仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器设计与应用

王影杰， 金 苗， 刘思佳， 郝 歆， 刘春宝

(1.吉林大学 机械与航空航天工程学院， 吉林 长春 130022；2.吉林大学 工程仿生教育部重点实验室， 吉林 长春 130022)

引言

生物骨骼肌具有柔性、高应力应变、高功率密度等特性，且可通过运行不同的固有力学特性模式，使生物实现灵活、适应性强和高效的运动[1]。近年来，随着软材料、柔性机器人和仿生学的不断进展[2-3]，仿生骨骼肌驱动技术呈现出明显的学科交叉特性，并得到广泛关注[4-5]。由于流体驱动的人工肌肉(又称柔性驱动器)，具有高质量密度比，成本低等特点，是学者们的研究热点[6]。例如，一种聚合物纤维驱动器[7]可以产生线性收缩，举起自身重量650倍的物体，产生1000%的应变。由一个简单平面机构组成的Peano肌肉[8-9]，可控线性收缩达10%，能举起自身体重200倍的重物。VAMPs人工肌肉[10]利用弹性梁的屈曲产生线性运动，最大驱动应力为65 kPa。泡泡人工肌肉[11]重量轻、柔韧、价格昂贵，在低压下收缩能力强，最大收缩量为43.1%，最大应力为0.894 MPa,可举起自身重量1000倍的物体。这些驱动器表现出高应变和应力，并产生与真正肌肉相似的线性收缩。但这些驱动器的自身重量轻，举重质量最高只能达5.39 kg，其绝对输出力不大。

本研究在高度仿半膜肌柔性驱动器(仿半膜肌HimiSK驱动器)[12]的基础上，开发一种仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器，通过肌腱进行力的直接传递，实现了高功率密度、高应力应变特性，最高提升重量可达到40 kg，并实现了收缩和摆动的应用探索。

1 驱动器设计

仿半膜肌HimiSK柔性驱动器存在应力应变小的问题，导致其应用于关节运动时，驱动关节转动范围受限，相比真正的肌肉具有一定的差距。目前这种差距主要在于收缩单元产生的主动收缩力不能直接对外部载荷做功，通过柔性基质传递时，在高负载情况下，载荷连接位置或驱动器本身会产生较大的拉伸变形，影响驱动器的应力和应变，最后影响功率密度和机械效率。

在生物骨骼肌中，肌肉-肌腱系统通过吸收高冲击运动中长度的变化实现储能。在伸长-缩短周期中，高载荷下肌肉被拉长，通过释放储存的肌腱弹性应变能实现肌肉的缩短，提高运动效率[13]。此外，肌肉-肌腱系统可实现输出力的直接传递[14]，提高功率密度。开发具有肌肉-肌腱系统的柔性驱动器是解决应力，应变和功率密度等相关问题的有效方法。

骨骼肌的机械输出受肌纤维长度变化和缩短速度的影响较大[15]。生物肌肉的大规模并行结构特征允许应力和应变的产生。这是一种通过平行叠加肌纤维，同时增加肌纤维长度，进而增加输出应力(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—— 羽状角， (°)

M—— 肌肉质量，g

L—— 肌纤维长度，mm

ρ—— 肌肉密度，g/mm3

(2)

因此，以骨骼肌肌肉-肌腱结构概念为设计引导，以人体肱二头肌为仿生原型(图1，肌肉长度为23.4± 4.2 cm，肌纤维长度为13.6± 3.2 cm)[16]，依据HimiSK柔性驱动器的设计策略和设计准则[12]，开发一种大规模并行结构的仿肌腱驱动器，称为仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器，如图2所示。仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器由肌纤维和柔性基质组成，收缩单元中的编织网直接延伸至驱动器两端形成肌纤维索，使收缩单元直接与外载荷相连，实现与人体骨骼肌肌腱相似的功能。这样可以避免在施加力时驱动两端的弹性变形，驱动器长度为1.8 cm，重量为180 g，最大横截面积约为1250 mm2。以人体肱二头肌的结构尺寸为参考，设计收缩单元长度为13.0 cm，数量为11根，为了充分利用柔性基质空间，其中在曲面的空间部位布置收缩单元4根，长度为9.0 cm。收缩单元外径6 mm，内径4 mm，壁厚1 mm，以保证在较高的气压下而不产生破坏。

