣動柔性驅動型下肢康復訓練器（采用氣動人工肌肉制作）的特點，認為柔順性、安全性和智能化是下肢康復器未來的發展方向。

在機械手應用方面，孫中圣等［17］以氣動人工肌肉作為驅動器的外骨架式反饋數據手套，研究了虛擬環境中抓取柔性物體的力覺再現問題，為力反饋數據手套在虛擬裝配、遙操作、虛擬手術等領域的廣泛應用打下了基礎。衛玉芬等［18］討論了基于生物運動機制的仿人兩指手爪的結構和工作原理，建立了氣動肌肉驅動手指加持力的理論模型，指出氣動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］將遠程遙控系統作用于氣動肌肉機械手樣機上，較好地實現了在室外700 m和室內100 m區域內對氣動肌肉機械手的遠程無線控制，并運行可靠。同時，國內也開展了多自由度靈巧手的研究和試驗。

近幾年來，國內很多行業已經開始使用人工氣動肌肉來解決實際問題。如在小型舵機加載系統中，利用氣動人工肌肉代替常規的電動缸，實現舵機橫向力的加載，解決小型舵機電動缸安裝空間不夠的問題［20］；在振動輸送技術應用中，將氣動人工肌肉和機械料盤集成一體，實現了氣動人工肌肉的激振定向送料，組成了一種全新的氣動振動盤［21］；在汽車行業，利用人工氣動肌肉設計主動緩沖減振座椅，用于減小路面激勵對駕駛員的振動沖擊［22］；在空投技術領域，利用氣動人工肌肉實現空投著陸緩沖，在現有空投系統基礎上提高了空投質量，增強了穩定性［23］。

2.4 生產制造技術研究

氣動人工肌肉研究起步較晚，目前只有國外少數廠家能提供規格有限的產品，如德國FESTO、英國Shadow公司，且目前國內絕大多數研究都是以德國FESTO公司提供的人工肌肉為對象開展。近幾年來，相關資料顯示，國內也在逐漸開展氣動人工肌肉的生產制造技術研究，但都處于試制起步階段。

2007，楊林等［24］詳細介紹了簡易氣動人工肌肉的制作方法，并經過驗證取得了成功；2010年，李紅雁［25］對人工肌肉橡膠筒的制造進行了研究，解決了生產工藝問題。這些研究成果都為后續人工氣動肌肉的推廣奠定了基礎。但由于目前國內需求主要是科研，批量商業化動力不足，也導致了氣動人工肌肉的生產制造技術發展遲緩。

3 氣動人工肌肉的發展前景分析

氣動人工肌肉作為一種處于發展初期的新型氣動驅動器，它的前期發展主要受機器人技術的牽引和推動，由于它優點顯著，正在逐漸進入到各行各業的應用領域，具有良好的發展趨勢。

首先，現代工業發展過程中，柔性技術已普遍成為產品自動化實現的瓶頸，如易碎易變形物品的抓取、高精度產品的裝配都具備一定的技術難度，氣動人工肌肉在解決類似柔性問題上具有明顯的優勢，隨著研究的深入，氣動人工肌肉在這一技術領域將得到廣泛應用，柔性技術的廣泛應用也會帶動工業自動化水平的提升。

其次，氣動人工肌肉良好的仿生特征決定了其在機器人領域廣闊的應用前景。氣動人工肌肉的發展與機器人技術息息相關，兩者結合可使機器人完成更多的類人操作，更重要的是在某些高危行業可一定程度代替人的操作，降低風險。如執行水下操作、高空作業，乃至排爆、救援等，這些領域都將大有作為。

另外，由于氣動人工肌肉結構簡單，作為一種普通的驅動器可大大簡化傳統機械結構的復雜設計，這一特點正越來越受到重視，并將被逐漸應用于日常設計中，從而實現氣動人工肌肉技術應用的普及化。

綜上分析，氣動人工肌肉應用領域廣泛，更重要的是，它具備了許多傳統機械不具備的特點，通過深入開發利用，可以解決目前各行業長期面臨的一些實際問題，促進科研及工業自動化水平的發展，前景可觀。

4 結論

目前，氣動人工肌肉技術的研究和應用發展迅速，但還沒有實現普及推廣，它具有廣闊的應用發展前景，但需要理論技術研究的進一步深入來支持。綜合分析氣動人工肌肉的發展現狀，認為在未來一定時期內，重點從以下幾方面開展研究，可較好地加速推動該技術的快速發展。

