探索柔性機器的彎曲和螺旋氣動人工肌肉設(shè)計

哈爾濱工業(yè)大學(xué)近期在《Soft Robotics》雜志上發(fā)表了最新研究成果“Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk”，研制了一系列伸長型和收縮型的彎曲或螺旋氣動人工肌肉(Pneumatic Artificial Muscles, PAM)，作者通過建立數(shù)學(xué)模型和性能表征實驗等方法，以具象的三維曲面簇的形式對軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉進行了系統(tǒng)的分析與研究，為研究和設(shè)計人員提供了一個可靠的設(shè)計參考圖譜。

圖1：象鼻肌肉纖維啟發(fā)的彎曲與螺旋氣動人工肌肉

作者通過一個仿象鼻的多自由度柔性臂來探索彎曲和螺旋氣動人工肌肉在柔性機器人領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。收縮式氣動人工具有很大的輸出或負載能力，而伸長型氣動人工肌肉可以產(chǎn)生更多的變形。所以研究者根據(jù)不同驅(qū)動器的輸出特性，第一段使用收縮式彎曲氣動人工肌肉以承受最大的載荷，第二部分利用伸長式彎曲氣動人工肌肉提供更大的運動范圍。同時，螺旋型氣動人工肌肉被安裝在末端，以模仿象鼻的動作抓住各種物體。整個柔性臂的總長度和最大直徑分別為65.5 cm和2.5 cm，因此，柔性機械手的長度/直徑比可達26.2，甚至比真正的象鼻還要大。

圖2：仿生象鼻抓取物體和三維運動空間

哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團隊與美國馬里蘭大學(xué)Norman M. Wereley教授團隊合作完成此項工作，論文通訊作者為冷勁松教授，第一作者為哈爾濱工業(yè)大學(xué)管清華博士，研制的軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉具有優(yōu)異的適應(yīng)性、靈活性和可設(shè)計性，可以被廣泛地應(yīng)用于運動輔助外骨骼、可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)療機器人、柔性分類機器人、搜索機器人等。