摘要
类人机器人是当前机器人研究领域最活跃的研究方向之一，引起了许多科研工作者的注意。随着科技的发展,需要一种工作方式类似与人体肌肉,同时又具有力量大、重量轻、柔顺性好等特点的执行器,应用于机器人的研究。类人气动肌肉就是这样一种具有很多优点的新型执行器，类人气动肌肉在很多方面超过了麦基本肌肉。
本文采用类人气动肌肉，设计了一种双自由度的类人上肢。本课题得到了国家自然科学基金（项目号：50375108）和天津市自然科学基金（项目号：033601611）的资助，论文的主要内容如下：
通过对人体上肢解剖结构的分析研究，把上肢骨骼结构简化为两刚体的运动系统．将前臂和肱骨的联结简化为转动副，同肩关节的内收-外展自由度一同形成一个2自由度的两刚体系统。
由于在推导过程进行了许多假设，理想的类人气动肌肉模型和实际类人气动肌肉的特性存在很大的差距，为此本文分析了橡胶管弹性、壁厚、类人气动肌肉充气后的顶端效应以及橡胶管和编织网之间的摩擦对理想模型特性的影响，并给出了改进的模型公式。
建立了类人气动肌肉的新型实验台，所有的测量工作和控制工作都可以由计算机来完成。在此基础上对理论模型进行验证。
4 、建立了类人上肢实验台，并进行了类人上肢的动静态特性实验。
最后本文对类人上肢和类人气动肌肉的进一步研究内容经行了分析和展望。
With the development of technology, an actuator that is powerful, lightweight and compliant and can be operated in a manner similar to human muscles is needed in the study of robots. The Humaniform Air Muscle (HAM) is one of such novel actuators with many advantages. The Humaniform Muscle overshadows McKibben style actuators in many aspects.
The design of a 2 degrees of freedom imitating human upper extremity is proposed in this thesis. This dissertation is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (project No. 50375108) and the Natural Science Foundation of Tianjin (project No.033601611). The main research work in this thesis includes:
Based on the analysis of the anatomy structure of human upper extremity, the upper limbs are simplified as a motion system of two rigid bodies, the joint of forearm with humeral as a hinge. With the freedom in adduction and abduction motions of shoulder joint, a two-rigid-body motion system is formed.
The large number of assumptions made in deducing the ideal model of the Humaniform Air Muscle result in significant differences between the ideal model and the real attributes of the Humaniform Air muscle. Therefore, the main factors affecting the ideal model including the elasticity and wall thickness of the rubber tube, its shape at both ends and the friction between the rubber and braided net, are analyzed. An improved model is proposed.
A new type test-bed for HAM has been built. On this test-bed, all the measurement and control can be carried out by computer. The validity of the theoretical models is tested on the test-bed.
A test-bed for imitating human upper extremity has been established. Experiments on the static and dynamic behaviors of the extremity were conducted.
At the end, the future research work on HAM and imitating human upper extremity is analyzed and discussed.
