仿象鼻肌肉组织的高灵活性柔性气动人工肌肉

【作者】 管清华； 孙健； 刘彦菊； 冷劲松；

【机构】 哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所； 哈尔滨工业大学航天学院力学系；

【摘要】 编织型气动柔性驱动器具有制作简单、稳定可靠、成本低的优势,具有较高的科研和商业应用价值。但是以往的大多数研究大多基于轴向收缩或者伸长类驱动器,这大大限制它的应用场景。而在自然界中大象、章鱼、蜥蜴等动物的鼻子、触手或者舌头不仅可以调节组织的硬度,产生简单的轴向变形,而且还能产生不同的运动和形状变化。这些复杂运动的成就依赖于在多个方向上精心排列的肌肉纤维。以大象的鼻子为例。树干的这些肌肉纤维排列成三种模式(垂直、平行、螺旋或斜向)(图1)。垂直方向与平行方向的肌肉纤维的组成的拮抗对使其能够调节自身刚度,并且平行肌纤维的非均匀激活能够使象鼻产生多种弯曲运动。此外在长轴上缠绕或倾斜的肌肉纤维的方向决定了象鼻的弯曲或扭转方向。在本研究中,在象鼻肌纤维排列的启发下,通过不同编织角的纤维套管和不同方向的加固柔性支架,实现了一系列的弯曲和螺旋型驱动器。本文将伸长型和收缩型气动人工肌肉与平行方向和螺旋方向的弹性支架分别结合,从而实现了收缩型弯曲/螺旋驱动器和伸长型弯曲/螺旋驱动器。并通过实验表征和理论分析对比了两类收缩型和伸长型驱动器的行为特性,在此基础上建立了适用于两类驱动器的静力学数学模型。更多还原