軟體機(jī)器人抓手人工肌肉絲的制作和研究★

代 鑫，鄒安迪，徐曉萌，田藝凡

（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110004）

1 研究背景與意義

隨著科技的發(fā)展、人工智能的興起，加快了機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)對(duì)機(jī)器人可以工作的工作環(huán)境和條件提出了更高的要求，為此適應(yīng)多種特殊情況下工作的軟體機(jī)器人也逐漸登上舞臺(tái)[1]?，F(xiàn)階段，如何讓機(jī)器人抓手變軟并將軟體機(jī)器人抓手應(yīng)用到實(shí)踐中是一個(gè)需要解決的問題。

本文用尼龍66 材料螺旋卷繞成人工肌肉纖維絲，通過纖維絲的并列排列得到一條簡(jiǎn)單的人造肌肉絲。利用尼龍材料螺旋能收縮的特性，制作出來的肌肉纖維相對(duì)較穩(wěn)定，能承載的力量比較大，也是一個(gè)新型的軟體機(jī)器人抓手制作材料選擇的一個(gè)類型。本文設(shè)計(jì)了新型的裝置，以此對(duì)人工肌肉絲的卷繞方法進(jìn)行了改良；對(duì)于降溫方式，我們研制了螺旋網(wǎng)狀輸液管編制的降溫裝置，能對(duì)人工及肉絲實(shí)現(xiàn)更好的降溫控制；同時(shí)通過不同的金屬材料與尼龍絲纏繞，不斷調(diào)整每種材料適宜的配重，經(jīng)過多次的試驗(yàn)，最后發(fā)現(xiàn)，鎳絲與尼龍絲卷繞的效果最好，需要的配重最適宜，卷繞成良好均勻的人工肌肉絲的成功概率最高。

2 國內(nèi)外軟體機(jī)器人抓手研究現(xiàn)狀及分析

2.1 國外軟體機(jī)器人抓手研究現(xiàn)狀

2016 年4 月，成均大學(xué)館Cho 等人將鍍銀聚合物纖維卷繞制作的人工肌肉應(yīng)用于一個(gè)單指機(jī)器手，并實(shí)現(xiàn)了其彎曲動(dòng)作，如圖1 所示[2]。

圖1 軟體機(jī)器人手指

哈佛大學(xué)的Polygerinos 等人研發(fā)了一種用于人體手關(guān)節(jié)恢復(fù)的軟體機(jī)械手，具有集成通道的彈性材料組成的氣動(dòng)網(wǎng)格，如圖2 所示[3]。該軟體機(jī)械手通過機(jī)器手與空氣的相對(duì)作用帶動(dòng)患者手指運(yùn)動(dòng)，達(dá)到患者手指康復(fù)訓(xùn)練的作用，節(jié)省了人力物力，有很高的應(yīng)用價(jià)值。

圖2 軟體機(jī)器人抓手

2.2 國內(nèi)軟體機(jī)器人抓手研究現(xiàn)狀

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王寧揚(yáng)教授等設(shè)計(jì)出了一款基于蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的軟體抓手。通過蜂巢氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)技術(shù)，制作了如下頁圖3 所示的軟體夾持器。

3 人工肌肉絲的材料選擇和制作

圖3 軟體夾持器

我們采用了聚合物螺旋卷繞的方法作為人工肌肉絲的制作方法。這種方法最早起源于2014 年，因其制作成本低廉、加工方便的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但目前國內(nèi)研究此種制作方法的人較少，研究成果多在國外。

3.1 人工肌肉絲的制造和結(jié)構(gòu)改良

3.1.1 人工肌肉絲卷繞方法的試驗(yàn)

用聚合物螺旋卷繞的方法制成的人工肌肉絲的強(qiáng)度和承受能力與聚合物的材料有很大關(guān)系。選擇合適的材料可以在環(huán)境溫度變化時(shí)具有較高的承載能力，所以材料的選擇在我們做項(xiàng)目過程中至關(guān)重要。

首先，我們查閱大量相關(guān)資料，搜集整理并認(rèn)真研讀國內(nèi)外專利文獻(xiàn)，熟悉整體結(jié)構(gòu)，最初決定用尼龍66 來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在第一次實(shí)驗(yàn)中，我們利用串聯(lián)電池的方式解決了電機(jī)功率不足的問題，并通過不斷調(diào)整尼龍絲懸掛的配重重量，希望可以得到卷繞良好并且不會(huì)還原的尼龍絲。但是第一次實(shí)驗(yàn)我們一直無法得到均勻且不會(huì)變形的尼龍絲，圖4 為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

圖4 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

3.1.2 人工肌肉絲卷繞方法的改良

后來，我們發(fā)現(xiàn)是由于懸掛配重的重心不穩(wěn)、電機(jī)重心與懸掛重物的中心不在同一直線等問題，無法得到均勻且不會(huì)變形的尼龍絲，并且在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)多次尼龍絲受力不均斷裂的情況。我們?cè)诳偨Y(jié)了第一次實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后開始了第二次實(shí)驗(yàn)，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸前段利用軟橡皮固定尼龍絲，并利用滑輪保持重物的重力處于同一直線，在滑輪前段固定直尺，以控制尼龍絲的給進(jìn)速率保持尼龍絲卷繞均勻。多次修正重復(fù)試驗(yàn)后我們得到了卷繞良好均勻的尼龍絲。

