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机械设计
JOURNALOFMACHINEDESIGN 167
基于仿生学原理多自由度柔性臂的研究
陈慧萍，芮延年
(苏州大学，苏州215012)
摘要：本文通过对机械手的研究，基于仿生学原理研究设计了一种新型的气动驱动多自由度柔性臂，通过分析建立
了其力学模型和控制系统模型，为该装置的实际应用奠定了理论基础。
关键词：仿生学；柔性臂；神经网络
传统的机器人手臂运动轨迹通常是直线坐标的复合运动，
且刚性较大，有些场合需要机械臂有一定的柔度，即有一定的
自适应性。随着科学技术的进步，生产要求韵提高以及新材料、
新技术的出现，柔性臂的研究得以重视与发展，气动人工肌肉
(即橡胶驱动器)就是其中一种。
最早的气动人工肌肉是上个世纪50年代由美国原子物理
学家JosephL．Mckibben为他患有脊髓灰质炎的女儿设计出来
的。随后国外有很多公司研制出更为先进的气动人工肌肉，日
本东芝公司于80年代中期开发出一种具有三个自由度的气动
人工肌肉，结构如图1所示¨j。其外形呈管状，管内分隔成三
图2过多自由度柔性臂
个互成120。的扇形柱空腔，管壁以硅橡胶为基体，加入芳香
1·底座单元：2,4，6，8-伺服电机；5,7．三自由度人工肌肉；9．气缸
族聚酰胺脂增强纤维。改变各空腔内的气压，则可实现沿中心
轴Z方向的伸缩、任意方向的弯曲和绕Z轴扭转等三个自由 任意f个自由度有转动关节的柔性臂可以用以下的动力
度运动。 学方程描述【3】：
+厶r0．e，+F5rej (1)
矬苎斟苣圆审鉴蠖科 式中：7’——是连接所施加给f向量的扭矩；
凡l oA和∥——是f向量的角位移，角速度和角加速度：
叠‘蕊力童1未免熏纛叠 {88】、(8。}_～是向量t
图1三自由度柔性驱动器
fe81=lep2Bp3，～0d芦dll；
本课题通过研究设计了一种新型多自由度自适应柔性臂， t
18|1=18{B{，．’e去1
对其工作机理进行了研究建立了其动力学模型、运动控制方 厅reJ——是惯性力矩阵；
程，为该技术的实际应用奠定了理论基础。 BreJ——是科里奥利系数矩阵：
F3r叫——是离心力系数矩阵；
1 动力学模型 一r0，0J——是摩擦项：
氏reJ——重力对连接处的作用。
在精密仪器装配和其它一些易损伤物品的夹持过程中，有 柔性臂的运动，是二个橡胶驱动器运动的复合运动，每个
时需要柔性夹持来避免损伤。生物臂就有高度的柔顺性。本文 橡胶驱动器有三个相互独力的压力室。其运动的研究应作为一
基于访生学原理拟设计一多自由度的气动人工肌肉来替代生 个整体来研究，受力图如图3所示。设Gt=0o，户为作用在
物臂。根据生物臂的特性设计了如图2所示的装置。该装置利
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