一種負(fù)壓驅(qū)動(dòng)軟體人工肌肉的設(shè)計(jì)與制備

劉迪一　陳培

摘? 要：通過(guò)理論建模設(shè)計(jì)出致動(dòng)器結(jié)構(gòu)，再借助CAD制圖軟件以及3D打印設(shè)備設(shè)計(jì)并成型出它對(duì)應(yīng)的模具，最后通過(guò)澆鑄成型的方式制備出該負(fù)壓驅(qū)動(dòng)軟體人工肌肉。該致動(dòng)器由硅橡膠材料組成，外部呈長(zhǎng)方體形，內(nèi)部規(guī)則排列著彼此連通的長(zhǎng)方體形的空腔以及長(zhǎng)方體形的橫向彈性梁和縱向彈性梁。在特定負(fù)壓驅(qū)動(dòng)下，致動(dòng)器的彈性體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生可逆、協(xié)同的屈曲，從而使整體在長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生直線型收縮致動(dòng)，具備模仿肌肉收縮的功能。

關(guān)鍵詞：軟體;致動(dòng)器;人工肌肉;負(fù)壓驅(qū)動(dòng);屈曲

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）08-0073-03

Abstract： The structure of the actuator is designed by theoretical modeling， and then the corresponding mold is designed and molded with the help of CAD drawing software and 3D printing equipment. Finally， the artificial muscle of the negative pressure driving software is prepared by casting. The actuator is composed of silicone rubber material， the outside is in a rectangular shape， and the inside is regularly arranged with rectangular cavities connected with each other， as well as rectangular transverse elastic beams and longitudinal elastic beams. Driven by a specific negative pressure， the elastic structure of the actuator will undergo reversible and cooperative buckling， resulting in a linear contraction in the length direction of the whole， so the actuator has the function of imitating muscle contraction.

Keywords： software; actuator; artificial muscle; negative pressure drive; buckling

氣動(dòng)軟體致動(dòng)器具備可以接觸脆弱易碎和不規(guī)則形狀的物體（例如水果、動(dòng)物組織或衣物）的能力[1-3]，因?yàn)樗鼈兣c物體表面的接觸面積非常大，接觸力分布在極大的接觸面上就會(huì)使平均應(yīng)力變得很小[4]，而且致動(dòng)器本身是由柔軟、順應(yīng)性很強(qiáng)的彈性體材料（如硅橡膠）制成[5]。另一方面，由于它們的工作模式是通過(guò)氣體驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器形變來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種簡(jiǎn)易便捷的控制方式相比冗雜的傳統(tǒng)剛性機(jī)器人系統(tǒng)（由金屬、陶瓷或結(jié)構(gòu)聚合物等材料制成的機(jī)器人）的控制方式，更有利于在機(jī)器人在很多特殊場(chǎng)景中的應(yīng)用[6]。

人工肌肉致動(dòng)器的歷史比較悠久。在此類(lèi)致動(dòng)器中，1950年代開(kāi)發(fā)出的McKibben致動(dòng)器最為典型和普及。McKibben致動(dòng)器的核心組件為彈性體球囊和包裹著球囊的非彈性網(wǎng)。彈性體球囊在正壓驅(qū)動(dòng)下體積發(fā)生膨脹，但因?yàn)槭艿椒菑椥跃W(wǎng)的限制，它的膨脹是各向異性的，徑向膨脹，軸向收縮，從而模仿肌肉的直線型收縮運(yùn)動(dòng)[7]。但McKibben致動(dòng)器存在3個(gè)缺陷限制了它的應(yīng)用：（1）球囊與非彈性網(wǎng)間的干摩擦以及它們的非彈性變形會(huì)讓運(yùn)動(dòng)存在滯后情況，這種滯后使致動(dòng)器的精準(zhǔn)控制變得困難。（2）它的工作所需氣壓比較高，工作時(shí)的輸出力也很大，它做不到以較小的工作氣壓輸出較小的力，應(yīng)用場(chǎng)景因此受到限制。（3）施加太高的壓力（一般為500kPa左右）會(huì)使氣球從網(wǎng)孔中凸出或損壞網(wǎng)甚至自身爆裂[8]。

