[發(fā)明專利]一種基于SMA驅動多段剛柔耦合的柔性機械臂

在審

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• 申請日: 2020-09-09
• 公開（公告）號: CN111993462A
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發(fā)明（設計）人: 崔祚;薛九天
• 申請（專利權）人: 貴州理工學院
• 主分類號: B25J18/02
• 分類號: B25J18/02
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所 52100
• 代理人: 李余江

本發(fā)明公開了一種基于SMA驅動多段剛柔耦合的柔性機械臂，該柔性機械臂的柔性關節(jié)是由SMA材料進行驅動的，關節(jié)結構單元由起固定連接作用的基體和實現(xiàn)柔性彎曲的能動段構成。本發(fā)明采用SMA驅動的剛柔耦合的柔性機械臂，通過改變SMA驅動電流和SMA絲分布柔性關節(jié)的設計，以實現(xiàn)柔性機械臂不同程度的彎曲變形。該設計能有效地改善柔性機械臂的彎曲變形特性，對柔性機械臂的廣泛應用有著重要的意義。

技術領域

本發(fā)明主要應用到機器人領域，具體為一種基于SMA驅動的剛柔耦合機械臂。

背景技術

隨著機器人技術的不斷發(fā)展，機械臂在各行各業(yè)得到了越來越廣泛的應用，尤其在智能制造、工業(yè)自動化和航空航天等領域。在傳統(tǒng)工業(yè)領域，機械臂采用剛性關節(jié)進行驅動，能夠實現(xiàn)末端位置和速度的高精度控制，對運動軌跡進行精確跟蹤，響應速度快。但該類型機械臂存在質量體積大、輸出剛性高和對未知環(huán)境的適應能力弱等缺點。然而，當機械臂逐漸應用到服務、醫(yī)療和娛樂等其他非工業(yè)領域時，機械臂末端的工作環(huán)境往往是接觸性的，或者機械臂應用到危險環(huán)境探測等未知環(huán)境中時，即不能預先規(guī)劃機械臂的運動軌跡等特殊要求時，柔性機械臂應運而生，具有結構緊湊、柔順性好、較高的負載/自重比和較好的環(huán)境交互能力的優(yōu)點。

隨著新型彈性元件或柔性機構逐漸應用到機械臂中，出現(xiàn)了剛度可變或可連續(xù)調節(jié)的柔性臂。這種柔性臂的發(fā)展目標是在靈巧度和感知力上能與人類手臂相媲美，最終可以逐漸地代替人類工作。因此，研究出具有類似人類肌肉特性的柔性機械臂對提高機器人的安全性、環(huán)境適應性以及未來更好為人類服務具有重要的現(xiàn)實意義。

結合機器人學、彈性力學和智能控制等技術，仿生學者研制了多種不同類型的柔性機械臂。根據(jù)驅動器分布情況的不同，柔性機械臂有嵌入式、外置式和混合式三種驅動方式。嵌入式是指由氣動肌肉或者形狀記憶合金(SMA)驅動，置于機械臂內部，如德國Festo公司研制了一款氣動象鼻型機械臂、MIT計算機科學與人工智能實驗室開發(fā)的“章魚觸須”機械臂等。外置式主要由外置電機拉動線纜來驅動機器人關節(jié)，如英國OC Robotics公司研制的蛇形臂機器人，機器人共10段，每段具有2個自由度，通過電機驅動。混合式驅動則同時具有嵌入式驅動結構與外置式驅動結構，如McMahan等人研制的Air-Octor機器人，其結構分為4段，各段彎曲角度均大于100°，該機器人同時引入了氣動驅動與電纜驅動。

目前，已被應用于仿生機械設計的智能材料主要有離子交換聚合金屬材料(IonicPolymer-Metal Composite，IPMC)、壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)和形狀記憶合金(Shape MemoryAlloy,SMA)等三種。其中，PZT需要很大的驅動電壓一般為50-800V，并且變形量較小，僅為其自身尺寸的千分之一，往往需要另行設計機構對其應變進行放大，因而較少應用于仿生機械臂的設計。而IPMC雖然具有驅動電壓低、響應快和能耗低的優(yōu)點，并且在仿生機械的設計中得到了廣泛的應用，然而由于其驅動力較小，導致目前研制的IMPC驅動的機械結構難以實用化。而SMA除了具有驅動電壓低、形變最大的優(yōu)點之外，還具有輸出力大和功重比高的優(yōu)點，其性能與生物肌肉纖維的性能最為接，因此與其它智能材料相比較，SMA的綜合性能更優(yōu)，更適合應用于仿生機械的驅動設計。

SMA是一種具有形狀記憶效應的合金，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。合金的形狀記憶效應是一種特殊的熱-機械行為，它是熱彈性馬氏體相變產(chǎn)生的低溫相(馬氏體)在加熱時向高溫相(奧氏體)進行可逆轉變的結果。利用形狀記憶合金在加熱時形狀恢復的同時其回復力可對外作功的特性，可將其用作驅動元件。SMA本質上是金屬，具有金屬導電性，因此可利用電加熱的方式對SMA驅動器進行驅動。SMA的應變最高可達8％，應力可達500MPa，并且易于驅動，且驅動電壓較低，因而在仿生設計中獲得了廣泛應用。

因此，SMA在柔性機械臂領域的應用前景是十分廣闊的，然而目前在現(xiàn)有技術中還沒有產(chǎn)生相應的技術成果。

發(fā)明內容