仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器設計與應用

王影杰， 金 苗， 劉思佳， 郝 歆， 劉春寶

(1.吉林大學 機械與航空航天工程學院， 吉林 長春 130022；2.吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室， 吉林 長春 130022)

引言

生物骨骼肌具有柔性、高應力應變、高功率密度等特性，且可通過運行不同的固有力學特性模式，使生物實現靈活、適應性強和高效的運動[1]。近年來，隨著軟材料、柔性機器人和仿生學的不斷進展[2-3]，仿生骨骼肌驅動技術呈現出明顯的學科交叉特性，并得到廣泛關注[4-5]。由于流體驅動的人工肌肉(又稱柔性驅動器)，具有高質量密度比，成本低等特點，是學者們的研究熱點[6]。例如，一種聚合物纖維驅動器[7]可以產生線性收縮，舉起自身重量650倍的物體，產生1000%的應變。由一個簡單平面機構組成的Peano肌肉[8-9]，可控線性收縮達10%，能舉起自身體重200倍的重物。VAMPs人工肌肉[10]利用彈性梁的屈曲產生線性運動，最大驅動應力為65 kPa。泡泡人工肌肉[11]重量輕、柔韌、價格昂貴，在低壓下收縮能力強，最大收縮量為43.1%，最大應力為0.894 MPa,可舉起自身重量1000倍的物體。這些驅動器表現出高應變和應力，并產生與真正肌肉相似的線性收縮。但這些驅動器的自身重量輕，舉重質量最高只能達5.39 kg，其絕對輸出力不大。

本研究在高度仿半膜肌柔性驅動器(仿半膜肌HimiSK驅動器)[12]的基礎上，開發一種仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器，通過肌腱進行力的直接傳遞，實現了高功率密度、高應力應變特性，最高提升重量可達到40 kg，并實現了收縮和擺動的應用探索。

1 驅動器設計

仿半膜肌HimiSK柔性驅動器存在應力應變小的問題，導致其應用于關節運動時，驅動關節轉動范圍受限，相比真正的肌肉具有一定的差距。目前這種差距主要在于收縮單元產生的主動收縮力不能直接對外部載荷做功，通過柔性基質傳遞時，在高負載情況下，載荷連接位置或驅動器本身會產生較大的拉伸變形，影響驅動器的應力和應變，最后影響功率密度和機械效率。

在生物骨骼肌中，肌肉-肌腱系統通過吸收高沖擊運動中長度的變化實現儲能。在伸長-縮短周期中，高載荷下肌肉被拉長，通過釋放儲存的肌腱彈性應變能實現肌肉的縮短，提高運動效率[13]。此外，肌肉-肌腱系統可實現輸出力的直接傳遞[14]，提高功率密度。開發具有肌肉-肌腱系統的柔性驅動器是解決應力，應變和功率密度等相關問題的有效方法。

骨骼肌的機械輸出受肌纖維長度變化和縮短速度的影響較大[15]。生物肌肉的大規模并行結構特征允許應力和應變的產生。這是一種通過平行疊加肌纖維，同時增加肌纖維長度，進而增加輸出應力(σmuscle)的有效方法，符合在骨骼肌中PCSA的概念[16]，如式(1)和式(2)所示。

(1)

式中，θ—— 羽狀角， (°)

M—— 肌肉質量，g

L—— 肌纖維長度，mm

ρ—— 肌肉密度，g/mm3

(2)

因此，以骨骼肌肌肉-肌腱結構概念為設計引導，以人體肱二頭肌為仿生原型(圖1，肌肉長度為23.4± 4.2 cm，肌纖維長度為13.6± 3.2 cm)[16]，依據HimiSK柔性驅動器的設計策略和設計準則[12]，開發一種大規模并行結構的仿肌腱驅動器，稱為仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器，如圖2所示。仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器由肌纖維和柔性基質組成，收縮單元中的編織網直接延伸至驅動器兩端形成肌纖維索，使收縮單元直接與外載荷相連，實現與人體骨骼肌肌腱相似的功能。這樣可以避免在施加力時驅動兩端的彈性變形，驅動器長度為1.8 cm，重量為180 g，最大橫截面積約為1250 mm2。以人體肱二頭肌的結構尺寸為參考，設計收縮單元長度為13.0 cm，數量為11根，為了充分利用柔性基質空間，其中在曲面的空間部位布置收縮單元4根，長度為9.0 cm。收縮單元外徑6 mm，內徑4 mm，壁厚1 mm，以保證在較高的氣壓下而不產生破壞。

