基于柔性增材制造的新型模块化气动人工肌肉结构设计优化与反馈控制方法研究

Pneumatic artificial muscle (PAM) is a type of actuator, which is widely used in human-robot interaction area such as medical and rehabilitation robot. Conventional positive pressure driven PAM has short stroke and radical expansion because it is based on the braiding angle change of fiber material. Conventional negative pressure driven PAM has low force output because the force comes from atmospheric pressure. These problems limit the improvement of wearability, extensibility and force output of PAMs. This project is aimed at solving these problems by putting out a design of modular PAM based on additive manufacturing. By designing and optimizing the modular cylinder and air channels, modeling the static and dynamic features of the novel PAM and introducing feedback control by implementing soft sensors, valuable scientific theories and reasonable techniques will be proposed and an alternative solution will be presented to the area of soft robotic actuators. Compared with traditional ones, the novel PAM presented in this project has better wearability, extensibility and higher force output, which will help improve both research and industry of soft robotic actuators in our country. The theme of this project may provide valuable reference for the research of the area and there is great application potential of the proposed method.

气动人工肌肉是一种广泛应用于康复医疗等人机交互机器人领域的驱动执行器。传统正压驱动型气动人工肌肉由于其变形基于纤维材料的编织角度变化，收缩行程短且伴随产生径向膨胀；传统负压驱动型气动人工肌肉由于其动力本质上来源于大气压力，输出负载力较小。上述问题导致传统气动人工肌肉在可穿戴性、可扩展性、以及负载力等特性提升上遭遇瓶颈。本项目正是针对以上难题，提出一种基于柔性增材制造的新型模块化气动人工肌肉，并通过对其薄膜气缸及肌肉气路结构参数设计与优化、新型模块化气动人工肌肉精确静动态模型建立与验证、基于嵌入式集成传感的气动肌肉反馈控制方法等内容的研究，得出有价值的科学理论和实用的技术手段，为机器人新型柔性驱动执行器提供一种可行方案，并与传统类似执行器相比在可穿戴性、可扩展性及负载力等技术指标上有所提升，助力我国机器人柔性驱动执行器方面的科学研究和产业发展，选题具有重要的科学研究价值和很强的工程应用前景。

本项目基于机器人技术在向与人共融发展过程中对新型可穿戴柔性助力驱动技术的实际需求而提出，针对传统气动人工肌肉可穿戴性、可扩展性差以及收缩率、收缩力不满足人体关节活动范围和助力需求的基础理论难题和技术瓶颈，以提出基于柔性增材制造的新型模块化气动人工肌肉，并集成位移、力自反馈为目标，展开了基于薄膜气缸和柔性编织的新型模块化气动人工肌肉原理探索、气压-位移-力数学模型建立、结构参数优化、驱动单元制备工艺研究、集成式柔性位移-力反馈方法以及人工肌肉台架和人体穿戴试验等方面的研究。设计的基于薄膜气缸的气动人工肌肉，具有高响应（10ms响应时间）、模块化、适应性强和制作工艺简单（单一材料一次性3D打印，无装配环节）的特点，特别适用于手指可穿戴助力和康复训练；设计的基于柔性编织的气动人工肌肉，具备高收缩率（71%）、高收缩力（20-35N/bar）的特点，适用于人体上下肢可穿戴助力和康复训练。此外，本项目还提出了基于平面和线性电容的集成位移传感方法，以及基于电磁感应原理的位移和力传感方法，实现了气动人工肌肉的自反馈轨迹跟踪和实时交互力安全监测。本项目为新型气动人工肌肉在可穿戴装备领域的应用提供了多种可行方案及配套理论依据。依靠薄膜气缸和柔性编织结构和方法的创新设计，本项目首次提出并实现了气动人工肌肉在收缩过程中不挤压人体的理念，推动了本领域研究和应用在穿戴舒适性方向的进步。本项目相关成果在SCI检索国际期刊发表学术论文9篇（全部为JCR二区及以上）；课题组成员参加并在相关国际会议发表EI检索学术论文6篇；申请发明专利8项且全部已授权；培养硕士毕业生2人，另有1名博士研究生和3名硕士研究生在本项目的资助下开展研究。