一種基于記憶合金彈簧的人工肌肉結構的設計

伍才隆

摘 要：為了克服傳統SMA彈簧在溫變條件下的較窄的相變滯后，影響動作機構的實時響應。本文綜述了熱效應下SMA彈簧形變基本理論﹑提出一種新型人工肌肉的結構設計方法，對該結構在仿生手領域的應用進行了初步的探索。

關鍵詞：SMA彈簧;人工肌肉;仿生手

1.引言

在工業化極大發展的今天，改造客觀世界的需要，人類對于安全從事復雜和危險工作的需要，制造仿真肢體去完成各種運動操作。傳統的機械手基本上都采取剛性結構，對于需要完成復雜運動軌跡的仿真肢體傳統的剛性結構已經不適用了。隨著社會的發展和人們對于美好生活的向往，仿真肢體結構在醫學、生活服務、勘探、工業生產等領域得到廣泛應用。本文介紹了熱效應下SMA彈簧形變基本理論，提出了一種基于SMA彈簧形變人工肌肉結構設計及在仿真手領域應用效果及前景。

2.SMA彈簧形變基本理論與人工肌肉的設計

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

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

根據SMA的特殊性質將其制作成螺旋彈簧陣列構成人工肌肉該結構如圖1所示

該結構根據清華大學的研究[2]其變形回復速度受SMA彈簧冷卻速度的影響。故要提高這種基于SMA彈簧驅動器陣列構成人工肌肉[3]的響應速度應該從加熱及冷卻速度著手。由于半導體的湯姆遜效應、傅立葉效應、焦耳效應、塞貝克效應和帕爾帖效應使得載流子從一種半導體材料遷移到不同勢能的半導體材料時在結合處將出現能量交換。根據公式（3）可知半導體制冷最大溫差由材料的溫差電動勢率α、電導率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）計算。

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

所以通過控制通過半導體制冷塊的電流大小可控制SMA彈簧驅動器的響應速度。故改進型SMA彈簧驅動器結構如圖2所示。

該結構外套筒為螺旋柔性大間隙鎧裝結構，內部填裝絕緣液體，以加強冷卻效果。

3. 基于改進型人工肌肉在仿真手中的應用

根據人體解剖學可知人手的運動與淺筋膜、深筋膜、肌腱、肌肉群等運動收縮擴張有關。根據中國科學技術大學的研究手指骨結構可以得到仿生指骨結構[4]如圖3所示

在仿生手指蒙皮下植入半導體半導體制冷片明顯能SMA彈簧驅動器構造的人工指骨關節的響應速度得到提升。將改進型人工肌肉模塊應用于人工手臂肌群的構造即將使得仿生手臂的響應速度、輸出位移、力的大小得到明顯的提升。

4. 結論

由于半導體制冷片有無噪聲、運行平穩、使用壽命長等特點將其與SMA彈簧驅動器相結合使得仿生肌肉及其結構的具有不錯的發展前景，但是該技術還不夠理想。要達到比較好的仿生效果還要在其結構設計，運動控制理論等方面進一步探索和實踐使該技術滿足產業化的要求。

參考文獻

[1]許洪偉，費燕瓊，朱宇航，王緒.形狀記憶合金（SMA）彈簧驅動器的形變研究[J].高技術通訊，2017，27（6）;554--558..

[2]王金輝，徐峰，閻紹澤，溫詩鑄.SMA彈簧驅動器驅動機理及實驗[J].清華大學學報（自然科學版），2003，43（2）;188--191.

[3]應申舜，秦現生，汪文旦，王戰璽.基于形狀記憶合金彈簧陣列的人工肌肉設計與研究[J].中國機械工程，2008，19（15）;1782--1785.

[4]楊浩.基于形狀記憶合金彈簧的柔性驅動模塊的設計與控制研究[ D].合肥：中國科學技術大學博士學位論文，2019.