所謂的“屈曲”（Buckling） 是一種硬質(zhì)材料結(jié)構(gòu)中的不可逆的破壞機(jī)制，但近幾年發(fā)現(xiàn)彈性體材料結(jié)構(gòu)的屈曲是一種協(xié)同性、可逆的材料工作機(jī)制?；诓牧系闹芷谛越Y(jié)構(gòu)中彈性體梁（Elastomeric beams）在負(fù)壓下的協(xié)同（周期排列的彈性體梁協(xié)同變形使整體結(jié)構(gòu)發(fā)生特點(diǎn)改變）、可逆（取消負(fù)壓后變回原形）變形，是軟體屈曲致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)，也為軟體機(jī)器人系統(tǒng)提供了一種全新的致動(dòng)模式[9]。此類(lèi)致動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)包括：（1）它們沒(méi)有因?yàn)閮?nèi)部壓強(qiáng)過(guò)大而使機(jī)體爆裂的安全隱患;（2）它們能夠在空間受限

的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。借助彈性體的屈曲，人們研發(fā)出了很多柔性器件（例如可拉伸的柔性電子器件[10]、流體驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器[11]等）。

本文提出利用屈曲的力學(xué)機(jī)制來(lái)設(shè)計(jì)出一種彈性體人工肌肉（Vacuum driven buckling artificial muscle， V-BAM）。通過(guò)致動(dòng)器內(nèi)部的彈性體梁在負(fù)壓下的可逆屈曲，產(chǎn)生類(lèi)似于骨骼肌的運(yùn)動(dòng)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

Dragon SkinTM 30型硅橡膠，Smooth-On公司。

分析天平（AL204），梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司;可調(diào)真空發(fā)生系統(tǒng)（定制），美國(guó)Bosch Rexroth公司;數(shù)碼相機(jī)（D7000型），日本Nikon公司。

1.2 負(fù)壓驅(qū)動(dòng)軟體人工肌肉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

屈曲致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化看成是一塊嵌有許多規(guī)則性排列的空腔彈性體基體。具體來(lái)說(shuō)，我們可以認(rèn)為它包含了許多相互關(guān)聯(lián)與作用的彈性體梁和相互連接的可變形氣腔，并由一層彈性體薄膜從外面密封住。當(dāng)將空腔中施加真空時(shí)，由內(nèi)外氣壓差引起的各向同性壓縮導(dǎo)致彈性體梁發(fā)生可逆協(xié)同屈曲，這會(huì)使得結(jié)構(gòu)發(fā)生各向異性形變從而產(chǎn)生某些運(yùn)動(dòng)。

V-BAM的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1（a）所示：整個(gè)結(jié)構(gòu)可以看作是一個(gè)大的長(zhǎng)方體形彈性體，內(nèi)部規(guī)則排列著小的長(zhǎng)方體形空腔。致動(dòng)器的長(zhǎng)度、寬度、高度分別為46.5mm、34mm、28mm，內(nèi)部?jī)煞N長(zhǎng)方體形空腔的長(zhǎng)度、寬度、高度則各分別是12mm、6mm、24mm以及6mm、6mm、24mm。這些規(guī)則排列的空腔也使致動(dòng)器內(nèi)部形成了平行于致動(dòng)器長(zhǎng)度方向的縱向彈性體梁（Vertical beams）和平行于致動(dòng)器寬度方向的橫向彈性體梁（Horizontal beams）。橫向梁的寬度為1.5mm，縱向梁的長(zhǎng)度和寬度分別是6mm和4mm。如圖1（b）所示，當(dāng)對(duì)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)施加適當(dāng)負(fù)壓時(shí)，整體結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生屈曲變形，橫向梁會(huì)發(fā)生連續(xù)彎曲，縱向梁會(huì)略微變短和變粗，這種屈曲使得V-BAM長(zhǎng)度收縮，同時(shí)產(chǎn)生直線型的收縮力。

