青年科學家趣談科學 劉建彬：機器人有肌肉是種什麼樣的體驗？

五四青年節來啦！《知識就是力量》特別策劃「青年科學家趣談科學」系列內容，我們將從航空航天、生命科學、化學、人工智慧、動植物、物理天文等領域挑選青年科學家，一方面帶領大家認識中國優秀的青年科學家群體，另一方面，這些青年科學家將帶領大家讀科學、知科學、愛科學。

提到機器人，

你腦海里是不是這樣的：

金屬塑料，簡單外殼，

看上去「冷冰冰」的。

（圖片來源/百度圖片）

但隨著機器人走出實驗室，

應用範圍不斷擴大，

這類剛性系統在人機交互過程中存在安全隱患。

比如，工業機械臂

撞到工人就很可能導致後者受傷。

如何使堅硬的機器

變得像動物一樣柔軟和服帖

是研究人員越來越關注的課題。

今天，青年科學家劉建彬

將帶我們一起走近

機器人研究的新寵兒——氣動人工肌肉！

劉建彬2012年畢業於浙江大學機械電子工程專業，獲工學學士學位；2017年12月畢業於浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室，獲工學博士學位，師從楊華勇院士。2018年6月至今在天津大學機械工程學院任教。主要從事流體動力與控制、液壓系統優化設計及柔性外骨骼等的科研和教學工作。先後取得了日內瓦國際發明展金獎、上銀優秀機械博士論文銀獎以及入選第四屆中國科協青年人才托舉工程等代表性成果，參與863重點項目2項，作為負責人承擔科研項目兩項，發表和錄用SCI檢索論文7篇，EI檢索論文1篇，授權發明專利9項，在申發明專利5項。

機器人研究的新寵兒——氣動人工肌肉

撰文/劉建彬

近年來，機器人技術在全球範圍內得到了長足的發展，機器人既是先進位造業的關鍵支撐裝備，也是改善人類生活方式的重要切入點。無論是在製造環境下應用的工業機器人，還是在非製造環境下應用的服務機器人，其研發及產業化應用是衡量一個國家科技創新、高端製造發展水平的重要標誌[1]。

人工肌肉是一種將其他形式能量轉化為拉力的機器人執行器，研究和應用中以氣壓驅動最為常見，因其具有類似人類肌肉的輸出特性而得名。氣動人工肌肉因其功率重量比高、具備柔性、無機械摩擦磨損、安裝簡易、驅動介質易獲取且無污染、可靠性好以及製造成本較低等優點而廣泛應用於工業機器人和服務機器人領域。其中，人工肌肉在康復醫療機器人領域已經成為應用最為廣泛的執行器，其性能好壞和可靠性高低直接決定了康復醫療機器人的技術水平和應用前景。人工肌肉自上世紀五十年代被提出後已經吸引了國內外大量的研究者和產業界的目光，成為機器人領域一個研究的熱點問題。

傳統人工肌肉以Mckibben型為代表（圖1），該肌肉由物理學家Joseph L. Mckibben發明並因此得名，由內層的橡膠套筒和外層包裹的纖維編織網組成，肌肉兩端封閉，一端一般作為進出口用於充放氣，另一端連接負載。該肌肉充氣時，整體體積變大，內層橡膠套筒直徑增大，編織網中的纖維與中心軸線角度產生變化，而由於纖維不可伸長，使得肌肉長度縮短，從而使肌肉產生較大的收縮拉力，該肌肉的優點為收縮力大，缺點為受制於整體膨脹體積有限，收縮行程較小，且該肌肉的收縮力必須通過徑向膨脹產生，導致機器人需為其預留膨脹空間，應用受限。

圖1 Mckibben型氣動人工肌肉[2]

哈佛大學Lee Belding等人為改進傳統Mckibben型人工肌肉行程較短的缺陷還提出了一種基於狹縫管的新型氣動肌肉[3]。如圖2所示，該肌肉的主體為一個由難拉伸材料製成的圓管，圓管中部布置有多道軸向狹縫，管內有可膨脹氣囊，當向氣囊內充氣時，氣囊帶動圓管中部膨脹，由於圓管材料不可拉伸，此膨脹將導致圓管整體長度縮短。由於膨脹體積較大，此種類型相比傳統Mckibben型氣動人工肌肉具有更大的收縮行程。

圖2 哈佛大學提出的基於狹縫管的新型氣動人工肌肉[3]

此外，為了克服Mckibben型人工肌肉作動行程較小的問題，香港大學Juan Yi等研究者提出了一種基於折展容腔的新型氣動人工肌肉[4]。如圖3所示，該研究中將原Mckibben型人工肌肉的中空圓柱形橡膠容腔改為基於折展原理的新型折展容腔，該容腔在充氣過程中可產生更大的徑向膨脹，且充氣後其本身即可產生軸向收縮，再配合與傳統Mckibben型人工肌肉相同的外層纖維編織網，其收縮行程更大且收縮所需氣壓更低。

