D0I:10.13374/1.issnl00I63.2006.11.021 第28卷第11期 北京科技大学学报 Vol.28 No.11 2006年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2006 一个由Mckibben肌肉驱动的类人关节 赵怀林)余达太)李 果) 1)郑州大学物理工程学院，郑州4500012)北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要建立了一个类人的机器人关节，由两条对抗设置的Mckibben人工肌肉驱动.简单介绍了 Mekibben肌肉的力特性模型，推导了关节角度和Mckibben肌肉长度间的关系，从力学角度讨论了 最大可能旋转角度，分析了Mekibben肌肉与关节的连接位置及关节结构参数对关节旋转角度的 影响，并把类人关节和人类关节进行了比较.结果表明，Mckibben肌肉的收缩率和关节结构参数 对关节旋转角有较大影响，关节内侧的Mckibben肌肉与关节的适中连接位置可使关节角达到极 大值· 关键词气动人工肌肉：力特性：类人关节：关节角度 分类号TP242.3 近年来，气动人工肌肉尤其是Mckibben型气 1 一个类人关节 动人工肌肉（简称Mckibben肌肉）在机器人领域 的应用已经展开].Mckibben肌肉有一个双层 文献[6]把人的关节分为三种：蝶番关节（如 结构一内层橡胶气囊和外层纤维织物，当内层 肘关节)、车轴关节（如腕关节）和球形关节（如肩 封闭气囊受压膨胀，外层织物跟着膨胀，拉拽两端 关节)本文主要讨论蝶番关节，即一维单向关 缩短人工肌肉，与人或动物的肌肉收缩相似：气压 节，人的肘、膝均属于这种关节.根据人肘解剖原 越大，收缩越多；对于确定气压和确定负载有确定 理，有多条肌肉与肘关节相连，但主要由两条肌肉 的收缩长度，可以产生足够的力，同时还具有适当 控制关节旋转，它们是肱二头肌和肱三头肌四 的柔顺性[]，由Mckibben肌肉作为驱动器时会 肱二头肌在肘关节内侧，肱三头肌在肘关节外侧. 肱二头肌收缩时关节弯曲，肱三头肌收缩时关节 产生与动物相似的动作，所以Mckibben肌肉可以 平伸，肱二头肌和肱三头肌也可同时收缩以保持 作为机器人的驱动器，使机器人去执行一些“环境 关节稳定性，涉及人的膝关节的主要肌肉较肘关 友好”任务（例如病人护理工作等）成为可能， 节多，工作过程也较之复杂，因为除了要使膝关节 Mckibben肌肉只能产生单向力一拉力，即在受 屈伸外，还要有保持身体平衡等功能，但仅就其屈 压时输出拉力，所以在作为机器人关节驱动器时 伸而言，与肘关节相似， 要成对使用 模仿人的蝶番关节结构，用两条Mckibben肌 本文构建了一个类人尺寸的机器人，并用 肉对抗设置，并驱动人工关节，两Mckibben肌肉 Mckibben肌肉来驱动，每个关节最少由一对 的动力学协调将决定关节的主要运动特征，图1 Mckibben肌肉驱动，为开发病人、老年人或残疾 为人工肘关节结构示意图， 人上下肢体障碍恢复或保健用品（例如残疾人辅 用刚件B1,B2分别代表大臂骨和小臂骨，与 助衣)作前期研究·考虑到潜在的开发研究目标， 肘关节相连，旋转圆柱体是Bl的一端，Mckibben 设计了类似人类关节解剖结构的关节，即每根 肌肉Ml代表肱二头肌，Mckibben肌肉M2代表 Mckibben肌肉独立与关节连接.而在目前专门 肱三头肌.M1一端通过刚件H1与B1连结于A 用于机器人关节驱动器的应用中普遍采用的是两 点，另一端通过刚件H2与B2连结于C点，M2 个相同尺寸的Mckibben肌肉绕过一旋转轮互连， 一端通过刚件H3与B1连结于B点，另一端通过 并驱动旋转轮旋转 刚件H4与B2连结于D点，关节可以伸直和向 收稿日期：0O时092缘画日期n20c3 Joural Electron侧膏典（图示位置为向车蛮曲se由面实际华人ww. 