基于SMA材料驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人研究

曲皇屹

摘 要：軟體機(jī)器人是由軟體材料制成的新型機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)柔韌度高、方便靈活的特點(diǎn)。本文介紹了SMA驅(qū)動(dòng)的軟件機(jī)器人的總體研究現(xiàn)狀、驅(qū)動(dòng)原理及模型，構(gòu)建了一個(gè)具有質(zhì)軟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且智能化的軟體機(jī)器人。最后，對(duì)柔性軟體機(jī)器人發(fā)展存在的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：軟體機(jī)器人；形狀記憶合金；形變

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.129

1 引言

由于剛性機(jī)器人采用剛性硬質(zhì)材料制作而成，因此具有結(jié)構(gòu)方面上的限制，很多動(dòng)作機(jī)械化完成。國(guó)內(nèi)外很多研究者將研究重心放在了具有柔性的軟體機(jī)器人上[1]。軟體機(jī)器人因其采用大量的柔性材料，因而結(jié)構(gòu)上具有很強(qiáng)的靈活性，可以通過(guò)改變自身的形狀從而改變運(yùn)動(dòng)，形狀記憶合金具有形狀記憶和超彈性的特點(diǎn)，在低溫時(shí)呈現(xiàn)出塑性韌性較好的馬氏體，當(dāng)遇到高溫時(shí)便會(huì)變成強(qiáng)度硬度較高的奧氏體，因其具有此良好特性被大量應(yīng)用于軟體機(jī)器人的制作。國(guó)外一些人員已經(jīng)研究出了一些柔性機(jī)器人。例如，John設(shè)計(jì)出了一款軟體機(jī)械手，可以適應(yīng)物體的各種變化[2]。Robert研究出了一款仿生軟體機(jī)器人，采用氣壓驅(qū)動(dòng)可以模仿人類行走動(dòng)作[3]。針對(duì)形狀記憶合金絲伸縮范圍有限，可將其制作成彈簧，彈簧因其形狀特征可以有效的增加材料用量從而增大了彈簧伸縮量。該合金因其特殊性質(zhì)，所以是制作軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的理想材料，通過(guò)溫度變化可以改變彈簧形變驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人產(chǎn)生變形，許多軟體機(jī)器人是用SMA彈簧驅(qū)動(dòng)的。本文通過(guò)介紹SMA驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人總體研究狀況，以及了工作原理，構(gòu)建了一種柔性簡(jiǎn)潔的軟體機(jī)器人，它不僅具有柔性結(jié)構(gòu)的靈活性，而且保證了部分關(guān)節(jié)的剛度。同時(shí)具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方案的簡(jiǎn)潔性。最后嘗試對(duì)軟體機(jī)器人未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2 SMA驅(qū)動(dòng)原理及模型

2.1 驅(qū)動(dòng)原理

SMA驅(qū)動(dòng)原理為：當(dāng)SMA正在冷卻或者存在應(yīng)力載荷時(shí)，其結(jié)構(gòu)將會(huì)由高溫奧氏體轉(zhuǎn)化為低溫馬氏體，原始形狀發(fā)生改變從而產(chǎn)生變形和位移。受熱時(shí)，便又會(huì)消除低溫下產(chǎn)生的變形，恢復(fù)原始形狀，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)彈簧并產(chǎn)生位移，如圖1所示。馬氏體相變僅在溫度較低時(shí)發(fā)生，當(dāng)溫度較高時(shí)發(fā)生逆相變。利用該原理，可以制作軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。

2.2 驅(qū)動(dòng)模型

記憶合金變形時(shí)遵循Clausius-Clapeyron方程：

根據(jù)方程可知，應(yīng)力對(duì)溫度的變化率為一常數(shù)，應(yīng)力對(duì)溫度的高階導(dǎo)數(shù)為0，即：

聯(lián)立上式，可得：

設(shè)為切應(yīng)變，表示溫度，和為待定參數(shù)，根據(jù)彈簧特性以及切應(yīng)力公式并參數(shù)化，當(dāng)時(shí)，的絕對(duì)值很小，由于裝置較小，對(duì)其影響微乎其微，故舍去該項(xiàng)，得合金驅(qū)動(dòng)模型為；

3 方案設(shè)計(jì)

該機(jī)器人的三維模型主要由以下部分構(gòu)成：外殼、彈簧和硅膠保護(hù)套。機(jī)器人的兩端外殼下面分別有兩只腿，同時(shí)有硅膠保護(hù)套置于腿部，一方面可以保護(hù)腿部，另一方面可以提供較大的摩擦力來(lái)保證運(yùn)動(dòng)的完成。該機(jī)器人的柔性關(guān)節(jié)采用形狀記憶合金材料驅(qū)動(dòng)，同時(shí)使用自反饋和SSMA構(gòu)建外傳感單元。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，包括高剛度彈簧、以及兩端外殼。兩組由記憶合金材料組成的驅(qū)動(dòng)線穿過(guò)彈簧和外殼，固定在組裝在外殼內(nèi)部的四個(gè)滾輪上。如果同時(shí)給兩絲加熱則機(jī)器人將會(huì)向下彎曲。如果只給其中一根加熱或者兩根受熱不均勻時(shí)則機(jī)器人將會(huì)向兩側(cè)方向擺動(dòng)。彈簧和合金絲外設(shè)有柔性材料殼體，用于保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用柔性材料可以更好的進(jìn)行仿生運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于受到生物學(xué)的啟發(fā)，仿生軟體機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)，目前軟體機(jī)器人在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，因其具有高自由度，所以靈活性很強(qiáng)，可用于野外偵察探測(cè)、應(yīng)急救援等方面，其市場(chǎng)應(yīng)用前景廣泛。但目前由于軟體機(jī)器人發(fā)展尚不成熟，還有許多問(wèn)題急需解決，首先由于軟體材料的特殊性，想要精準(zhǔn)控制其運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行是一個(gè)難點(diǎn)。其次，軟體材料的發(fā)展尚不成熟，在材料研發(fā)制造方面面臨諸多挑戰(zhàn)，因此研究新型軟體材料迫在眉睫。隨著科技的不斷進(jìn)步，將來(lái)軟體機(jī)器人將會(huì)向高集成化，多功能化，微型化，智能化趨勢(shì)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Shepherd F，Ilievski F，Choi W，etal.Multigait soft robot.Proceedings of the National Academy of Sciences.2011，108（51） 20400-20403.