图1 人体肱二头肌示意图

图2 仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器示意图

2 驱动器制造

仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器的制造采用多步

骤的浇注成型方式。收缩单元主要由弹性圆管(内径4 mm，外径6 mm，长度90 mm和110 mm)和一个编织网(初始夹角45°)组成， 如图3a所示。弹性圆管的两端采用相同材料密封，如图3b所示。编织网可以用尼龙扎带封闭以限制弹性圆管的膨胀，允许收缩单元在施加气体压力时产生线性收缩 (图3c)。驱动器共15支收缩单元，为了更好地适应驱动器外部轮廓的曲面形态，收缩单元对称布置，分别具有15个进气口。采用3个微型六通硅胶接头(SL1.6)和一个四通微型硅胶接头连接15支收缩单元。当驱动压力通过进气口施加气压时，15支收缩单元同时收缩，实现线性收缩运动。最后，这些15支单元可以通过柔性基质包裹，并连接在一起。

图3 收缩单元制造方法

柔性驱动器基质制造的模具由三部分组成，包括左、右6层成型模具和5个定位模具(图4a)。首先，将左右第一层模具固定好，由第一层定位模具固定收缩单元，使用硅胶材料浇注(图4b)，根据材料所需的固化时间在室温下固化。在固化成型后将定位模具取下，安装第二层左右和定位模具，继续浇注硅胶材料(图4c)。重复以上步骤，直至完成。成型的仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器如图4d所示。基质材料为Dragonskin20，收缩单元材料为Smoothsil40，称为D-S体系材料。

图4 仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器制造过程

3 实验测试与力学特性分析

长期以来，力-速度特性不仅在功能上具备快速稳定特性，协调输出力和速度，同时也是制约肌肉机械性能的重要因素，决定功率和效率的大小。因此，需要进行柔性驱动器等张收缩测试。首先测量驱动器的力和位移，如图5所示，柔性驱动器通过空气压缩机提供气体压力，由一个调压阀和一个调速阀分别控制气体压力和流量。采用力传感器测量驱动器的输出力；采用激光位移传感器(HG-C1100，日本松下)记录驱动器在输出力方向上的收缩量，即位移。力传感器首先与DYB-5动态应变测量仪连接(北戴河电子有限公司，中国)，获得电压信号。然后通过VIBSYS振动信号采集分析仪(北京波普电子有限公司，中国)进行采集。利用MATLAB软件对采集的力和位移电压信号进行处理，进而获得力、位移和速度。

图5 驱动器实验测试

当驱动器受到给定的气体压力时，驱动器收缩并提升负载，当收缩达到稳定时，将空气从所有收缩动单元中释放出来，完成一次等张收缩运动。驱动器分别在0.16，0.24，0.32，0.40，0.48 MPa五种气压下进行测试，确定驱动器在各气压下所能提升的最大负载F0。从0～F0之间分为6种不同的载荷，每种载荷下重复测量6次，用于计算平均值和方差。

图6为不同气压下驱动器的力-速度曲线。可以看出，驱动器满足力-速度特性，驱动器收缩速度对其力量产生有显著影响，驱动器产生的力随着收缩速度的增加而减少。并且在所有激活压力水平上呈现相同的趋势，与骨骼肌变化特征相似。与Mckibben气动人工肌肉不同， Mckibben气动人工肌肉的力几乎不会随着速度的增加而下降[17]。证明了柔性基质有效的改善了柔性驱动器的力-速度特性，这种力-速度特性能够有效增加系统稳定性[18]。

图6 仿肌腱驱动器的力-速度特性

此外，这种大规模收缩单元结构大大提高了驱动器的应力和应变，驱动器的输出力和位移得到明显的改善。如图7所示，驱动器在0.48 MPa气压下，最大位移为21 mm，应变可达11.7%；最大输出力约为400 N(40 kg)，超过自身重量(180 g)的220倍，应力可达0.32 MPa。为避免采用生物骨骼肌的应力计算公式(式2)扩大驱动器应力。采用式(3)进行柔性驱动器的应力计算。

