一種基于記憶合金彈簧的人工肌肉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

伍才隆

摘 要：為了克服傳統(tǒng)SMA彈簧在溫變條件下的較窄的相變滯后，影響動(dòng)作機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。本文綜述了熱效應(yīng)下SMA彈簧形變基本理論﹑提出一種新型人工肌肉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對(duì)該結(jié)構(gòu)在仿生手領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探索。

關(guān)鍵詞：SMA彈簧;人工肌肉;仿生手

1.引言

在工業(yè)化極大發(fā)展的今天，改造客觀世界的需要，人類對(duì)于安全從事復(fù)雜和危險(xiǎn)工作的需要，制造仿真肢體去完成各種運(yùn)動(dòng)操作。傳統(tǒng)的機(jī)械手基本上都采取剛性結(jié)構(gòu)，對(duì)于需要完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真肢體傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)已經(jīng)不適用了。隨著社會(huì)的發(fā)展和人們對(duì)于美好生活的向往，仿真肢體結(jié)構(gòu)在醫(yī)學(xué)、生活服務(wù)、勘探、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文介紹了熱效應(yīng)下SMA彈簧形變基本理論，提出了一種基于SMA彈簧形變?nèi)斯ぜ∪饨Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及在仿真手領(lǐng)域應(yīng)用效果及前景。

2.SMA彈簧形變基本理論與人工肌肉的設(shè)計(jì)

在1963年William J.Buehler 和David S.Muzzey博士發(fā)現(xiàn)鎳鈦合金具有形狀記憶現(xiàn)象，展開了對(duì)這種具有形狀記憶效應(yīng)的合金（shape memory alloy）的研究，研究發(fā)現(xiàn)其具有形狀記憶效應(yīng)、偽彈性效應(yīng)、阻尼特性、電阻特性。由于SMA的特殊性質(zhì)將其制作成螺旋彈簧以增加其形變量，現(xiàn)在許多柔性機(jī)器人多采用SMA彈簧來作為人工肌肉。根據(jù)上海交大機(jī)器人研究所根據(jù)Clausius-Clapeyron方程和熱平衡方程推出SMA彈簧變形數(shù)學(xué)模型為[1]

P（δ，T）=A1δ+B1（T-T0）+A2δ2+B2（T-T0）δ+A3δ3+B3（T-T0）δ2 ? ? ?（1）

SMA彈簧吸熱過程的熱平衡方程為

U2/R-hAs（T-Tf）=mcdT/dt ? ? ?（2）

根據(jù)方程（1）、（2）可知道其形變量和加熱時(shí)間在12秒以內(nèi)較為合適，和獲得較大的拉力。根據(jù)清華大學(xué)在2003年的研究SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器溫升與相應(yīng)速度成正相關(guān)，變形回復(fù)速度受SMA彈簧冷卻速度的影響[2]。可見如要提高SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度、輸出位移、力的大小可以從SMA彈簧冷卻速度上著手。

根據(jù)SMA的特殊性質(zhì)將其制作成螺旋彈簧陣列構(gòu)成人工肌肉該結(jié)構(gòu)如圖1所示

該結(jié)構(gòu)根據(jù)清華大學(xué)的研究[2]其變形回復(fù)速度受SMA彈簧冷卻速度的影響。故要提高這種基于SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器陣列構(gòu)成人工肌肉[3]的響應(yīng)速度應(yīng)該從加熱及冷卻速度著手。由于半導(dǎo)體的湯姆遜效應(yīng)、傅立葉效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)使得載流子從一種半導(dǎo)體材料遷移到不同勢(shì)能的半導(dǎo)體材料時(shí)在結(jié)合處將出現(xiàn)能量交換。根據(jù)公式（3）可知半導(dǎo)體制冷最大溫差由材料的溫差電動(dòng)勢(shì)率α、電導(dǎo)率r及截面積大小決定。

（Th-Tc）max=0.5（α2r/λ）Tc ? ? ?（3）

最大溫差的大小可由公式（4）計(jì)算。

（Th-Tc）=1/k[（αp-αN）ITc-0.5I2R] ? ? ?（4）

所以通過控制通過半導(dǎo)體制冷塊的電流大小可控制SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度。故改進(jìn)型SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該結(jié)構(gòu)外套筒為螺旋柔性大間隙鎧裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填裝絕緣液體，以加強(qiáng)冷卻效果。

3. 基于改進(jìn)型人工肌肉在仿真手中的應(yīng)用

根據(jù)人體解剖學(xué)可知人手的運(yùn)動(dòng)與淺筋膜、深筋膜、肌腱、肌肉群等運(yùn)動(dòng)收縮擴(kuò)張有關(guān)。根據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究手指骨結(jié)構(gòu)可以得到仿生指骨結(jié)構(gòu)[4]如圖3所示

在仿生手指蒙皮下植入半導(dǎo)體半導(dǎo)體制冷片明顯能SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器構(gòu)造的人工指骨關(guān)節(jié)的響應(yīng)速度得到提升。將改進(jìn)型人工肌肉模塊應(yīng)用于人工手臂肌群的構(gòu)造即將使得仿生手臂的響應(yīng)速度、輸出位移、力的大小得到明顯的提升。

4. 結(jié)論

由于半導(dǎo)體制冷片有無噪聲、運(yùn)行平穩(wěn)、使用壽命長等特點(diǎn)將其與SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合使得仿生肌肉及其結(jié)構(gòu)的具有不錯(cuò)的發(fā)展前景，但是該技術(shù)還不夠理想。要達(dá)到比較好的仿生效果還要在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)控制理論等方面進(jìn)一步探索和實(shí)踐使該技術(shù)滿足產(chǎn)業(yè)化的要求。

參考文獻(xiàn)

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[2]王金輝，徐峰，閻紹澤，溫詩鑄.SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)理及實(shí)驗(yàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，43（2）;188--191.

[3]應(yīng)申舜，秦現(xiàn)生，汪文旦，王戰(zhàn)璽.基于形狀記憶合金彈簧陣列的人工肌肉設(shè)計(jì)與研究[J].中國機(jī)械工程，2008，19（15）;1782--1785.

[4]楊浩.基于形狀記憶合金彈簧的柔性驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)與控制研究[ D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文，2019.