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(yáng) 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(wèn)題。

本文用尼龍66 材料螺旋卷繞成人工肌肉纖維絲，通過(guò)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(lái)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(lèi)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(guò)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(guò)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(guó)內(nèi)外軟體機(jī)器人抓手研究現(xiàn)狀及分析

2.1 國(guó)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(guò)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(guó)內(nèi)軟體機(jī)器人抓手研究現(xiàn)狀

中國(guó)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(guò)蜂巢氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)技術(shù)，制作了如下頁(yè)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(guó)內(nèi)研究此種制作方法的人較少，研究成果多在國(guó)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(guò)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(guó)內(nèi)外專(zhuān)利文獻(xiàn)，熟悉整體結(jié)構(gòu)，最初決定用尼龍66 來(lái)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(wèn)題，并通過(guò)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(wú)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(lái)，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(wèn)題，無(wú)法得到均勻且不會(huì)變形的尼龍絲，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(kāi)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(guò)讀取塑料管上的刻度來(lái)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(guò)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(lèi)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(guò)尼龍絲與金屬絲及電阻絲一起卷繞，通過(guò)控制電阻的通過(guò)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(lái)通過(guò)控制溫度而控制人工肌肉絲的運(yùn)動(dòng)。

最開(kāi)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(wèn)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(guò)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(guò)程中伴有熱現(xiàn)象的產(chǎn)生。為此，我們通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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