北京理工大学科技成果——气动人工肌肉在仿生机器人中的应用技术
science子刊发布，利用“电磁炉原理”制造新型气动人工肌肉！
science子刊发布，利用“电磁炉原理”制造新型气动人工肌肉！电磁炉大家都很熟悉，它利用电磁感应来加热可被磁化的锅具，是居家“吃火锅”必备小家电。
近期小编发现来自麻省理工大学（MIT）和英属哥伦比亚大学(University of British Columbia)的研究者们利用“电磁炉的加热原理”研发了一款不需要气泵和气阀的气动人工肌肉，并将研究成果发表到了《科学-机器人学》（science robotics）杂志上。
研究者利用通电线圈迅速加热混有永磁体颗粒的液体，让其在短时间内相变（汽化），从而产生能够驱动人工肌肉的气压。
图1 电磁感应加热原理能驱动气动肌肉？利用电磁感应加热原理驱动的气动人工肌肉新型的仿生肌肉设计是当下机器人研究的热点，其中，非常典型的气动人工肌肉有很多优点，例如安全，抗冲击，柔顺，高能量密度等，但它有一个“硬伤”就是需要一个稳定的高压气源来驱动。
科学家们尝试用各式各样的方式来“摆脱”泵的束缚，包括用预充高压气体，用小型的气泵，或者用催化分解反应以及燃烧爆炸产生气体等方式来设计气动软体机器人（相关论文标题在文末给出）。
图2 几种摆脱气泵的气动软体机器人小编觉得气动肌肉似乎已经走到了尽头（可以由学术界进发工业界了），没有什么其他新的方式可以有效产生气体，而且现如今大多数研究者都着眼于新材料的研发。
但是近期的一个研究让人眼前一亮：电磁炉原理竟然可以用来驱动人工肌肉？！图3 利用电磁感应加热原理驱动的“肱二头肌”来自麻省理工（MIT）和英属哥伦比亚大学（UBC）的研究者们基于传统的气动肌肉（Pneumatic Artificial Muscle，PAM），设计了一种能够摆脱气泵，用电磁感应加热原理来制造气压变化的新型人工肌肉，命名为MITPAM（磁诱导热的气动人工肌肉magnetically inducedthermal PAM），于4月15号发表在了顶级期刊《科学-机器人学》(science robotics)上，今天就由小编来为大家解读一下。
气动人工肌肉上肢仿生关节设计_项超群
Abstract： Pneumatic systems which have the advantages of simple structure ，no pollution and easy maintenance have gained more and more popularity． Based on the principle of antagonist muscle ， a 3 － DOF bionic elbow joint is actuated by pneumatic artificial muscle （ PAM ） ． In the environment of ADAMS ，a virtual prototype of the joint model was established ，and the motion simulation has been done． The simulation results show that the motion of bionic joint is smooth and steady ，and it has a good flexibility ，which can meet the design requirements． Besides， experimental verification was carried out on the principle prototype ，and experiment of rotation of bionic joint around the X axis shows： a． the higher inflation pressure is applied on the PAM，the quicker the platform of forearm will rotate ； b． when inflation pressure is greater than or equal 2bar ，the rotation angle of platform of forearm will meet the requirements． Experiment of rotation of bionic joint around the Z axis shows the rotation angle of the forearm platform can meet the requirements，which verify the feasibility． Key words： bionic joint，pneumatic artificial muscle（ PAM），three degrees of freedom（3DOF），motion simulation 引言 气动系统以其具有结构简单、 无污染、 维修方便、 ， 环境适应性强和抗干扰能力强等优点 得到人们越来 越广 泛 的 应 用。 气 动 人 工 肌 肉 （ Pneumatic Artificial Muscle， 简称 PAM） 作为气动系统中的执行部分， 具有 电机驱动和液压驱动无法比拟的优点。 PAM 主要由 橡胶管和套在其外面的编织网组成， 当内部气压升高 时， 气动肌肉径向膨胀， 纵向收缩， 带动负载运动。 气 动肌肉具有外形柔顺， 径向膨胀小等优点， 并且其伸缩 范围、 响应时间、 输出力与生物肌肉有着很大程度的相 似性， 它可以直接安装在仿人机械手臂中作为驱动器 ，