作者简介：赵怀林(1964一)，男，副教授，博士 的臂骨都有一定的粗细而不是一根细线，可用刚一个由 Mckibben 肌肉驱动的类人关节 赵怀林1） 余达太2） 李 果2） 1） 郑州大学物理工程学院‚郑州450001 2） 北京科技大学信息工程学院‚北京100083 摘 要 建立了一个类人的机器人关节‚由两条对抗设置的 Mckibben 人工肌肉驱动．简单介绍了 Mckibben 肌肉的力特性模型‚推导了关节角度和 Mckibben 肌肉长度间的关系‚从力学角度讨论了 最大可能旋转角度‚分析了 Mckibben 肌肉与关节的连接位置及关节结构参数对关节旋转角度的 影响‚并把类人关节和人类关节进行了比较．结果表明‚Mckibben 肌肉的收缩率和关节结构参数 对关节旋转角有较大影响‚关节内侧的 Mckibben 肌肉与关节的适中连接位置可使关节角达到极 大值． 关键词 气动人工肌肉；力特性；类人关节；关节角度 分类号 TP242∙3 收稿日期：20050901 修回日期：20060318 作者简介：赵怀林（1964—）‚男‚副教授‚博士 近年来‚气动人工肌肉尤其是 Mckibben 型气 动人工肌肉（简称 Mckibben 肌肉）在机器人领域 的应用已经展开［1—3］．Mckibben 肌肉有一个双层 结构———内层橡胶气囊和外层纤维织物‚当内层 封闭气囊受压膨胀‚外层织物跟着膨胀‚拉拽两端 缩短人工肌肉‚与人或动物的肌肉收缩相似；气压 越大‚收缩越多；对于确定气压和确定负载有确定 的收缩长度‚可以产生足够的力‚同时还具有适当 的柔顺性［4—5］．由 Mckibben 肌肉作为驱动器时会 产生与动物相似的动作‚所以 Mckibben 肌肉可以 作为机器人的驱动器‚使机器人去执行一些“环境 友好” 任务（例如病人护理工作等） 成为可能． Mckibben 肌肉只能产生单向力———拉力‚即在受 压时输出拉力‚所以在作为机器人关节驱动器时 要成对使用． 本文构建了一个类人尺寸的机器人‚并用 Mckibben 肌肉来驱动‚每个关节最少由 一 对 Mckibben 肌肉驱动‚为开发病人、老年人或残疾 人上下肢体障碍恢复或保健用品（例如残疾人辅 助衣）作前期研究．考虑到潜在的开发研究目标‚ 设计了类似人类关节解剖结构的关节‚即每根 Mckibben 肌肉独立与关节连接．而在目前专门 用于机器人关节驱动器的应用中普遍采用的是两 个相同尺寸的 Mckibben 肌肉绕过一旋转轮互连‚ 并驱动旋转轮旋转． 1 一个类人关节 文献［6］把人的关节分为三种：蝶番关节（如 肘关节）、车轴关节（如腕关节）和球形关节（如肩 关节）．本文主要讨论蝶番关节‚即一维单向关 节‚人的肘、膝均属于这种关节．根据人肘解剖原 理‚有多条肌肉与肘关节相连‚但主要由两条肌肉 控制关节旋转‚它们是肱二头肌和肱三头肌［7］． 肱二头肌在肘关节内侧‚肱三头肌在肘关节外侧． 肱二头肌收缩时关节弯曲‚肱三头肌收缩时关节 平伸‚肱二头肌和肱三头肌也可同时收缩以保持 关节稳定性．涉及人的膝关节的主要肌肉较肘关 节多‚工作过程也较之复杂‚因为除了要使膝关节 屈伸外‚还要有保持身体平衡等功能‚但仅就其屈 伸而言‚与肘关节相似． 模仿人的蝶番关节结构‚用两条 Mckibben 肌 肉对抗设置‚并驱动人工关节‚两 Mckibben 肌肉 的动力学协调将决定关节的主要运动特征．图1 为人工肘关节结构示意图． 用刚件 B1‚B2分别代表大臂骨和小臂骨‚与 肘关节相连‚旋转圆柱体是 B1的一端‚Mckibben 肌肉 M1代表肱二头肌‚Mckibben 肌肉 M2代表 肱三头肌．M1一端通过刚件 H1与 B1连结于 A 点‚另一端通过刚件 H2与 B2连结于 C 点．M2 一端通过刚件 H3与 B1连结于 B 点‚另一端通过 刚件 H4与 B2连结于 D 点．关节可以伸直和向 一侧弯曲（图示位置为向上弯曲）．由于实际上人 的臂骨都有一定的粗细而不是一根细线‚可用刚 第28卷 第11期 2006年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．28No．11 Nov．2006 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2006．11．021