如圖5 是我們?cè)O(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易裝置。在綁定高度上，調(diào)整尼龍絲被綁在尺子上的高度使尼龍絲與電機(jī)對(duì)心旋轉(zhuǎn)；在尼龍絲進(jìn)給方面，在長(zhǎng)塑料管上刻有讀數(shù)，可以通過讀取塑料管上的刻度來判斷尼龍絲的進(jìn)給是否正常；在配重方面，選擇裝水的杯子，通過改變水量，解決不同的配重對(duì)人工肌肉絲卷繞方面的影響，有利于后續(xù)在與不同種類金屬絲螺旋卷繞時(shí)進(jìn)行重量的比較。最終我們制作出了穩(wěn)定的卷繞螺旋尼龍絲。

圖5 卷繞實(shí)驗(yàn)裝置

3.1.3 人工肌肉絲伸縮降溫方式的改良

我們?cè)诓檎业馁Y料中發(fā)現(xiàn)，控制人工肌肉絲伸縮的方法是通過尼龍絲與金屬絲及電阻絲一起卷繞，通過控制電阻的通過電流及發(fā)熱量轉(zhuǎn)化為溫度的升高，再根據(jù)溫度對(duì)人工肌肉絲長(zhǎng)度影響的關(guān)系來通過控制溫度而控制人工肌肉絲的運(yùn)動(dòng)。

最開始，我們想用風(fēng)扇對(duì)人工肌肉絲進(jìn)行降溫，但是后期我們還是將人工肌肉絲組裝在一起構(gòu)成一根手指，手指需要有外殼保護(hù)內(nèi)部的細(xì)小結(jié)構(gòu)，連同各種傳感器、位置控制裝置被安在一起之后，風(fēng)扇的降溫效果只能起到加快空氣流通的速度，并不能從根本上解決問題。

最后，我們想采取如圖6 所示的螺旋網(wǎng)狀輸液管編制的降溫裝置。輸液管彈性好，可以包裹在軟體機(jī)器人抓手手指表面，制成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可增大與手指的接觸面積，然后在輸液管中通上冷水即可在需要收縮的時(shí)候降溫，因?yàn)檩斠汗芄軓郊?xì)小，水流過全管時(shí)間更短，從而對(duì)時(shí)間點(diǎn)的把握改善了很多。

圖6 用輸液管編制的降溫裝置

4 項(xiàng)目研究總結(jié)

4.1 卷繞材料的選擇

現(xiàn)階段，已完成金屬絲和尼龍線的良好卷繞。在研究中我們發(fā)現(xiàn)在卷繞金屬時(shí)，不同金屬絲需要的配重不一樣，需要的配重越大，卷繞的人工肌肉絲就越容易斷裂，且過程中伴有熱現(xiàn)象的產(chǎn)生。為此，我們通過用銅絲、鐵絲、鎂絲、鋁絲、鎳絲、銀絲、銅鎳合金金屬絲的不同材料與尼龍絲纏繞，不斷調(diào)整每種材料適宜的配重。經(jīng)過多次制造人工肌肉絲的試驗(yàn)，最后發(fā)現(xiàn)鎳絲與尼龍絲卷繞的效果最好，需要的配重最適宜，卷繞成良好均勻的人工肌肉絲的成功概率最高。但是過程中也有很多失敗的例子。

如圖7 所示是我們眾多實(shí)驗(yàn)中的兩組失敗案例。第一組，我們選擇了高轉(zhuǎn)速質(zhì)量變化的實(shí)驗(yàn)條件，但是得到的尼龍絲纏繞復(fù)雜；第二組，我們降低轉(zhuǎn)速同時(shí)改變質(zhì)量，最終得到的尼龍絲會(huì)打結(jié)。

圖7 失敗案例對(duì)比

4.2 得到的結(jié)論

在研究中，將尼龍絲與金屬絲卷繞時(shí)，不同金屬絲需要的配重不一樣，需要的配重越大，卷繞的人工肌肉絲也就更容易斷裂，且過程中伴有熱現(xiàn)象的產(chǎn)生，如圖8 為卷繞失敗的鐵絲和尼龍絲。

經(jīng)過多次將尼龍絲與不同材料金屬絲（鎳絲、銅絲、鐵絲、鎘合金絲）卷繞的試驗(yàn)后，最終發(fā)現(xiàn)鎳絲與尼龍絲卷繞的效果最好（見圖9），需要的配重最適宜，卷繞成良好均勻的人工肌肉絲的成功概率最高。

圖8 卷繞失敗的鐵絲和尼龍絲

圖9 卷繞良好的鎳絲和尼龍絲