图7 输出力和位移随载荷变化特性

σ=F/S

(3)

式中，F—— 输出力

S—— 柔性驱动最大横截面积

功率是衡量驱动器机械性能的重要指标，决定于力和速度的大小。根据仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器的力和速度数据，获得柔性驱动器在各个气压下的功率，如图8所示。可以看出，气压越高，驱动器的功率越大，气压在0.48 MPa时，驱动器的最大功率为3.65 W。最大功率密度为20.27 W/kg，仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器的功率密度计算，如式(4)所示。

图8 仿肌腱驱动器各气压下的功率曲线

P=Fv/m

(4)

式中，F—— 输出力

v—— 速度

m—— 驱动器的质量

五种仿半膜肌HimiSK柔性驱动器[12]和仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器的应力、应变和功率密度如表1所示，并与骨骼肌的参数进行对比。通过表1的对比分析，仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器不仅具有优异的应力应变特性和较高的功率密度，同时满足优异的力-速度特性。该驱动器的优异性能主要由于：

表1 不同柔性驱动器的应力、应变、功率密度和工作密度

(1) 依据HimiSK驱动器的设计策略和设计准则进行设计与优化：在柔性基质中大规模布置收缩单元，不仅大大的增加了主动收缩力，同时减少柔性基质的体积占有率，进而减少柔性基质带来的收缩阻力；

(2) 基于D-S材料体系：增加收缩单元承压能力(可承受0.5 MPa的驱动压力)，进而增加收缩力，同时采用较软的柔性基质，减少收缩单元的收缩阻力；

(3) 模拟骨骼肌肌腱结构：消除施加载荷时柔性基质产生大变形的问题，实现主动收缩力的直接传递。

4 驱动器应用

骨骼肌在接受神经系统的输入后产生主动力量。肌肉一旦受到刺激，就会产生一种收缩或拉力。无论肌肉是缩短、延长还是保持不变的长度，肌肉都是通过拉而不是推来活动的。日常生活中，通过骨骼肌提升重物或载荷是不可或缺的运动。骨骼肌也可以通过牵拉与之连接的骨，使关节产生活动，通过关节的动作来控制和稳定姿势，使人体做出各种各样的动作。

仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器具有与骨骼肌相似的高输出力和应变，可以实现与骨骼肌相同的线性收缩功能，应用柔性驱动器提起不同重量的重物，如图9所示。提升砝码(2 kg)，矿泉水(3 L和16 L)和轮胎(10 kg)。同时，柔性驱动器可与不同的机械结构连接，实现不同的运动。如图10所示，仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器与大臂和小臂连接，通过肌肉收缩实现关节转动，进行打乒乓球的运动。

图9 仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器提升重物

图10 仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器拉伸关节运动

仿肌肉-肌腱系统驱动器不仅具备与骨骼肌相似的高应力应变、高功率密度和力学特性，同时具有可编程特性。由于该驱动器由多根收缩单元组成，每一个收缩单元具有独立的进气口。选择不同的收缩单元进行驱动，可以实现不同的运动形式。利用该特性进行应用探索。如图11所示，利用电磁换向阀对驱动器前后两排的收缩单元进行交替充气，通过柔性驱动器的自身弯曲变形实现往复摆动。该往复摆动运动实现货物分拨。

图11 仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器摆动运动

对收缩单元进行统一驱动时，可实现上述骨骼肌相同的线性收缩特性。对非对称平面的收缩单元进行交替充气时，可实现往复摆动运动。同时，开发对收缩单元进行时序控制的探索，实现柔顺的往复扭动，如仿生鱼尾的应用。这些复杂的运动由于仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器可编程性能产生，具有广泛应用的潜力，包括仿生机器人、主动假肢和外骨骼或康复机器人等。

5 结论

本研究设计了一种仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器。获得最大输出力达到40 kg，达到自身重量220倍，最大应力为0.32 MPa，应变为11.7%，功率密度为20.27 W/kg，与骨骼肌性能指标相似。同时具备与生物骨骼肌相似的力学特性，实现高应力应变，高功率密度和力学特性的集成。并实现在线性收缩特性的骨骼运动和摆动特性的货物分类方面应用的初步探索。