圖3 香港大學研製的摺紙容腔型氣動人工肌肉結構示意[4]

除了對傳統Mckibben型氣動人工肌肉的研究外，基於相似原理而提出的新型氣動人工肌肉研究層出不窮。卡耐基梅隆大學Jackson Wirekoh等人致力於一種基於氣囊膨脹和纖維加強的扁平型氣動人工肌肉[5, 6]，與Mckibben型相比，如圖4所示，該肌肉為扁平形態，其內部被分割成若干氣囊，充氣時氣囊帶動其兩側加強纖維膨脹，纖維不可拉伸，從而產生肌肉收縮。此種氣動人工肌肉由於其扁平形狀而具有更強的可穿戴性，其製造方法為硅膠注模，加工工藝簡單。

圖4 卡耐基梅隆大學研製的扁平型氣動人工肌肉[5]

此外，韓國中央大學Kwanghyun Han等人還提出了一種大行程的新型氣動人工肌肉，該肌肉兼具大行程和強負載力的特點，與傳統Mckibben型氣動人工肌肉相比，該肌肉收縮比增加了183%，負載力增加了37.1%[7]。如圖5所示，該肌肉具有簡潔可靠的結構，主要構件有中部的模塊化氣囊和兩條不可拉伸的帶狀結構，當氣囊充氣時膨脹伸長，自然帶動兩條帶狀結構產生垂直於氣囊方向的縮短。與傳統氣動人工肌肉相比，該結構相對較為扁平。且由於其氣囊腔室結構的設計，其氣囊膨脹產生於摺疊結構的伸展變形而非材料的彈性變形，故充氣式氣囊徑向方向不產生膨脹，肌肉厚度不變，可穿戴性具有明顯提升（圖5a）。

圖5 韓國中央大學研製的新型可穿戴氣動人工肌肉

筆者在深入調研基礎上，提出了一種新型模塊化氣動人工肌肉方案如圖6所示，人工肌肉內部氣路結構截面圖如圖7所示。為圖示簡潔明了起見，圖7中只繪製了四個模塊化的驅動單元（薄膜氣缸）。如圖7所示，新型模塊化氣動人工肌肉主要由模塊化的薄膜氣缸及內有氣路的拉動帶（拉動帶截面為矩形，氣路截面為圓形）組成。薄膜氣缸的三維模型如圖6左下所示。拉動帶內部環形氣路與氣動肌肉的充氣嘴相連，且拉動帶內部氣路與每個薄膜氣缸內部的腔體連通，當通過氣嘴向氣動肌肉充入高壓氣體時，拉動帶內部氣路和每個薄膜氣缸內部的碗形腔體內部氣壓升高，腔體膨脹，薄膜和氣缸桿（如圖7標示）在高壓氣體作用下伸出。由於所用材料不可拉伸，每個薄膜氣缸的伸長量將被轉化為肌肉長度方向的的收縮，如圖7右側所示。

圖6 新型模塊化氣動人工肌肉方案概念圖

圖7 新型模塊化氣動人工肌肉截面示意圖

對於新型氣動人工肌肉驅動形式的探索在未來很長一段時間內仍會吸引無數科學家和工程師的目光，該領域也將持續成為機器人研究領域的前沿之一，希望對此感興趣的青少年讀者朋友能夠學好數學、物理等基礎理論知識，關注相關科技發展動態，將來投身於氣動人工肌肉及相關領域的研究中去，為祖國機器人產業發展添磚加瓦。

參考文獻：

[1] 工業和信息化部, 國家發展改革委員會, 財政部. 機器人產業發展規劃（2016-2020年）[M]. 北京: 2016.

[2] Doumit M, Leclair J. Development and testing of stiffness model for pneumatic artificial muscle[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2017,120:30-41.

[3] Belding L, Baytekin B, Baytekin H T, et al. Slit Tubes for Semisoft Pneumatic Actuators[J]. Advanced Materials, 2018,30(9):1704446.

[4] Yi J, Chen X, Song C, et al. Fiber-Reinforced Origamic Robotic Actuator[J]. Soft Robotics, 2018,5(1):81-92.

[5] Wirekoh J, Park Y. Design of flat pneumatic artificial muscles[J]. Smart Materials and Structures, 2017,26(3):35009.

[6] Park Y, Santos J, Galloway K G, et al. A soft wearable robotic device for active knee motions using flat pneumatic artificial muscles[C]//: 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2014. IEEE.

[7] Han K, Kim N, Shin D. A Novel Soft Pneumatic Artificial Muscle with High-Contraction Ratio[J]. Soft Robotics, 2018,5(5):554-566.

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