一种基于记忆合金弹簧的人工肌肉结构的设计

伍才隆

摘 要：为了克服传统SMA弹簧在温变条件下的较窄的相变滞后，影响动作机构的实时响应。本文综述了热效应下SMA弹簧形变基本理论﹑提出一种新型人工肌肉的结构设计方法，对该结构在仿生手领域的应用进行了初步的探索。

关键词：SMA弹簧;人工肌肉;仿生手

1.引言

在工业化极大发展的今天，改造客观世界的需要，人类对于安全从事复杂和危险工作的需要，制造仿真肢体去完成各种运动操作。传统的机械手基本上都采取刚性结构，对于需要完成复杂运动轨迹的仿真肢体传统的刚性结构已经不适用了。随着社会的发展和人们对于美好生活的向往，仿真肢体结构在医学、生活服务、勘探、工业生产等领域得到广泛应用。本文介绍了热效应下SMA弹簧形变基本理论，提出了一种基于SMA弹簧形变人工肌肉结构设计及在仿真手领域应用效果及前景。

2.SMA弹簧形变基本理论与人工肌肉的设计

在1963年William J.Buehler 和David S.Muzzey博士发现镍钛合金具有形状记忆现象，展开了对这种具有形状记忆效应的合金（shape memory alloy）的研究，研究发现其具有形状记忆效应、伪弹性效应、阻尼特性、电阻特性。由于SMA的特殊性质将其制作成螺旋弹簧以增加其形变量，现在许多柔性机器人多采用SMA弹簧来作为人工肌肉。根据上海交大机器人研究所根据Clausius-Clapeyron方程和热平衡方程推出SMA弹簧变形数学模型为[1]

P（δ，T）=A1δ+B1（T-T0）+A2δ2+B2（T-T0）δ+A3δ3+B3（T-T0）δ2      （1）

SMA弹簧吸热过程的热平衡方程为

U2/R-hAs（T-Tf）=mcdT/dt      （2）

根据方程（1）、（2）可知道其形变量和加热时间在12秒以内较为合适，和獲得较大的拉力。根据清华大学在2003年的研究SMA弹簧驱动器温升与相应速度成正相关，变形回复速度受SMA弹簧冷却速度的影响[2]。可见如要提高SMA弹簧驱动器的响应速度、输出位移、力的大小可以从SMA弹簧冷却速度上着手。

根据SMA的特殊性质将其制作成螺旋弹簧阵列构成人工肌肉该结构如图1所示

该结构根据清华大学的研究[2]其变形回复速度受SMA弹簧冷却速度的影响。故要提高这种基于SMA弹簧驱动器阵列构成人工肌肉[3]的响应速度应该从加热及冷却速度着手。由于半导体的汤姆逊效应、傅立叶效应、焦耳效应、塞贝克效应和帕尔帖效应使得载流子从一种半导体材料迁移到不同势能的半导体材料时在结合处将出现能量交换。根据公式（3）可知半导体制冷最大温差由材料的温差电动势率α、电导率r及截面积大小决定。

（Th-Tc）max=0.5（α2r/λ）Tc      （3）

最大温差的大小可由公式（4）计算。

（Th-Tc）=1/k[（αp-αN）ITc-0.5I2R]      （4）

所以通过控制通过半导体制冷块的电流大小可控制SMA弹簧驱动器的响应速度。故改进型SMA弹簧驱动器结构如图2所示。

该结构外套筒为螺旋柔性大间隙铠装结构，内部填装绝缘液体，以加强冷却效果。

3. 基于改进型人工肌肉在仿真手中的应用

根据人体解剖学可知人手的运动与浅筋膜、深筋膜、肌腱、肌肉群等运动收缩扩张有关。根据中国科学技术大学的研究手指骨结构可以得到仿生指骨结构[4]如图3所示

在仿生手指蒙皮下植入半导体半导体制冷片明显能SMA弹簧驱动器构造的人工指骨关节的响应速度得到提升。将改进型人工肌肉模块应用于人工手臂肌群的构造即将使得仿生手臂的响应速度、输出位移、力的大小得到明显的提升。

4. 结论

由于半导体制冷片有无噪声、运行平稳、使用寿命长等特点将其与SMA弹簧驱动器相结合使得仿生肌肉及其结构的具有不错的发展前景，但是该技术还不够理想。要达到比较好的仿生效果还要在其结构设计，运动控制理论等方面进一步探索和实践使该技术满足产业化的要求。

参考文献

[1]许洪伟，费燕琼，朱宇航，王绪.形状记忆合金（SMA）弹簧驱动器的形变研究[J].高技术通讯，2017，27（6）;554--558..

[2]王金辉，徐峰，阎绍泽，温诗铸.SMA弹簧驱动器驱动机理及实验[J].清华大学学报（自然科学版），2003，43（2）;188--191.

[3]应申舜，秦现生，汪文旦，王战玺.基于形状记忆合金弹簧阵列的人工肌肉设计与研究[J].中国机械工程，2008，19（15）;1782--1785.

[4]杨浩.基于形状记忆合金弹簧的柔性驱动模块的设计与控制研究[ D].合肥：中国科学技术大学博士学位论文，2019.