引文
罗明典.十年之后是新星－大有前途的仿生学技术.中国科技信息，21：28－29，2001
T. Fukuda, R. Michelini, et al. How far away is “artificial man” IEEE Robotics & Automation Magazine, 2001:66-73.
H. Moravec. Robot: Mere Machine to Transcendent Mind. London, U. K. Oxford Univ. Press, 1998
刘荣，宗光华．三自由度人工肌肉驱动器静力学研究（(=0(条件下）．机器人，1994,16(3)：160~164
谢涛，徐建峰 等. 仿人机器人的研究历史、现状及展望. 机器人2002,24(4):367-374
宗光华．利用变结构系统理论实现人工肌肉的夹持力控制．机器人，1990,12(4):15~20
宗光华．人工肌肉夹持力的变结构控制．北京航空航天学报，1990(2)：111~116
王步标．运动生理学．高等教育出版社，1992
田杜平，林良明．人工肌肉测控系统的研制．测控技术，1997，16(3):27~28
田杜平，林良明．人工肌肉静态特征及其测量．实用测试技术，1998, 24(6):12~14
杨乐平，李海涛等．LabVIEW程序设计与应用．北京：电子工业出版社，2001
[12] 王予谦等. 三自由度人工肌肉驱动器的有限元静力学研究（(=0(条件下）．北京工业大学学报，1999,25(1), 16（3）:160-164
刘荣. 并联机构柔顺控制及人工肌肉驱动研究：[学位论文]．北京：北京航空航天大学，1996.6
林良明. 仿生机械学. 上海交通大学出版社，1989.2：1~17
林良明. 基于学习生物运动的一种人工筋驱动器的研究. 仪器仪表学报，1996， 17（1）：287-290
龚光红，李宁. 人体运动的测量与数据修正. 测控技术，2003,22(4):21-23
陆佑方等．柔性机器臂动力学与控制建模的若干问题．机器人，1993,15(5):52~59
田杜平．人工肌肉快速、高精度位置控制的研究：[学位论文]．上海：上海交通大学，1999.4
蔡自兴．机器人学．北京：清华大学出版社，2000,9
熊有伦．机器人技术基础．华中理工大学出版社，2000,9
C.P.Chou, B.Hannaford. Measurement and modling of artifical muscle, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1996, 12:90-102
徐元昌．工业机器人．中国轻工业出版社，1996,6
徐伟等．仿生学在人工肌肉研究中的应用. 机器人，1995, 17 (5):160-164
铃木诚 穆能伶, 人工肌肉．世界科学，1992(4):22-25
单祖辉主编．材料力学（修订版）．国防工业出版社，1986
林良明等．人工筋机械手学习与控制．上海交通大学学报，1995, 29(8):45~50
Hisashi Taniguchi, Hirohisa Tanaka. Applying Flexible Mciro Actuators to Multi Fingered Robot-Hand，Third JHPS International Symposium, 1996(4):78-83
叶骞，王祖温，包钢．气动人工肌肉．液压气动与密封，2002,4(2):12-14
李颖．人体生理学学习方法的探讨．中国基层医药，2003, 10(2)：182-183
C. P. Chou, B. Hannaford. Static and Dynamic Characteristics of McKibben Pneumatic Artificial Muscles. IEEE Conf on Robotics and Automation, San Diego, USA, May, 1994(2):264-269
S.M. Cadwell, R.A. Merrill, C.M.Sloman, F.L.Yost. Dynamic Fatigue life of rubber. , Industrail and Engineering Chemirtry, Analytical Edition, 1940, 12:19-23
Tondu Bertrand, Boitier Vincent, Lopez Pierre. Naturally compliant robot-arms actuated by Mckibben artificial muscles. Proceeding s of the IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, Oct 2-5 1994:635-640
D. G. Caldwell. Compliant Polymeric Actuators as Robot Drive Units. Ph. d thesis, University of Hull, 1989(3):268-273
http://www.merlinsystemscorp.co.uk
D. G. Caldwell. Natural and Artificial Muscle Elements as Robot Actuators. Mechatronics. 1993, 3(3): 269~283
http://www.shadow.org.uk/index.shtml
R. A. Schulte. The Characteristics of the McKibben Artificial Muscle. In the Application of External Power in Prosthetics and Orthetics, publ. 1962, 874: 94~115
J. M. Winters. Braided Artificial Muscles: Mechanical Properties and Future Uses in Prosthetics/Orthetics. RESNA 13th Conf, Washington, USA, 1990: 173~174
K. Inoue. Rubbertuators and Applications for Robots. Robotics Research: 4th International Symposium. MIT Press, 1988,3(3):362-369
寿天德. 神经生物学. 高等教育出版社，2001
李醒飞等. 人体上肢在水平面上运动时的轨迹重构. 天津大学学报，2002, 35(5):601 -605
黄雨,彭光正,范伟. 气动人工肌肉驱动特性实验研究. 液压与气动，2002,12:9-11
B. Tondu, V. Boitier, P. Lopez. Modeling and control of McKibben artificial muscle robot
actuators, IEEE control Systems Magazine, 2004, 4:15~38
周泉,张立彬等. 柔性气动执行器的研究现状和趋势. 机电工程,2003,20(1): 61-64
田社平等. 人工肌肉静态特性及其测量. 实用测试技术,1998(6):12-14
杨钢，李宝仁，刘军. 气动人工肌肉特性分析的新方法. 液压与气动,2002,10:22-25
隋立明,包钢等. 气动人工肌肉驱动关节特性研究. 液压与气动,2002,3:3-5
刘荣等. 人工肌肉驱动特性研究. 高技术通讯，1998, (6)：34-38
金明. 内压下弹性薄膜球的稳定性. 力学与实践，1997.3：32-33
杨挺青. 粘弹性力学. 华中理工大学出版社，1990.6
周光泉，刘孝敏. 粘弹性理论. 中国科学技术出版社，1996
http;//www.adlinkchina.com.cn