圖1 人體肱二頭肌示意圖

圖2 仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器示意圖

2 驅動器制造

仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器的制造采用多步

驟的澆注成型方式。收縮單元主要由彈性圓管(內徑4 mm，外徑6 mm，長度90 mm和110 mm)和一個編織網(初始夾角45°)組成， 如圖3a所示。彈性圓管的兩端采用相同材料密封，如圖3b所示。編織網可以用尼龍扎帶封閉以限制彈性圓管的膨脹，允許收縮單元在施加氣體壓力時產生線性收縮 (圖3c)。驅動器共15支收縮單元，為了更好地適應驅動器外部輪廓的曲面形態，收縮單元對稱布置，分別具有15個進氣口。采用3個微型六通硅膠接頭(SL1.6)和一個四通微型硅膠接頭連接15支收縮單元。當驅動壓力通過進氣口施加氣壓時，15支收縮單元同時收縮，實現線性收縮運動。最后，這些15支單元可以通過柔性基質包裹，并連接在一起。

圖3 收縮單元制造方法

柔性驅動器基質制造的模具由三部分組成，包括左、右6層成型模具和5個定位模具(圖4a)。首先，將左右第一層模具固定好，由第一層定位模具固定收縮單元，使用硅膠材料澆注(圖4b)，根據材料所需的固化時間在室溫下固化。在固化成型后將定位模具取下，安裝第二層左右和定位模具，繼續澆注硅膠材料(圖4c)。重復以上步驟，直至完成。成型的仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器如圖4d所示。基質材料為Dragonskin20，收縮單元材料為Smoothsil40，稱為D-S體系材料。

圖4 仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器制造過程

3 實驗測試與力學特性分析

長期以來，力-速度特性不僅在功能上具備快速穩定特性，協調輸出力和速度，同時也是制約肌肉機械性能的重要因素，決定功率和效率的大小。因此，需要進行柔性驅動器等張收縮測試。首先測量驅動器的力和位移，如圖5所示，柔性驅動器通過空氣壓縮機提供氣體壓力，由一個調壓閥和一個調速閥分別控制氣體壓力和流量。采用力傳感器測量驅動器的輸出力；采用激光位移傳感器(HG-C1100，日本松下)記錄驅動器在輸出力方向上的收縮量，即位移。力傳感器首先與DYB-5動態應變測量儀連接(北戴河電子有限公司，中國)，獲得電壓信號。然后通過VIBSYS振動信號采集分析儀(北京波普電子有限公司，中國)進行采集。利用MATLAB軟件對采集的力和位移電壓信號進行處理，進而獲得力、位移和速度。

圖5 驅動器實驗測試

當驅動器受到給定的氣體壓力時，驅動器收縮并提升負載，當收縮達到穩定時，將空氣從所有收縮動單元中釋放出來，完成一次等張收縮運動。驅動器分別在0.16，0.24，0.32，0.40，0.48 MPa五種氣壓下進行測試，確定驅動器在各氣壓下所能提升的最大負載F0。從0～F0之間分為6種不同的載荷，每種載荷下重復測量6次，用于計算平均值和方差。

圖6為不同氣壓下驅動器的力-速度曲線。可以看出，驅動器滿足力-速度特性，驅動器收縮速度對其力量產生有顯著影響，驅動器產生的力隨著收縮速度的增加而減少。并且在所有激活壓力水平上呈現相同的趨勢，與骨骼肌變化特征相似。與Mckibben氣動人工肌肉不同， Mckibben氣動人工肌肉的力幾乎不會隨著速度的增加而下降[17]。證明了柔性基質有效的改善了柔性驅動器的力-速度特性，這種力-速度特性能夠有效增加系統穩定性[18]。

圖6 仿肌腱驅動器的力-速度特性

此外，這種大規模收縮單元結構大大提高了驅動器的應力和應變，驅動器的輸出力和位移得到明顯的改善。如圖7所示，驅動器在0.48 MPa氣壓下，最大位移為21 mm，應變可達11.7%；最大輸出力約為400 N(40 kg)，超過自身重量(180 g)的220倍，應力可達0.32 MPa。為避免采用生物骨骼肌的應力計算公式(式2)擴大驅動器應力。采用式(3)進行柔性驅動器的應力計算。

