尼龍制人工肌肉在機械外骨骼中的應用研究

摘 ?要：機械外骨骼是一種由鋼鐵的框架構成，并且可讓人穿戴的機器裝置，該裝備可以提供額外能量來供四肢運動，可以提高單兵的速度、耐力、力量。然而當前液壓、電氣、電動等助力方式存在著重量大、與人體運動不完全吻合等問題，增加了人體體能消耗。針對這些難點，本文首先對機械外骨骼的執行機構進行了材料上的優化，提出了將尼龍多向人造肌肉這一新型材料代替之前液壓、電氣、電動等助力方式，并進行了可行性分析，在FPGA開發板上對控制過程進行了編程實現。

關鍵詞：尼龍;人工肌肉;機械外骨骼

中圖分類號：TP242;TH138.5 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0168-02

Abstract：Mechanical exoskeleton is a wearable mechanical device consisting of a steel frame，which can be supplied in an amount external energy to provide limb movement can improve the speed，endurance and strength of individual soldiers. However，the current hydraulic pressure，electrical，electric and other power-assisted modes have some problems，such as heavy weight，incomplete coincidence with human motion，and increase the consumption of human physical energy. Aiming at these difficulties，this paper firstly optimizes the material of the mechanical exoskeleton executing mechanism，and puts forward a new material of nylon multi-directional artificial muscle to replace the previous hydraulic pressure，electrical，electric and other power-assisting methods，and carries out feasibility analysis. The control process is programmed on the development board of the FPGA.

Keywords：nylon;artificial muscle;mechanical exoskeleton

0 ?引 ?言

在科技高速發展和新軍事變革持續深入推進的今天，單兵作戰面臨著如下幾點困難：一是單兵作戰能力要求的提高導致單兵負重嚴重增加;二是抗因傷致機動減弱和戰場生存能力要求變高;三是多環境作戰需求對體能與適應能力提出挑戰;四是對搶險救災等非戰爭軍事行動提出考驗。機械外骨骼作為單兵輔助裝置，能傳導、放大單兵的肢體動感，做到既增強單兵負重能力，又保持單兵的行動靈活性，使背負單兵數字化系統、大型機具、超標重武器彈藥的單兵，依然具有與普通單兵相同或更高的徒步機動作戰能力，能夠使得單兵作戰能力有飛躍性的提升。然而當前液壓、氣壓、電動等助力方式存在著重量大、與人體運動不完全吻合等問題，增加了人體體能消耗[1]。因此有必要研究如何在減小人體自身消耗和外部能源消耗的前提下進一步提升外骨骼助力性能的方式方法。

1 ?當前機械外骨骼傳動系統存在的問題

傳統的驅動系統可分為三大類：液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動。但結合機械外骨骼的實際使用要求，它們各自存在相對應的缺陷，以至于它們在機械外骨骼上的應用面臨困境：一是液壓驅動受壓液體容易泄露，工作噪聲較大，能源使用效率低，傳動速度低;二是氣壓驅動中氣動裝置傳動速度的穩定性較差，信號傳遞的速度慢，控制性較差，不適用于大功率系統[2，3];三是電機驅動動態平衡特性差、質量大、慣性大、換向慢。這些驅動系統的缺點制約了機械外骨骼在單兵領域更廣泛的應用。另外，當前的機械外骨骼的控制方式都存在著一個共性的問題，就是存在著滯后性，即控制方式一般都為根據人已做出的動作改變控制條件，最后達到外骨骼執行機構跟隨人體動作這一方式，這就使得機械外骨骼慢于人的動作，從而導致人體“拖著”外骨骼動作，這嚴重增加了人體的消耗。

2 ?人工肌肉在外骨骼領域的應用可行性研究

尼龍制彎曲人工肌肉，對比現有仿生材料擁有更好的性能指標組合，例如在循環壽命、重量/體積能量、功率密度、效率、成本和可控性等方面都有著更加優異的表現。在材料測試實驗中，尼龍制人工肌肉表現出了以下特性：一是穩定可靠的驅動表現。材料的振幅可通過一個溫度函數預測并依靠函數控制振幅，在幾個周期甚至一個周期內達到穩定狀態;二是可靠的“捕捉狀態”。也就是說，在關閉激勵源后，彎曲人工肌肉可以保持在固定位置，肌肉可以鎖定在當前長度而不消耗能量;三是優秀的力量/位移輸出比——較大的線性拉伸致動（最高達49%）和位移/長度比（最高達125%）;四是極長的使用壽命，尼龍制人工肌肉在持續驅動下，100000個周期內振幅降低不到5%。這些優秀的性能表現，使尼龍材料制成的人工肌肉對比現有外骨骼驅動器具有更高的經濟性、安全性、穩定性、可控性。

相比現有的外骨骼驅動器，尼龍材料制成的人工肌肉具有以下優點：一是穩定的驅動表現讓人工肌肉在外骨骼驅動上的應用更容易實現。尼龍厚度一定并且在適宜的環境中時，熱驅動會使其產生穩定的可控的振幅，這使其可控性在外骨骼驅動材料中脫穎而出，而且能夠保證電壓和兩側熱功率輸入恒定的設計理論上可以由PID控制器完成。二是可靠的“捕捉狀態”讓人工肌肉在外骨骼驅動上的應用可靠。類肌肉組織的“捕捉狀態”讓其更貼合人體，從而更好地協同運動，良好的可逆性可以在不使用任何位置傳感器的情況下控制尼龍材料尖端位置;不需要耗費過多設計保證驅動器不會因為本身機械的反應而傷害穿戴者或者阻礙穿戴者行動;比起活性管、碳納米管、壓電雙晶片等材料，尼龍人工肌肉只需極小的成本便能實現這種“捕捉狀態”。三是優秀的力量/位移輸出比在現實應用中的需要非常廣泛。尼龍制人工肌肉通過扭曲纏繞高度取向的尼龍細絲，可以將拉伸應力放大至49%，并且可以實現125%的位移長度比。四是極長的使用壽命讓材料更經濟、更便于商業化生產。彎曲尼龍材料在10萬個周期內振幅降低不到5%，相對于其他仿生材料來說是極長的使用壽命，因此尼龍制人工肌肉能夠反復重復同一動作，適合應用于單兵外骨骼。

