天津大学提出模块化柔性驱动新方法，可用于人工肌肉和管道机器人

近年来，机器人技术在全球范围内得到了长足的发展，机器人既是先进制造业的关键支撑装备，也是改善人类生活方式的重要切入点。无论是在制造环境下应用的工业机器人，还是在非制造环境下应用的服务机器人，其研发及产业化应用是衡量一个国家科技创新、高端制造发展水平的重要标志[1]。而柔性驱动方法的研究，是机器人领域研究的热点之一。

天津大学左思洋/刘建彬课题组提出了一种基于薄膜气缸的新型模块化柔性驱动方法，并通过根据具体应用改变排列组合方式以及合理布置连接方案，将其应用于人工肌肉和管道爬行机器人中。该方法基于一次3D打印成型的制造技术，省掉了传统机电设备加工制造中的装配流程，大幅降低了驱动模块的制造成本和周期，且具备耗气量小、动态响应高、可靠性高、对应用场景适应性强等特点。

图1  薄膜气缸设计

此外，薄膜气缸采用热塑性聚氨酯材料，具备极佳的可靠性，疲劳测试表明，以该材料制造的薄膜气缸单元在作动万次以上未产生任何漏气失效现象。

 视频：薄膜气缸疲劳测试

课题组首先基于薄膜气缸驱动单元并联排列布置提出了一种新型气动人工肌肉，可应用于柔性外骨骼等人机交互装备的驱动中。与传统气动人工肌肉相比，该设计最突出的特点是不会产生厚度方向的膨胀，从而避免了对人体的挤压。测试表明，单条人工肌肉（截面1cmx1cm）最大可产生5N以上拉力，且其输出力响应频率可达100Hz以上。[2]

图2  基于薄膜气缸的新型气动人工肌肉设计理念及其应用场景

视频：基于薄膜气缸的人工肌肉驱动

此外，课题组还基于薄膜气缸驱动单元串联排列布置提出了一种新型气动管道爬行机器人，可应用于工业管道设施的检查和实时监控。该管道爬行机器人采用仿生尺蠖原理，通过巧妙布置薄膜气缸单元之间的连接，将气缸单元的伸长转化为手爪/躯干的弯曲和伸缩，从而实现机器人在管道内/外壁面爬行。柔性驱动方式的应用使该机器人能够适应大范围管道直径的变化，并可应对直管、弯管、竖管、水平管以及各种角度倾斜管应用场景。测试表明，该管道爬行机器人可承受自重80倍以上负载。[3]

图3  基于薄膜气缸的管道爬行机器人设计理念

视频：基于薄膜气缸的爬管机器人

参考文献：

[1] 工业和信息化部,国家发展改革委员会,财政部.机器人产业发展规划（2016-2020年）[M]. 北京: 2016.

[2]  Xie D, Zuo S, Liu J. A Novel Flat Modular Pneumatic Artificial Muscle[J]. Smart Materials and Structures, 2020, 29: 065013.

[3]   Xie D, Liu J, Kang R,Zuo S. Fully 3D-printed Modular Pipe-climbing Robot [J]. IEEE Robotics and Automation Letters, 2021,6(2): 462-469.

主要研究人员简介：

左思洋，博士，天津大学机械工程学院教授，博士生导师，国家青年特聘专家，国家重点研发计划项目负责人。获日本东京大学硕士、博士学位，长期从事智能诊疗一体化手术机器人研究。获MICCAI“青年科学家奖”、JSCAS协会 “论文奖（工学奖）”等多项国际学术荣誉。

刘建彬，博士，天津大学机械工程学院讲师，中国科协青年人才托举工程被托举人。获浙江大学学士、博士学位，长期从事机器人新型柔性驱动和变刚度方法研究。获上银优秀机械博士论文银奖、日内瓦国际发明展金奖、机械工业科学技术一等奖等多项学术荣誉。

解迪生，硕士研究生，天津大学机械工程学院在读。获西北工业大学士学位，从事机器人新型气动柔性驱动方法研究。获硕士研究生国家奖学金等荣誉。