圖7 輸出力和位移隨載荷變化特性

σ=F/S

(3)

式中，F—— 輸出力

S—— 柔性驅動最大橫截面積

功率是衡量驅動器機械性能的重要指標，決定于力和速度的大小。根據仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器的力和速度數據，獲得柔性驅動器在各個氣壓下的功率，如圖8所示。可以看出，氣壓越高，驅動器的功率越大，氣壓在0.48 MPa時，驅動器的最大功率為3.65 W。最大功率密度為20.27 W/kg，仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器的功率密度計算，如式(4)所示。

圖8 仿肌腱驅動器各氣壓下的功率曲線

P=Fv/m

(4)

式中，F—— 輸出力

v—— 速度

m—— 驅動器的質量

五種仿半膜肌HimiSK柔性驅動器[12]和仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器的應力、應變和功率密度如表1所示，并與骨骼肌的參數進行對比。通過表1的對比分析，仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器不僅具有優異的應力應變特性和較高的功率密度，同時滿足優異的力-速度特性。該驅動器的優異性能主要由于：

表1 不同柔性驅動器的應力、應變、功率密度和工作密度

(1) 依據HimiSK驅動器的設計策略和設計準則進行設計與優化：在柔性基質中大規模布置收縮單元，不僅大大的增加了主動收縮力，同時減少柔性基質的體積占有率，進而減少柔性基質帶來的收縮阻力；

(2) 基于D-S材料體系：增加收縮單元承壓能力(可承受0.5 MPa的驅動壓力)，進而增加收縮力，同時采用較軟的柔性基質，減少收縮單元的收縮阻力；

(3) 模擬骨骼肌肌腱結構：消除施加載荷時柔性基質產生大變形的問題，實現主動收縮力的直接傳遞。

4 驅動器應用

骨骼肌在接受神經系統的輸入后產生主動力量。肌肉一旦受到刺激，就會產生一種收縮或拉力。無論肌肉是縮短、延長還是保持不變的長度，肌肉都是通過拉而不是推來活動的。日常生活中，通過骨骼肌提升重物或載荷是不可或缺的運動。骨骼肌也可以通過牽拉與之連接的骨，使關節產生活動，通過關節的動作來控制和穩定姿勢，使人體做出各種各樣的動作。

仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器具有與骨骼肌相似的高輸出力和應變，可以實現與骨骼肌相同的線性收縮功能，應用柔性驅動器提起不同重量的重物，如圖9所示。提升砝碼(2 kg)，礦泉水(3 L和16 L)和輪胎(10 kg)。同時，柔性驅動器可與不同的機械結構連接，實現不同的運動。如圖10所示，仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器與大臂和小臂連接，通過肌肉收縮實現關節轉動，進行打乒乓球的運動。

圖9 仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器提升重物

圖10 仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器拉伸關節運動

仿肌肉-肌腱系統驅動器不僅具備與骨骼肌相似的高應力應變、高功率密度和力學特性，同時具有可編程特性。由于該驅動器由多根收縮單元組成，每一個收縮單元具有獨立的進氣口。選擇不同的收縮單元進行驅動，可以實現不同的運動形式。利用該特性進行應用探索。如圖11所示，利用電磁換向閥對驅動器前后兩排的收縮單元進行交替充氣，通過柔性驅動器的自身彎曲變形實現往復擺動。該往復擺動運動實現貨物分撥。

圖11 仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器擺動運動

對收縮單元進行統一驅動時，可實現上述骨骼肌相同的線性收縮特性。對非對稱平面的收縮單元進行交替充氣時，可實現往復擺動運動。同時，開發對收縮單元進行時序控制的探索，實現柔順的往復扭動，如仿生魚尾的應用。這些復雜的運動由于仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器可編程性能產生，具有廣泛應用的潛力，包括仿生機器人、主動假肢和外骨骼或康復機器人等。

5 結論

本研究設計了一種仿肌肉-肌腱系統柔性驅動器。獲得最大輸出力達到40 kg，達到自身重量220倍，最大應力為0.32 MPa，應變為11.7%，功率密度為20.27 W/kg，與骨骼肌性能指標相似。同時具備與生物骨骼肌相似的力學特性，實現高應力應變，高功率密度和力學特性的集成。并實現在線性收縮特性的骨骼運動和擺動特性的貨物分類方面應用的初步探索。