SMA人工肌肉柔性仿人靈巧手的設計與實驗研究.pdf

1、機械手作為機器人的末端執(zhí)行裝置，一直是機器人領域研究熱點之一。隨著應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，并利用新型智能驅動材料模擬人肌肉的運動，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原理，采用形狀記憶合金絲作為人工肌肉設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研究及其結構設計。通過對人手形態(tài)學、解剖學的仿生學研究，獲取人手的關鍵結構參數及肌肉的分布形態(tài)，為柔性手指驅動器和仿人靈巧手的設計提供仿生依據。通過手指力學特性測試，獲取手指敲擊特征參數（如敲擊力頻率、幅度與敲擊力之間的關系），初步得到手指敲擊的仿生學機制，為建立柔性手指實現“敲擊”動作的脈沖電熱控制算法提供基本參數指標。以SMA絲作為驅動材料，通

3、過仿生學研究獲取的手指結構、彎曲特征及力學參數，采用肌肉-筋腱-皮膚的結構形式，并基于柔性澆筑和柔性粘貼工藝，設計制作了柔性手指驅動器及柔性仿人靈巧手。設計制作了一套集成有STM32控制器、MOS管開關電路及藍牙通訊模塊的集成電路板，實現控制系統(tǒng)與硬件電路的高度集成。
　　(2)柔性手指驅動模塊運動學及熱力學的建模與仿真?；赟MA相變動力學建立柔性手指驅動器的運動學模型，并通過MATLAB/Simulink仿真分析SMA絲數量、

4、驅動層與恢復層距離等結構參數對于手指彎曲性能的影響，以確定最佳參數優(yōu)化結構設計。利用COMSOL Multiphysics對手指柔性驅動器進行熱力學建模與仿真，分析了SMA絲工作過程中的熱量傳遞狀況及熱積累現象，并對比了不同材料彈性板的散熱性能，結果表明彈簧鋼散熱效果最佳，故新型手指驅動器中采用彈簧鋼作為恢復層彈性板;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合相關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控制策略。對仿人靈巧手的性能進行了測試，主要包括手指彎曲性能與參數d的關系探究、手指響應時間測試、手指敲擊性能測試、手指驅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上，加入PD控制，實現手指狀態(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機械臂相配合，基于Tob