SMA人工肌肉柔性仿人靈巧手的設(shè)計與實驗研究.pdf

1、機(jī)械手作為機(jī)器人的末端執(zhí)行裝置，一直是機(jī)器人領(lǐng)域研究熱點之一。隨著應(yīng)用需求的提升和新材料與新工藝的興起，柔性仿人靈巧手漸漸得到科研工作者的青睞。相對于傳統(tǒng)機(jī)械手而言，柔性靈巧手采用了柔性材料制作其支撐及包裹組織，并利用新型智能驅(qū)動材料模擬人肌肉的運(yùn)動，因此柔性靈巧手更加輕巧、美觀、安全和靈活。
　　本文依照人手仿生學(xué)原理，采用形狀記憶合金絲作為人工肌肉設(shè)計和制作了一款外形具有高仿真性、動作具有高逼真性且工作穩(wěn)定、壽命長、成本低的柔

2、性仿人靈巧手系統(tǒng)，開展的主要研究和取得的成果如下:
　　(1)柔性仿人靈巧手的仿生學(xué)研究及其結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過對人手形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)的仿生學(xué)研究，獲取人手的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)及肌肉的分布形態(tài)，為柔性手指驅(qū)動器和仿人靈巧手的設(shè)計提供仿生依據(jù)。通過手指力學(xué)特性測試，獲取手指敲擊特征參數(shù)（如敲擊力頻率、幅度與敲擊力之間的關(guān)系），初步得到手指敲擊的仿生學(xué)機(jī)制，為建立柔性手指實現(xiàn)“敲擊”動作的脈沖電熱控制算法提供基本參數(shù)指標(biāo)。以SMA絲作為驅(qū)動材料，通

3、過仿生學(xué)研究獲取的手指結(jié)構(gòu)、彎曲特征及力學(xué)參數(shù)，采用肌肉-筋腱-皮膚的結(jié)構(gòu)形式，并基于柔性澆筑和柔性粘貼工藝，設(shè)計制作了柔性手指驅(qū)動器及柔性仿人靈巧手。設(shè)計制作了一套集成有STM32控制器、MOS管開關(guān)電路及藍(lán)牙通訊模塊的集成電路板，實現(xiàn)控制系統(tǒng)與硬件電路的高度集成。
　　(2)柔性手指驅(qū)動模塊運(yùn)動學(xué)及熱力學(xué)的建模與仿真。基于SMA相變動力學(xué)建立柔性手指驅(qū)動器的運(yùn)動學(xué)模型，并通過MATLAB/Simulink仿真分析SMA絲數(shù)量、

4、驅(qū)動層與恢復(fù)層距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)對于手指彎曲性能的影響，以確定最佳參數(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用COMSOL Multiphysics對手指柔性驅(qū)動器進(jìn)行熱力學(xué)建模與仿真，分析了SMA絲工作過程中的熱量傳遞狀況及熱積累現(xiàn)象，并對比了不同材料彈性板的散熱性能，結(jié)果表明彈簧鋼散熱效果最佳，故新型手指驅(qū)動器中采用彈簧鋼作為恢復(fù)層彈性板;針對實驗室之前提出的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，通過熱場與流場耦合建模結(jié)合相關(guān)實驗驗證了該冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。
　　(3)柔性

5、仿人靈巧手的性能測試及相關(guān)控制策略。對仿人靈巧手的性能進(jìn)行了測試，主要包括手指彎曲性能與參數(shù)d的關(guān)系探究、手指響應(yīng)時間測試、手指敲擊性能測試、手指驅(qū)動器工作壽命測試以及靈巧手高仿手勢、敲擊動作、握手互動等實驗。在實驗室之前SMA電阻自反饋控制算法的基礎(chǔ)上，加入PD控制，實現(xiàn)手指狀態(tài)的長時間保持，為靈巧手抓握物體提供了保障;開發(fā)出手勢識別界面，基于計算機(jī)視覺完成了靈巧手簡單的交互控制;將柔性仿人靈巧手與Kinova機(jī)械臂相配合，基于Tob