本文介绍了一项关于蛇形机器人肌肉驱动运动机制的研究，由Marcela Lopez和Mahdi Haghshenas-Jaryani共同完成，发表于2022年的《Automation》期刊。该研究结合了刚性和软体机器人的优势，提出了一种基于气动人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscles, PAMs）的蛇形机器人运动机制，旨在提高蛇形机器人在复杂环境中的运动性能。

研究背景与动机

随着自主机器人在非结构化环境中应用需求的增加，传统的轮式和履带式机器人面临诸多挑战，尤其是在狭窄、复杂的环境中。蛇形机器人因其高冗余度、高适应性和小截面等优势，逐渐成为研究热点。然而，现有的蛇形机器人通常依赖刚性关节和电机驱动，存在能耗高、负载能力低等问题。近年来，软体机器人技术的发展为解决这些问题提供了新的思路。气动人工肌肉（PAMs）作为一种高效、轻量化的软体驱动器，具有高功率重量比和力体积比，能够模拟生物肌肉的收缩和伸展行为，因此在机器人领域得到了广泛应用。

研究目标

本研究旨在设计一种基于气动人工肌肉的蛇形机器人运动机制，通过交替激活气动肌肉来驱动关节旋转，从而实现蛇形机器人的平面运动。研究的目标包括： 1. 设计并制造一种基于气动人工肌肉的六连杆蛇形机器人原型。 2. 通过实验和理论分析，建立气动人工肌肉的力-长度-压力关系模型。 3. 对肌肉驱动机制进行运动学和动力学表征，验证其在实际应用中的可行性。

研究方法与流程

研究分为以下几个步骤： 1. 设计与原型制造：设计了一种六连杆蛇形机器人，每个关节由一对气动人工肌肉驱动。通过3D打印技术制造了机器人原型，并开发了气动控制系统。 2. 气动人工肌肉的实验表征：通过等长收缩（isometric）和等张收缩（isotonic）实验，测量了气动人工肌肉在不同压力下的力和长度变化，建立了力-长度-压力的预测模型。 3. 运动学与动力学分析：基于实验数据，建立了肌肉驱动机制的运动学和动力学模型，分析了关节角度、力矩和运动轨迹之间的关系。 4. 原型测试：对六连杆蛇形机器人进行了简单的直线运动测试，验证了肌肉驱动机制的可行性。

主要结果

1. 气动人工肌肉的力-长度-压力关系：实验结果表明，气动人工肌肉在0到200 kPa的压力范围内，长度收缩率可达25%，生成的力与压力呈线性关系。建立的预测模型能够较好地描述气动肌肉的力-长度-压力关系，误差在7.3%以内。
2. 关节角度与力矩：实验测得关节角度在±30°范围内变化，生成的力矩在0.033到0.22 N·m之间。尽管力矩较小，但由于机器人模块重量轻（每个模块约90克），其力矩重量比与传统蛇形机器人相当。
3. 能量消耗效率：肌肉驱动蛇形机器人的能量消耗效率为1.56ῡ，其中ῡ为平均前进速度。与传统蛇形机器人相比，能量效率提高了1.5倍。

结论与意义

本研究成功设计并验证了一种基于气动人工肌肉的蛇形机器人运动机制。通过结合刚性和软体机器人的优势，该机制在能耗效率和运动性能上表现出显著优势。研究结果为未来蛇形机器人在复杂环境中的应用提供了新的思路，尤其是在需要高适应性和低能耗的场景中，如搜救、空间探索和农业等领域。

研究亮点

1. 创新性驱动机制：首次将气动人工肌肉应用于蛇形机器人，提出了一种新型的肌肉驱动运动机制。
2. 高效能量利用：与传统电机驱动相比，气动人工肌肉显著降低了能量消耗，提高了机器人的续航能力。
3. 轻量化设计：通过3D打印技术制造的机器人模块重量轻，力矩重量比与传统蛇形机器人相当。

未来展望

未来的研究可以进一步优化气动人工肌肉的设计，提高其力和力矩输出，同时探索更复杂的运动控制算法，以实现蛇形机器人在更复杂环境中的自主导航和操作。此外，该机制还可以扩展到其他类型的软体机器人中，推动软体机器人技术的发展。