SMA人工肌肉柔性仿人灵巧手的设计与实验研究

摘要

机械手作为机器人的末端执行装置，一直是机器人领域研究热点之一。随着应用需求的提升和新材料与新工艺的兴起，柔性仿人灵巧手渐渐得到科研工作者的青睐。相对于传统机械手而言，柔性灵巧手采用了柔性材料制作其支撑及包裹组织，并利用新型智能驱动材料模拟人肌肉的运动，因此柔性灵巧手更加轻巧、美观、安全和灵活。
　　本文依照人手仿生学原理，采用形状记忆合金丝作为人工肌肉设计和制作了一款外形具有高仿真性、动作具有高逼真性且工作稳定、寿命长、成本低的柔性仿人灵巧手系统，开展的主要研究和取得的成果如下:
　　(1)柔性仿人灵巧手的仿生学研究及其结构设计。通过对人手形态学、解剖学的仿生学研究，获取人手的关键结构参数及肌肉的分布形态，为柔性手指驱动器和仿人灵巧手的设计提供仿生依据。通过手指力学特性测试，获取手指敲击特征参数（如敲击力频率、幅度与敲击力之间的关系），初步得到手指敲击的仿生学机制，为建立柔性手指实现“敲击”动作的脉冲电热控制算法提供基本参数指标。以SMA丝作为驱动材料，通过仿生学研究获取的手指结构、弯曲特征及力学参数，采用肌肉-筋腱-皮肤的结构形式，并基于柔性浇筑和柔性粘贴工艺，设计制作了柔性手指驱动器及柔性仿人灵巧手。设计制作了一套集成有STM32控制器、MOS管开关电路及蓝牙通讯模块的集成电路板，实现控制系统与硬件电路的高度集成。
　　(2)柔性手指驱动模块运动学及热力学的建模与仿真。基于SMA相变动力学建立柔性手指驱动器的运动学模型，并通过MATLAB/Simulink仿真分析SMA丝数量、驱动层与恢复层距离等结构参数对于手指弯曲性能的影响，以确定最佳参数优化结构设计。利用COMSOL Multiphysics对手指柔性驱动器进行热力学建模与仿真，分析了SMA丝工作过程中的热量传递状况及热积累现象，并对比了不同材料弹性板的散热性能，结果表明弹簧钢散热效果最佳，故新型手指驱动器中采用弹簧钢作为恢复层弹性板;针对实验室之前提出的水循环冷却系统，通过热场与流场耦合建模结合相关实验验证了该冷却系统的冷却效果。
　　(3)柔性仿人灵巧手的性能测试及相关控制策略。对仿人灵巧手的性能进行了测试，主要包括手指弯曲性能与参数d的关系探究、手指响应时间测试、手指敲击性能测试、手指驱动器工作寿命测试以及灵巧手高仿手势、敲击动作、握手互动等实验。在实验室之前SMA电阻自反馈控制算法的基础上，加入PD控制，实现手指状态的长时间保持，为灵巧手抓握物体提供了保障;开发出手势识别界面，基于计算机视觉完成了灵巧手简单的交互控制;将柔性仿人灵巧手与Kinova机械臂相配合，基于Tobii眼动仪系统实现对机械臂运动的交互控制。
　　(4)仿人灵巧手力/位性能优化方案。针对柔性灵巧手力/位输出不易控制的现状，依据人体骨骼肌的组成原理，提出了直线式人工肌肉矩阵的设想。对该方案进行了相关实验验证，结果表明人工肌肉矩阵的力位输出存在着明显的位移与力的叠加输出现象，这也证明了人工肌肉矩阵的有效性即可以独立且可控地实现力/位移的分阶输出。最后在此基础上建立了相应的矩阵控制策略。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 仿人灵巧手国内外研究现状

1．2．1 仿人灵巧手概述

1．2．2 电机驱动型

1．2．3 气压／液压驱动型

1．2．4 功能材料驱动型

1．3 人工肌肉国内外研究现状

1．4 论文研究内容与组织结构

第二章 仿人灵巧手的结构设计及制作

2．2．1 手的形态学仿生研究

2．2．2 手的敲击动作仿生研究

2．3 柔性手指驱动模块的仿生设计与制作

2．3．1 柔性手指驱动器的结构设计

2．3．2 柔性手指驱动器的制作工艺

2．4 仿人灵巧手的一体化设计

2．4．1 灵巧手的结构一体化

2．4．2 灵巧手控制系统及外围电路集成

2．5 本章小结

第三章 柔性手指驱动模块理论建模与仿真

3．1 引言

3．2 柔性手指驱动器材料特性分析

3．2．1 所用材料特性及相关参数

3．2．2 SMA相变机理介绍

3．2．3 SMA电阻特性分析

3．2．4 SMA相关性能测试

3．3 柔性手指驱动器运动学建模与仿真

3．4 柔性手指驱动器热力学建模与仿真

3．5 本章小结

第四章 仿人灵巧手实验、控制及性能优化

4．2．1 柔性手指弯曲幅度测试

4．2．2 柔性手指响应时间测试

4．2．3 柔性手指敲击性能测试

4．2．4 柔性手指疲劳测试

4．3 仿人灵巧手的实验分析

4．3．1 类人手势

4．3．2 敲击键盘动作

4．3．3 握手互动

4．4 仿人灵巧手相关控制策略

4．4．1 SMA电阻自反馈与PD控制策略

4．4．2 仿人灵巧手的交互控制

4．4．3 基于眼动仪系统的手-臂联动控制策略

4．5 仿人灵巧手力／位性能优化方案

4．5．1 人工肌肉矩阵灵感来源

4．5．2 人工肌肉矩阵力位输出实验

4．5．3 人工肌肉矩阵控制策略

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