[发明专利]一种基于SMA驱动多段刚柔耦合的柔性机械臂

说明书

本发明公开了一种基于SMA驱动多段刚柔耦合的柔性机械臂，该柔性机械臂的柔性关节是由SMA材料进行驱动的，关节结构单元由起固定连接作用的基体和实现柔性弯曲的能动段构成。本发明采用SMA驱动的刚柔耦合的柔性机械臂，通过改变SMA驱动电流和SMA丝分布柔性关节的设计，以实现柔性机械臂不同程度的弯曲变形。该设计能有效地改善柔性机械臂的弯曲变形特性，对柔性机械臂的广泛应用有着重要的意义。

技术领域

本发明主要应用到机器人领域，具体为一种基于SMA驱动的刚柔耦合机械臂。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机械臂在各行各业得到了越来越广泛的应用，尤其在智能制造、工业自动化和航空航天等领域。在传统工业领域，机械臂采用刚性关节进行驱动，能够实现末端位置和速度的高精度控制，对运动轨迹进行精确跟踪，响应速度快。但该类型机械臂存在质量体积大、输出刚性高和对未知环境的适应能力弱等缺点。然而，当机械臂逐渐应用到服务、医疗和娱乐等其他非工业领域时，机械臂末端的工作环境往往是接触性的，或者机械臂应用到危险环境探测等未知环境中时，即不能预先规划机械臂的运动轨迹等特殊要求时，柔性机械臂应运而生，具有结构紧凑、柔顺性好、较高的负载/自重比和较好的环境交互能力的优点。

随着新型弹性元件或柔性机构逐渐应用到机械臂中，出现了刚度可变或可连续调节的柔性臂。这种柔性臂的发展目标是在灵巧度和感知力上能与人类手臂相媲美，最终可以逐渐地代替人类工作。因此，研究出具有类似人类肌肉特性的柔性机械臂对提高机器人的安全性、环境适应性以及未来更好为人类服务具有重要的现实意义。

结合机器人学、弹性力学和智能控制等技术，仿生学者研制了多种不同类型的柔性机械臂。根据驱动器分布情况的不同，柔性机械臂有嵌入式、外置式和混合式三种驱动方式。嵌入式是指由气动肌肉或者形状记忆合金(SMA)驱动，置于机械臂内部，如德国Festo公司研制了一款气动象鼻型机械臂、MIT计算机科学与人工智能实验室开发的“章鱼触须”机械臂等。外置式主要由外置电机拉动线缆来驱动机器人关节，如英国OC Robotics公司研制的蛇形臂机器人，机器人共10段，每段具有2个自由度，通过电机驱动。混合式驱动则同时具有嵌入式驱动结构与外置式驱动结构，如McMahan等人研制的Air-Octor机器人，其结构分为4段，各段弯曲角度均大于100°，该机器人同时引入了气动驱动与电缆驱动。

目前，已被应用于仿生机械设计的智能材料主要有离子交换聚合金属材料(IonicPolymer-Metal Composite，IPMC)、压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)和形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)等三种。其中，PZT需要很大的驱动电压一般为50-800V，并且变形量较小，仅为其自身尺寸的千分之一，往往需要另行设计机构对其应变进行放大，因而较少应用于仿生机械臂的设计。而IPMC虽然具有驱动电压低、响应快和能耗低的优点，并且在仿生机械的设计中得到了广泛的应用，然而由于其驱动力较小，导致目前研制的IMPC驱动的机械结构难以实用化。而SMA除了具有驱动电压低、形变最大的优点之外，还具有输出力大和功重比高的优点，其性能与生物肌肉纤维的性能最为接，因此与其它智能材料相比较，SMA的综合性能更优，更适合应用于仿生机械的驱动设计。

SMA是一种具有形状记忆效应的合金，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。合金的形状记忆效应是一种特殊的热-机械行为，它是热弹性马氏体相变产生的低温相(马氏体)在加热时向高温相(奥氏体)进行可逆转变的结果。利用形状记忆合金在加热时形状恢复的同时其回复力可对外作功的特性，可将其用作驱动元件。SMA本质上是金属，具有金属导电性，因此可利用电加热的方式对SMA驱动器进行驱动。SMA的应变最高可达8％，应力可达500MPa，并且易于驱动，且驱动电压较低，因而在仿生设计中获得了广泛应用。

因此，SMA在柔性机械臂领域的应用前景是十分广阔的，然而目前在现有技术中还没有产生相应的技术成果。

发明内容