人造肌肉的研究进展和应用前景
人造肌肉的研究进展和应用前景人工智能、仿生机器人等高新技术的迅速发展，让许多科幻电影中的梦想逐渐成为现实。
在这些前沿技术中，人造肌肉无疑是一项备受关注的领域。
而在近年来，人造肌肉的研究进展也呈现出了越来越活跃的态势，其应用前景也越来越广泛。
人造肌肉是指基于生物肌肉结构原理，通过人工材料和电力控制系统，实现的一种与生物肌肉类似的机械构件。
人工肌肉主要利用智能材料的特性，如形状记忆效应、电致变形效应等，通过电子控制系统对人造肌肉进行控制，实现类似弹性收缩、改变形状等动作。
常见的智能材料有电致变形材料、形状记忆合金、电活性聚合物等。
人造肌肉的研究发展可以追溯到上个世纪七十年代。
当时，美国国家航空和航天局就开展了人造肌肉的研发项目，旨在寻找一种替代传统发动机和液压发动机的新型智能驱动机构。
经过几十年的努力，人造肌肉技术已经取得了一系列显著进展，相关领域的专家和学者逐渐发掘出了人造肌肉的广泛应用前景。
人造肌肉的应用前景在医疗方面，人工肌肉可以帮助残疾患者重新获得行动自如的生活。
比如，在电动轮椅、假肢等辅助器具中，采用人工肌肉作为推进器、缓冲器，可以提升器械的便捷性和舒适性，减轻患者的疲劳感。
另一方面，人造肌肉还可以被用于替代心脏等重要器官的替换。
通过将人造肌肉作为心脏的搏动器，可以减轻患者的心脏负担，减少病患的痛苦。
在军事领域，人造肌肉被用于制造仿生机器人和智能武器等。
通过集成人工肌肉和表面传感器的技术，可实现人形机器人的液压机械化运动，提升其战斗能力和安全性。
在工业方面，人造肌肉也可以帮助实现机械及相关器材的自动化、智能化生产。
例如，在汽车制造、航空航天、机器人自动化等领域中，对人工肌肉的需求非常强烈。
这些行业需要一种高速、高精度、高可控的运动控制机制，而人工肌肉的发展可以满足这一需求。
结论总之，人造肌肉技术的研究发展一直处于科学创新的前沿。
在未来的发展中，我们相信，人工肌肉会在各个领域扮演越来越重要的角色，为人类的发展和进步做出贡献。
我国仿人机器人研究取得新突破
我国仿人机器人研究取得新突破
项目承担单位：北京理工大学
仿人机器人是智能机器人发展的一个制高点，在航天、国防、老龄化社会服务等领域具有重大需求，已成为世界发达国家必争的战略高技术。
仿人机器人具有30个以上自由度，近100个传感器，是一个不稳定的非线性强耦合的复杂多体动力学系统，技术难度高。
针对目前仿人研究存在的复杂运动求解难、环境适应性弱等国际性难题，在北京市科委支持下，北京理工大学联合国内优势单位，借鉴人类长期进化所具备自然、快速、协调运动机理和灵巧结构特征，创新地研究了仿人机器人的仿生运动规划、控制与系统集成等关键技术，取得了新突破。
提出了仿人机器人运动规划新方法，首创了运动相似性评价准则，可全范围定量计算机器人运动与人体运动的相似度，解决了多自由度机器人拟人化复杂运动难题，提高了机器人运动的自然性和稳定性。
提出了快速传感反射平衡控制方法，无需机器人数理模型即可调节踝、膝、腰等关键部位，解决了复杂环境下突发扰动等平衡控制难题，显著提高了仿人机器人适应环境变化的能力和反应速度。
发明了功能仿生灵巧机构，攻克了系统集成技术，解决了部件与系统性能一致性难以匹配的问题，研制成功了集成度高、运动协调能力强的5代仿人机器人。
上述成果获授权发明专利40余项，已在载人航天国家重大工程、国家公共安全等领域得到应用，获教育部技术发明奖一等奖，相关论文发表在国际机器人顶级期刊。
项目负责人黄强教授“因在仿人机器人设计和控制方面的贡献”当选美国电子电气工程师学会会士（IEEE Fellow）。
气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的设计
气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的设计
范伟;余麟;刘昭博;刘昊;彭光正
【期刊名称】《机床与液压》
【年(卷),期】2006(000)008
【摘要】提出应用气动人工肌肉的五指灵巧手设计方案,包括各手指的结构设计以及手指与手掌的连接设计,手指采用腱传动方式,灵巧手总共具有17个自由度.手指端有滑觉传感,手掌中有握紧力传感.该灵巧手具有充分的自由度,结构紧凑、新颖,并具有力知觉能力,仿生性好.
