SMA人工肌肉模塊的熱力學分析及力位特性研究

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(中國科學技術大學精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230026)

0 引言

骨骼肌是人體運動系統的動力部分，具有致動、力位自感知、爆發和儲能等功能[1]。近些年來，不同類型的驅動器也相應被提出并被驗證其充當“人工肌肉”的可行性，包括傳統的驅動器裝置，如電動機[2]、液壓執行器[3- 4]、氣壓執行器[5- 7]和智能材料，如電活性聚合物[8- 9]、壓電、磁致伸縮合金和形狀記憶合金(SMA)。相比于其他驅動器而言，SMA具有能量密度高、承載能力強、響應快、無聲操作、靈活且具有自感知能力的優點，更接近于真實肌肉的特性[10]，而且啟動簡單，只需通過低電壓加熱使其產生相變便可實現力和位移的輸出[11]。

依據骨骼肌的組成原理，設計出一種新型SMA人工肌肉。該人工肌肉由若干個(假設數量為m)單人工肌肉模塊串聯而成，相當于骨骼肌中的肌節。每個單人工肌肉模塊外部都由硅膠包裹起到保護和維持作用，相當于肌膜結蹄組織。在單人工肌肉模塊中，又由若干(假設數量為n)SMA絲并聯而成，相當于骨骼肌中并聯的肌纖維或肌束。與骨骼肌類似，m決定了人工肌肉位移輸出能力，n決定了人工肌肉的輸出力。基于此，提出了一種力位混合控制策略，通過m和n的任意組合，便可以得到不同的力位輸出，顯然m和n越大，力位輸出情況就越多(m×n種)。在此，設計了一款人工肌肉的演示樣本(m和n均為4)，對其開展了熱力學分析及力位輸出特性研究，并將其應用到仿生腳踝中對其驅動性能進行了驗證。

1 單個人工肌肉模塊的設計及制作

每個人工肌肉模塊中包含一個人工肌肉骨架，該骨架是整個肌肉模塊驅動的核心部件，由4路共8根SMA絲并聯固定到兩端固定板上而成，如圖1所示。

圖1 人工肌肉模塊制作流程

4路SMA共用一個接地端，每路都可單獨控制，故可產生4種不同的輸出力。把制作好的人工肌肉骨架放入采用3D打印技術制成的澆注模具中；再將液態硅膠混合物(Ecoflex A料與B料質量比為1∶1)澆注到模具中，值得注意的是在液態硅膠混合物澆筑前后都需放入真空泵中抽離氣泡；室溫下固化2小時后取出，便可得到已經成型的人工肌肉模塊。

本文中之所以采用Ecoflex硅膠作為柔性材料，是由于Ecoflex無毒無色，液態時流動性好、兼容性強且固化后具有良好的彈性、耐熱性及防水性，完全可以起到保護和支持的作用。設計中使用的SMA絲由美國DYNALLOY公司生產，相變溫度約90 ℃，直徑為0.15 mm。SMA絲的部分參數和人工肌肉模塊的主要尺寸如表1所示。

表1 SMA絲主要參數及人工肌肉模塊尺寸

2 人工肌肉模塊熱力學分析

對于溫度誘導相變的SMA絲而言，其驅動原理是靠電流加熱使其自身溫度改變從而完成馬氏體相與奧氏體相之間的相互轉換，最終實現力與位移的輸出。為了分析整個驅動過程中的熱量傳遞情況及長時間工作造成的熱積累現象，基于COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件對單個的人工肌肉模塊進行了熱仿真實驗。在仿真實驗中，設置的加熱電流是1.2 A，工作頻率為1 Hz，每個周期中加熱時間為300 ms，仿真結果如圖2所示。

圖2 熱仿真實驗結果

圖2a展示的是仿真環境中的人工肌肉模型，圖2b表示的是截面X-X不同時刻的溫度分布云圖，通過云圖可以明顯地看出1個周期內的熱傳遞情況。主要表現為：在加熱階段SMA絲及周邊溫度逐漸升高，在冷卻階段溫度不再上升但以SMA絲為熱源向外呈輻射狀傳遞熱量。并且由于每個周期冷卻階段總會有部分殘余熱量來不及散掉，經過若干工作周期后會有熱量的積累現象。若熱積累嚴重將會使SMA絲進入疲勞狀態導致人工肌肉無法正常工作。為了更加直觀地顯示熱積累現象，在SMA絲附近取了一采樣點P，并將其在15個工作周期內的溫度實時記錄，如圖2c所示。通過P點的實時溫度曲線，可以很容易地看出，每個周期內的加熱過程溫度升高，冷卻過程溫度下降，但隨著時間的推移，其整體溫度呈現上升的趨勢。

由于熱積累現象的存在，合理安排1個工作周期中加熱與冷卻時間顯得尤為重要。在之前的研究成果中[12- 13]，提出并驗證了一種基于電阻自反饋的自適應加熱策略，其工作原理可簡單地描述為：通過實時獲得SMA絲在相變過程中的電阻值，來確定其相變狀態，進一步控制加熱電流的通斷,實現加熱時間與冷卻時間之間的最優分配，從而有效地抑制熱積累現象。該加熱策略使SMA絲具有了如真實肌肉相似的自感知與反饋能力。