1.3 負(fù)壓驅(qū)動(dòng)軟體人工肌肉的制備及演示

借助CAD設(shè)計(jì)軟件Solidworks 2015進(jìn)行致動(dòng)器模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模具的結(jié)構(gòu)如圖2所示。將由CAD軟件內(nèi)完成的模型文件導(dǎo)出為STL文件，并在切片軟件ideaMaker 3.1.0中切片，導(dǎo)出為gcode格式的切片文件。最后把切片文件導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行模具的實(shí)體成型，所使用的3D打印機(jī)為Raised 3D Plus型熔融擠出式3D打印機(jī)，模具材料為ABS樹(shù)脂。

V-BAM通過(guò)澆鑄成型。稱(chēng)取Dragon SkinTM 30型硅橡膠的A、B組分各15g，將A組分和B組分混合并進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌時(shí)長(zhǎng)為10分鐘左右。然后進(jìn)行5分鐘的真空排泡處理。排泡完成后，將前驅(qū)液澆鑄至2個(gè)相同的ABS模具中。接著在室溫下讓前驅(qū)液自然固化8小時(shí)再脫模，得到2個(gè)最終組成V-BAM的部件（一半的V-BAM）。將未固化的Dragon SkinTM 30型硅橡膠前驅(qū)液涂在2個(gè)部件的結(jié)合界面上，然后把它們互相對(duì)齊粘合起來(lái)，放到60°C的烘箱中固化15分鐘，即可制備得到完整的V-BAM。

如圖3所示，V-BAM可以在負(fù)壓驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生類(lèi)似于骨骼肌收縮的直線型致動(dòng)變形以及收縮力，拉動(dòng)總重為960克的重物至完全收縮。

2 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)理論建模與澆鑄成型的方式制備得到了負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的軟體屈曲人工肌肉V-BAM。V-BAM的結(jié)構(gòu)看成是一塊大的長(zhǎng)方體形彈性體基體內(nèi)部嵌有許多小的長(zhǎng)方體形空腔，并由一層彈性體薄膜從外面密封住，從而形成縱向彈性體梁、橫向彈性體梁以及彼此連通的可變形氣腔。當(dāng)對(duì)V-BAM施加真空時(shí)，由內(nèi)外氣壓差引起的各向同性壓縮導(dǎo)致彈性體梁發(fā)生可逆協(xié)同屈曲，整體結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生屈曲變形，產(chǎn)生類(lèi)似骨骼肌收縮的直線型致動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ilievski F， Mazzeo A D，Shepherd R F， et al. Soft robotics for chemists[J]. Angew Chem Int Ed，2011，50：1890-1895.

[2]Gorissen B， Reynaerts D， Konishi S， et al. Elastic inflatable actuators for soft robotic applications[J].Advanced Materials，2017，29（43）：1604977-16049990.

[3]Connolly F， Polygerinos P， Walsh C J， et al. Mechanical programming of soft actuators by varying fiber angle[J].Soft Robot，2017，2（1）：26-32.

[4]Hawkes E W， Blumenschein L H， Greer J D， et al. A soft robot that navigates its environment through growth[J].Science Robotics，2017，2（8）：eaan3028.

[5]Miriyev A， Stack K， Lipson H. Soft material for soft actuators[J].Nature Communication，2017，8：596-603.

[6]Gong X Y， Yang K， Xie J J， et al. Rotary actuators based on pneumatically driven elastomeric structures[J].Advanced Materials，2016，28（34）：7533-7538.

[7]Chou C P， Hannaford B. Measurement and modeling of McKibben pneumatic artificial muscles[J].IEEE Trans Robotics & Automation， 1996，12（1）：90-102.

[8]Daerden F， Lefeber D. Pneumatic artificial muscles： actuators for robotics and automation[J].Eur J Mech Environ Eng， 2002，47（1）：11-21.

[9]Mullin T， Deschanel S， Bertoldi K， et al. Pattern transformation triggered by deformation[J].Physical Review Letters，2007，99（8）：084301-084304.

[10]Rogers J A， Someya T， Huang Y. Materials and mechanics for stretchable electronics[J].Science，2010，327（5973）：1603-1607.

[11]Overvelde J T B， Kloek T， D'haen， et al. Amplifying the response of soft actuators by harnessing snap-through instabilities[J].Proceedings of the National Academy of Sciences， 2015， 112（35）：10863-10868.