一种用于可穿戴外骨骼的模块化3D打印骨骼-肌肉集成执行器

《Sensors and Actuators B: Chemical》：A modular 3D-printed bone-muscle integrated actuator for wearable exoskeletons

本文提出一种基于3D打印的新型骨-肌集成执行器（BMIA），采用TPU材料一体化成型复杂腔体与框架结构，通过气动驱动实现灵活关节运动。实验表明，BMIA在100kPa气压下可实现60N输出力及74.8%的肌肉活动减少，具有模块化设计，适用于外骨骼和仿人机器人关节驱动。

　　软体执行器在仿生关节驱动和外骨骼系统中的人机交互安全性方面具有显著优势。尽管已有多种柔性执行器被开发出来，如人工肌肉和缆线驱动机构，但大多数仍依赖于刚性关节框架，这在很大程度上限制了整体的灵活性和适应性。为了解决这一问题，本文提出了一种基于3D打印技术的新型骨-肌肉一体化执行器（BMIA）。该执行器采用热塑性聚氨酯（TPU）进行复杂腔体与框架的集成式模具设计，并通过气动驱动实现关节的柔性运动。在100 kPa的气压下，执行器能够实现较大的弯曲角度和60 N的输出力。此外，BMIA设计具有模块化特性，可以灵活配置以适应外骨骼和仿人机器人中各种关节的应用需求。

为了评估其性能，我们使用BMIA及其组合进行了肘部辅助实验。实验结果表明，在肘部屈曲过程中，肌肉活动减少了74.8%，这为康复治疗和日常活动提供了有效的支持。本文的研究成果表明，BMIA不仅在结构设计上具有创新性，而且在实际应用中表现出良好的性能，特别是在提高人体运动辅助的灵活性和适应性方面。这种一体化设计使得执行器能够在没有外部限制框架的情况下工作，从而确保了足够的驱动力。同时，BMIA采用了包裹式结构设计，能够更好地适应人体关节，使其在运动过程中更好地贴合关节的角度变化。

本文提出的BMIA执行器结合了刚性框架和柔性人工肌肉的优点，通过单材料3D打印技术实现了集成设计。其结构设计如图2所示，整体外观呈圆柱形弯曲，能够包裹人体关节，提高人机适应性。内部横截面由多个可变形腔体组成，这些腔体的变形高度较小，从而使得执行器在气压作用下实现弯曲运动。在制造过程中，BMIA采用FDM（熔融沉积成型）3D打印技术，并使用Bambu P1S设备进行打印。为了确保执行器的气密性，其内部结构为空心，不包含支撑结构。因此，在打印过程中，我们将执行器横向放置，以减少外部支撑的需求，同时保持内部结构的完整性。

为了评估BMIA的驱动性能，我们进行了三个实验：（i）弯曲变形实验，（ii）低气压下的支撑性能实验，（iii）负载性能实验。实验平台如图7所示，通过IMU传感器测量执行器的弯曲角度，使用压力传感器测量驱动气压。所有传感器信号传输至工业计算机，进行实时数据采集和分析。实验结果表明，BMIA在较低气压下能够实现较大的弯曲角度，并且具有良好的负载能力。此外，BMIA的模块化设计使其能够适应不同关节的形状需求，多个执行器也可以组合使用，以满足更高自由度或更大输出力的要求。

在实际应用方面，我们构建了一个基于BMIA的可穿戴肘部外骨骼系统，并进行了辅助性能实验。实验中，BMIA直接作为肘部外骨骼的驱动机构，无需外部框架辅助使用者的运动。可穿戴系统的示意图如图12所示。在实验过程中，肘部关节以恒定速度从0°移动到120°，整个过程持续6秒。通过两个IMU传感器对运动过程进行监测，实验结果表明BMIA在肘部辅助过程中能够有效降低肌肉活动，提高运动的舒适性和安全性。这表明BMIA不仅适用于康复治疗，也能够广泛应用于日常活动辅助和仿人机器人领域。

BMIA的提出为软体执行器的设计和制造提供了一种新的思路。传统的软体执行器往往需要外部框架来限制变形方向并提高驱动力，这导致结构复杂且整体稳定性难以保证。而BMIA通过将可变形腔体与多段框架结构集成设计，使得执行器能够在保持灵活性的同时提供足够的支撑力。这种一体化设计不仅简化了制造过程，还提高了系统的可靠性和适应性。此外，BMIA的模块化特性使其能够灵活调整以适应不同类型的关节，为未来的个性化外骨骼系统和机器人应用提供了可能性。

在研究过程中，我们采用了有限元方法（FEM）对BMIA进行建模和仿真，以优化其设计参数并提高其驱动性能。仿真结果与实验数据高度一致，验证了BMIA在低气压下能够实现较大的弯曲角度和输出力。同时，BMIA的制造过程也进行了详细分析，包括3D打印的工艺参数和材料选择。通过合理的参数设置，我们确保了执行器在打印过程中能够保持结构的完整性和气密性，从而提高了其在实际应用中的可行性。

总的来说，BMIA的提出为软体执行器的发展提供了一个新的方向。通过单材料3D打印技术，我们实现了刚性框架与柔性人工肌肉的集成设计，使得执行器在保持灵活性的同时具备足够的支撑力。这一设计不仅提高了执行器的性能，还简化了制造流程，降低了成本，为未来的外骨骼系统和仿人机器人提供了更加高效和可靠的解决方案。BMIA的应用前景广阔，不仅可以用于康复治疗，还可以扩展到日常活动辅助和工业自动化领域，为人类提供更加自然和舒适的运动支持。