【总页数】4页(P62-65)
【作者】范伟;余麟;刘昭博;刘昊;彭光正
【作者单位】北京理工大学自动控制系,北京,100081;北京理工大学自动控制系,北京,100081;北京理工大学自动控制系,北京,100081;北京理工大学自动控制系,北京,100081;北京理工大学自动控制系,北京,100081
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.气动人工肌肉驱动灵巧手的设计与研究 [J], 张氢;覃昶;孙远韬
2.一种气动人工肌肉驱动的七自由度仿人手臂的设计 [J], 彭光正;王毅枫;孙海默
3.气动人工肌肉驱动器驱动六足爬行机器人的步态选择和结构设计 [J], 张之璐;彭光正;朱智乾;范伟
4.气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计 [J], 彭光正;余麟;刘昊
5.气动人工肌肉驱动仿人肩关节机器人的设计及力学性能分析 [J], 刘昱;王涛;范伟;王渝;黄清珊
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北京理工大学科技成果——气动人工肌肉在仿生机
器人中的应用技术
成果简介
气动人工肌肉驱动器具有较强的柔性及仿生性，其高功率/质量比的特点使之在仿人机器人技术领域中具有无可比拟的优势。
对气动人工肌肉的静、动态特性深入进行了建模与实验研究，进行了气动人工肌肉驱动的关节特性分析及位置控制研究。
分别研制出气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手，以及十四自由度双臂机器人，通过简单的材料制作出性能优异的气动人工肌肉，辅之模糊自适应控制、协调控制等高精度气动伺服控制技术，实现了灵巧手基于数据手套的主从抓持操作、机械臂自动驾驶方向盘等动作。
该研究为气动人工肌肉的广泛应用奠定了坚实的理论与工程基础。
气动人工肌肉（左）和仿人灵巧手（右）
项目来源国家自然科学基金项目
技术领域新型驱动器，仿人机器人
应用范围低成本研究性仿人机器人；医疗护理性机器人；家政服务型机器人；空间探索性抓持器。
技术特点
以仿人五指灵巧手骨架为核心，气动人工肌肉驱动，柔索传动。
由一对肌肉驱动一个手指关节，高响应压电比例阀控制气动人工肌肉的内部压力，从而改变肌肉的收缩长度及输出力，最终控制关节角度的变化。
采用模糊PID对单关节进行控制，关节空间的轨迹规划来自人手佩戴的数据手套的反馈信息，由此构成实时主从控制效果。
灵巧手的外观具有很好的仿人性，亲和力较强，在主从控制下可以完成各种手势运动及简单的抓持操作。
双臂机器人采用对称式结构设计，每个手臂均具有七个自由度，其中肩关节有三个自由度，肘关节有两个自由度，腕关节亦有两个自由度。
单臂控制器由带重力补偿器和摩擦力补偿器的模糊自适应PID 控制，最大的跟踪误差小于0.08rad。
双臂协调控制，即在双臂控制回路之间插入动态模糊协调控制器，通过对比双臂对应关节的角位移误差大小，按一定模糊规则对各控制量进行补偿。
双臂机器人
技术创新
低成本气动人工肌肉的研制，十七自由度仿人灵巧手的研制，十
四自由度双臂机器人的研制，基于数据手套的灵巧手主从控制，双臂机器人的协调控制。
所在阶段样机
成果知识产权
发明专利“一种气动人工肌肉”，专利号CN101306535；发明专利“气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构”，专利号CN101045300。