3 力位輸出特性實驗

3.1 位移輸出能力測試

對人工肌肉模塊進行了位移輸出能力的測試。在實驗中采用的加熱電流為1.2 A，加熱時間持續300 ms。圖3給出了5次實驗的結果。由圖3可知，5次試驗結果較為接近，人工肌肉模塊的輸出位移大約為4 mm，由于其有效作用長度為80 mm，所以人工肌肉的形變大約在5%。這與利用儀器DMTAQ800測得的SMA絲DMA曲線中的形變量一致。

圖3 SMA絲位移輸出測試

3.2 位移與靜負載關系測試

為了確定人工肌肉的帶載能力，對其輸出位移與靜負載關系進行了實驗探究。實驗裝置原理如圖4所示，通過STM32控制器發送控制信號給外圍開關電路，控制加熱或冷卻，同時采集電阻反饋信號。利用精度為0.001 mm的激光位移傳感器測量SMA的收縮位移，并將測得的數據傳送到數據采集卡(PCI- 1741U)進行處理。

實驗測得的單根SMA絲輸出位移/形變與靜負載關系曲線如圖5所示。由實驗結果可知，在外界靜負載小于12 N時，單根SMA絲的位移輸出為4 mm左右即形變量在5%左右，與位移輸出能力實驗中結果一致，這段負載區域為單根SMA絲的有效工作區域。但是當外界負載大于12 N時，SMA絲的位移輸出能力急速下降，并且由于外界的大負載作用，SMA絲在運作后無法恢復到原長，此段負載明顯超出單根SMA絲的承受能力，為過載區域。所以，對人工肌肉中所使用的單根SMA絲而言，其可承受的最大負載為12 N左右。

圖4 實驗裝置示意

圖5 位移/應變與負載關系曲線

3.3 力位分階輸出實驗

由之前的實驗得知，每個人工肌肉模塊輸出位移為4 mm左右，人工肌肉模塊中每根SMA絲可承受負載約為12 N。將4組人工肌肉模塊串聯制成人工肌肉樣機，控制人工肌肉模塊工作的數量使其輸出不同的位移，控制每個肌肉模塊中SMA絲的工作數量使其具有不同的帶載能力，實驗結果如圖6所示。由圖6可以看出，每條位移- 負載曲線都與前面測得的1根SMA絲的位移- 負載曲線類似，并且有明顯的位移或力的疊加現象，即可實現力與位移的分階可控輸出。

圖6 力位分階輸出實驗結果

4 仿生腳踝實驗

為了驗證人工肌肉的性能，將其應用到單自由度的仿生腳踝中。由于真實腳踝的運動分為向上背屈與向下跖屈，所以將人工肌肉分列到腳踝關節2側以實現跖屈與背屈2種運動，如圖7a所示。對仿生腳踝的運動角度與輸出力進行了相關實驗研究，實驗裝置如圖7b所示。

圖7 仿生腳踝原理及實驗裝置

4.1 仿生腳踝運動角度實驗

利用歐姆龍公司型號為E6B2- CWZ1X，分辨率為1 000 P/R的旋轉編碼器對仿生腳踝的輸出角度進行測量。實驗結果如圖8所示，仿生腳踝的輸出角度分階可控，在人工肌肉模塊工作個數為1,2,3,4時，所對應的背屈運動角度分別為8.3°，14.4°，22.0°和30.4°，跖屈角度分別為7.8°，15.9°，24.8°和31.9°。背屈角度比跖屈角度要小一些，這可能是因為背屈運動需要克服腳板的重力造成的。

圖8 仿生腳踝運動角度

4.2 仿生腳踝輸出力矩實驗

輸出力矩實驗分2種實驗條件進行，一種是測量仿生腳踝的爆發力輸出，實驗條件是通過大電壓短時加熱，加熱電壓為40 V，加熱時間為50 ms；另一種是測量仿生腳踝的正常輸出力，實驗條件是加熱電壓14 V，加熱時間300 ms。利用JLBS- M2拉壓力傳感器對仿生腳踝輸出力進行測量。實驗結果如圖9a和圖9b所示，仿生腳踝的爆發力和非爆發力都可以分階可控輸出，在人工肌肉模塊中SMA絲工作個數分別為1,2,3,4時，所對應的爆發力矩輸出分別為 4.6 N·m，9.27 N·m，12.11 N·m和16.18 N·m，非爆發力矩輸出分別為0.59 N·m，0.74 N·m，0.92 N·m和1.09 N·m。

圖9 仿生腳踝輸出力矩

5 結束語

根據骨骼肌的組成原理，設計了一種基于SMA的人工肌肉，并對人工肌肉模塊進行了熱力學仿真，分析了電加熱過程中的熱量傳遞情況與存在的熱積累現象。根據人工肌肉模塊的組成特點，提出了一種力位混合控制策略，實驗表明該控制策略可實現人工肌肉力與位移的分階可控輸出。人工肌肉在仿生腳踝中表現出良好的驅動效果，并且仿生腳踝的輸出角度與輸出力可以實現分階可控。該人工肌肉不僅運動機理與真實的骨骼肌相似，而且簡化了SMA絲的控制，僅通過控制各根SMA絲的通斷便可實現力位的多種組合形式。但是如何將人工肌肉小巧化，如采用折疊的形式減少縱向尺寸，如何應用在各式各樣的柔性機器人中等，這些將是未來的研究內容和工作。