1）以高精度控制策略為理論研究重點，尋求合適的模型和控制算法以更好的指導實際應用；

2）結合各行各業的實際需求開展針對性的應用研究，為不同行業提供具體的系列化解決方案，使該技術在應用領域逐漸普及；

3）結合試驗測試開展產品的標準化、系列化研究。人工氣動肌肉作為一種新型柔性驅動器，國內外產品形式單一，缺乏統一標準。因此，很有必要進行標準化研究，建立標準化體系，同時開發多規格多系列的產品，經過試驗測試提供對應的特性參數供各領域選用，通過這種模式促進理論研究和生產制造工藝的共同發展。

［參考文獻］

［1］臧克江，顧立志，陶國良.氣動人工肌肉研究與展望［J］.機床與液壓，2004（4）：4-7.

［2］陶國良，謝建蔚，周洪.氣動人工肌肉的發展趨勢與研究進展［J］.機械工程學報，2009，45（10）：75-83.

［3］PACK R T.A Rubbertuator-Based Structure-Climbing Inspection Robot［C］//Proceedings of 1997 IEEE International Conference onRoboticsandAutomationAlbuquerque，NewMexico，April1997.

［4］王雄耀.介紹一種氣動新產品——仿生氣動肌肉腱［J］.液壓氣動與密封，2002（1）：31-35.

［5］CHOU C P,HANNAFORD B.Measurement and Modeling of McKibben Pneumatic Artificial Muscles［J］.IEEE Transactions on Robotics and Automation,1996,12(1)∶90-102.

［6］張遠深，劉明春，何再龍，等.氣動人工肌肉的理想建模及仿真［J］.機床與液壓，2009，37（4）：75-76.

［7］張宏立，申珉珉，彭光正.氣動人工肌肉靜態數學模型與實驗研究［J］.液壓與氣動，2009（4）：17-19.

［8］劉小華.McKibben人工肌肉的靜態特性及預緊力研究［D］.蘭州：蘭州理工大學，2010.

［9］劉昱，王濤，范偉，等.新型氣動人工肌肉特性測試系統的研究［J］.液壓與氣動，2011（10）：63-66.

［10］田艷兵，王曉昕.基于PSO算法的氣動人工肌肉關節PID參數自整定［C］//第29屆中國控制會議論文集.北京∶中國自動化學會,2010.

［11］任碧詩，施光林.氣動人工肌肉并聯驅動平臺的模糊PID控制［J］.機床與液壓，2010，38（13）：87-90.

［12］劉吉軒，謝增.氣動人工肌肉驅動器的動態跟隨控制研究［J］.流體傳動與控制，2010，39（2）：34-37.

［13］王冬青，王鈺，佟河亭，等.氣動人工肌肉手臂的神經網絡Smith 預估控制［J］.控制工程，2012，19（2）：254-257.

［14］沈偉，施光林.氣動人工肌肉位置離散滑模控制［J］.液壓與氣動，2010（9）：27-29.

［15］高聰聰.氣動人工肌肉關節的滑模變結構控制［D］.青島：青島大學，2012.

［16］滕燕，楊罡，李小寧，等.下肢康復機器人技術及氣動人工肌肉的應用［J］.機床與液壓，2010，40（15）：137-140.

［17］孫中圣，包鋼，李小寧.基于氣動人工肌肉力反饋數據手套的柔性物體力覺再現［J］.南京理工大學學報：自然科學版，2009，33（6）：713-716.

［18］衛玉芬，楊琪文.氣動肌肉驅動手爪設計與分析［J］.機械設計與研究，2010，26（6）：58-60.

［19］朱紅亮，金英子，張立，等.基于nRF905的氣動肌肉機械手遠程遙控實現［J］.機電工程，2010，27（11）：40-43.

［20］何衛國.氣動肌肉在舵機加載系統的應用［J］.科技創新導報，2009（20）：254.

［21］朱梅，管巧娟.氣動人工肌肉驅動的定向傳送振動盤設計［J］.液壓與氣動，2008（2）：9-10.

［22］馮辰生，孫大剛，盧南炎，等.智能控制氣動人工肌肉座椅減振特性研究［J］.太原科技大學學報，2011，32（3）：207-211.

［23］王宏，趙西友.氣動人工肌肉在空投著陸緩沖中的應用構想［J］.機床與液壓，2012，40（3）：84-86.

［24］楊林，韓建海，趙書尚，等.氣動人工肌肉制作及應用［J］.液壓氣動與密封，2007（3）：6-8.

［25］李紅雁.NR/BR并用膠在氣動人工肌肉可膨脹氣囊上的應用［J］.中小企業管理與科技，2010（18）：243.