3 ?人工肌肉的應用及控制方法研究

3.1 ?整體設計思路

人體關節的轉動是通過不同部分的肌肉收縮程度不同而產生的，因此用人工肌肉模擬關節轉動需要使人工肌肉的不同部位產生不同程度的彎曲。人工肌肉的彎曲程度與加在其兩端的電壓正相關，因此本文通過控制加在人工肌肉束中的每根人工肌肉的電壓來控制每根人工肌肉的收縮程度，每根肌肉產生不同程度的收縮，整體效果相當于一束人工肌肉彎曲某一角度，等效于人體關節轉動了某一角度。控制部分主要分為檢測模塊、數據處理模塊（脈沖生成+串口數據打包）、顯示模塊三部分。其中檢測模塊由旋轉編碼器及外圍電路組成，主要是將人體關節的轉角轉化成脈沖信號，控制板檢測到的脈沖的個數即為關節轉過的角度;數據處理模塊由FPGA主控板、TTL轉串口組成，主要是將編碼器發送來的脈沖數進行計數，并據此數據生成5路控制信號，控制信號為占空比可調的PWM脈沖，并將轉角信號和控制信號的占空比打包為一幀數據包，以發送給上位機顯示。占空比的大小就相當于電壓的大小，占空比越大，電壓越大，占空比越小，電壓越小。由于不同部位的人工肌肉需要不同程度的收縮，因此需要多路電壓輸出，且電壓不一定相同。本文只是以輸出5路為例進行控制方式的說明。顯示模塊由串口轉USB接頭、HMIeditor上位機軟件組成，主要是將主控板打包發送的數據進行顯示。

3.2 ?硬件電路

采用FPGA主控板，主要考慮到其IO接口資源豐富，內部邏輯分析能力強，而人工肌肉束一般由大量的單根尼龍材料組成，每一根材料都需要單獨輸入電壓來控制，因此需要大量的輸出接口。主要包括電源模塊、下載配置電路、時鐘電路，其內部邏輯功能通過VHDL語言編程實現，主要是將速度編碼器采集到的轉角信號進行處理，根據轉角不同，輸出多路電壓信號控制人工肌肉，使不同部位的人工肌肉實現不同程度的彎曲，整體上就相當于人體肌肉的收縮帶動骨骼關節的旋轉這一效果。目前本文只是將控制思路用硬件電路實現，進行一個定性的展示，具體定量的關系需要通過下步購買人工肌肉材料進行實驗驗證，不斷調整參數。

將輸入（旋轉編碼器）、主控板（FPGA控制板）和上位機（組態編程軟件）相連接。其中，FPGA主控板和上位機通過RS232進行通信，由于FPGA主控板采用TTL3.3V電平，因此在實驗中用TTL轉RS232再轉USB接頭。上位機通過組態編程軟件進行界面編程，主要顯示兩部分內容，一是檢測到的轉角信號;二是5路輸出電壓信號的占空比。

3.3 ?調試結果

為了驗證次控制系統能否應用，可用手旋轉編碼器，使其轉過一定角度，通過觀察上位機軟件，可發現占空比相應發生變化，相應地，每個人工肌肉的收縮程度發生變化，整體效果相當于人工肌肉產生了關節轉動的效果。因此，可以通過這種方式，將多根人工肌肉集成一束肌肉纖維，通過此種控制方式，來模擬肌肉收縮，產生關節轉動的效果，從而在原有人力的基礎上，增加關節和肌肉的動力。

4 ?發展與展望

本文提出了采用人工肌肉替代傳統液壓、電氣、電動等方式助力的機械外骨骼方法，減小了設備的重量、提升了系統的可靠性，并研究了人工肌肉應用于外骨骼的可行性，在FPGA主控板上進行了控制方式的編程實現。但是目前存在以下問題，一是人工肌肉材料的性能研究目前只是在實驗室階段，還未走出實驗室，下一步還需要進行實際的性能檢驗;二是該控制方法只是在沒有實際控制部件情況下的方法，具體的控制策略需要具體數據，這些數據需要從實際實驗當中獲得，因此還需要進一步等到人工肌肉材料走出實驗室以后進行實驗測定。

參考文獻：

[1] 明東，蔣晟龍，王忠鵬，等.基于人機信息交互的助行外骨骼機器人技術進展 [J].自動化學報，2017，43（7）：1089-1100.

[2] 陳雷.氣動人工肌肉位置控制的研究 [D].蘭州：蘭州理工大學，2010.

[3] 仲軍.氣動肌肉驅動的仿青蛙跳躍機器人及其關鍵技術的研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.

作者簡介：徐成（1987.12-），男，漢族，甘肅白銀人，碩士研究生，講師，研究方向：機電一體化、通信工程、軍事職業教育等。