论文部分内容阅读
本文主要研究嵌入式形状记忆合金驱动器的技术方法。提出了两种不同类型的软体机器人方案:一个内嵌SMA丝、具有抓取复杂物体功能的机器人夹爪和一个内嵌SMA弹簧的类似章鱼触手的机器人手臂。机器人夹爪能够模拟人类手指的动作，它的设计初衷是研究手指在抓取物体时发生的力的转换和分配机制。章鱼机器人手臂能够模拟章鱼触手的弯曲动作，它的设计目的是分析手臂在自然状态下或抓取物体时的刚度。机器人手指和手臂是由硅弹性体铸模制成。将SMA驱动器通过螺钉固定在圆柱模具的合适位置，并在室温下对模具进行硅弹性体浇铸，当硅弹性体凝固后铸件会变得柔软，可以作为人工肌肉使用。值得注意的是，SMA驱动器应当对称嵌入硅弹性体手指中，从而平衡软体机器人夹爪在抓取物体时传递的力。 另一方面，根据活章鱼的流体静力学特性及其触手上纵向和横向的肌肉分布，我们将SMA驱动器线性地嵌入章鱼机器人手臂中。利用直流电源对上述两种软体机器人进行测试。试验结果表明软体机器人夹爪能够抓取并提起各种复杂形状的物体，并且随着SMA驱动器上电压和电流的增大软体机器人夹爪上的抓取力也不断增大，主要原因是SMA驱动器的驱动力与驱动器两端的电压呈线性增大关系;内嵌两种不同形式的SMA驱动器的章鱼机器人手臂的变形量很小，主要原因是SMA驱动器在给定的电压下很快达到临界点且在该临界点只能提供非常小的驱动力。试验结果同样也显示出嵌入式和未嵌入式SMA驱动器之间的细微差别，其中的原因可能是宿体介质中的应力变化。 在上述通电加热试验中，我们观察得到SMA弹簧相较于SMA丝能够使章鱼机器人手臂产生更好的变形。因此，为了进一步研究SMA丝的变形特性，设计另一个试验:去除SMA丝两端的供电电压，将SMA丝连接至一个驱动器。该驱动器能够将电压转换为力矩并传递给SMA丝，毫无疑问，该试验能够使内嵌SMA丝的章鱼机器人手臂产生很好地弯曲变形。然而，之所以选择SMA丝而不是选择SMA弹簧或者铜线、钢丝等其他试验材料是因为SMA丝具有较高的抗拉强度、柔韧性和弹性。根据章鱼机器人手臂的弯曲变形推算出该手臂的弹性模量（杨氏模量）较小，因此机器人手臂的刚度较小，这也可能表明了一个活的章鱼触手的刚度也很小。综上所述，两种由有机硅弹性体材料制成的软体机器人不仅具有良好的化学稳定性，而且便于操作，对环境没有污染。正因为如此，这种材料也正被医院广泛使用。