一种基于SMA驱动多段刚柔耦合的柔性机械臂的制作方法

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ocrobotics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-metalcomposite，ipmc)、压电陶瓷(piezoelectricceramics，pzt)和形状记忆合金(shapememoryalloy,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。

技术实现要素：

本发明目的在于提出一种基于sma驱动的刚柔耦合机械臂，具有重量轻、灵活度高和柔顺性好等优点，可以大幅降低关节刚度，完成复杂接触性任务。

该类型机械臂由sma材料进行驱动，具有输出应力、应变大和驱动电压低的优点。该类型柔性机械臂在电流的驱动下可实现大幅度双向柔性弯曲，具有弯曲效果好、结构简单和动作无噪声的优点。

不同与现有柔性机械臂机构，本发明提出了多段刚柔耦合的柔性机械臂，该机械臂柔性结构利用sam材料本体的特性变形，以实现机械臂的连续弯曲，以形成类似大象鼻子、章鱼触手的运动。通过改变机械臂自身的外形，柔性机器人可以灵活地绕过各种障碍物，或穿过狭小弯曲的孔洞，非常适合非结构化环境和空间受限环境应用。除此之外，类似于大象通过鼻子抓取食物的动作，柔性机器人也可以仅通过本体实现物体的抓取。以上这些优异的性能使柔性机器人在航空检测、医疗外科、城市救援、工业制造、农业生产等领域有巨大的应用前景。

本发明柔性机械臂的柔性主要来源于sma驱动的多个关节柔性，它们均为机械臂引入了额外的自由度，使得原来有限自由度变成了无限自由度。柔性机械臂的连杆是刚性的，柔性有且只有在关节处存在。

本发明柔性机械臂的柔性关节是由sma材料进行驱动的，关节结构单元主要由起固定连接作用的基体和实现柔性弯曲的能动段构成。能动段主要由sma丝、弹性体及粘弹性柔性覆盖材料(如聚乙烯塑料等)组成，将sma丝折叠成多个“u”字阵列，其闭合端粘贴于弹性体上，开口端则通过螺栓紧固在基体上，并与两根导线相连。弹性体两侧对称布置“u”字阵列sma丝，然后由粘弹性材料覆盖在其上。由于sma丝两端固定，sma丝的收缩会使弹性体及蒙皮发生弯曲，收缩应变越大，弯曲角度越大。弹性体的主要作用是当sma丝收缩时提供抵抗力矩，使其不发生弯曲失稳的问题，而当sma丝应变恢复时提供恢复力矩，因此，弹性体要求具有适合的弹性模量。

本发明柔性机械臂的粘弹性材料用于覆盖sma丝，该过程将sma丝固定在弹性体上。当sma驱动的柔性关节变形时，该粘弹性材料将在关节的弯曲和恢复过程中存储和释放弹性能，起着存储能量的作用，为柔性机械臂关节弯曲的回复提供动力。

本发明利用sma驱动的多段刚柔耦合结构来模拟柔性机械臂，并通过改变驱动电流来改变机械臂的变形曲线，实现柔性机械臂的弯曲变形。

本发明的柔性机械臂可通过sma丝参数和分布阵列参数的优化使制作的柔性机械臂实现不同的弯曲变形，并获得较好的控制性能。

本发明旨在通过sma丝驱动解决柔性机械臂精确的位姿控制，为柔性机械臂的位姿控制提供了有效的工程解决手段。

本发明的柔性机械臂可通过改变柔性关节的粘弹性覆盖材料的物理属性来实现刚度特性，其弯曲变形取决于材料的杨氏模量、长度以及截面惯性矩等物理参数。因此，可通过改变物理参数来实现机械臂的弯曲刚度。

具体的，本发明的柔性机械臂由机械臂固定平台、刚性机械结构、sam驱动柔性关节、可编程电源、位移或速度传感器、控制器和臂端工具等组成。多个所述柔性关节的上、下两端分别固定在连接在所述刚性机械臂结构上，柔性铰的下端穿过所述刚性机械臂上的铰点孔，并与多个所述速度/位移组合的传感器固定连接；所述的柔性关节用于改变所述柔性机械臂的变形曲线或变形位移，变形情况取决于sma的驱动电流和sma驱动系统的sma丝线分布阵列。所述柔性机械臂是基于多段柔性关节结构，由sma驱动实现弯曲变形。所述sma驱动的柔性机械臂可由多个sma丝线组成，存在着不同的阵列型式和结构参数。所述的柔性关节可以有多个，柔性铰越多，刚性机械臂越短，该柔性机械臂变形越可控，机械臂控制也越精确。

本发明的优点是：

与现有工业机械臂的设计方法相比，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。该方法的优点在于：

(1)采用sma驱动多个柔性关节实现机械臂较好的柔顺性，灵活度高，可以大幅降低关节刚度，完成复杂接触性任务。该类型机械臂由sma材料进行驱动，具有输出应力、应变大和驱动电压低的优点。在电流的驱动下，该类型机械臂可实现大幅度双向柔性弯曲，具有弯曲效果好、结构简单和动作无噪声的优点。

(2)可通过改变柔性关节内sma的驱动电流，实现柔性机械臂的弯曲变形控制。通过优化柔性关节内sma系统的分布和弹性结构尺寸，以实现柔性机械臂弯曲变形的有效控制。

附图说明

图1为本发明的柔性机械臂整体示意图

图2为多通道柔性铰结构未变形状态示意图；

图3为多通道柔性铰结构变形状态示意图；

图4为图2的俯视图；

图5为sma驱动结构的柔性机械臂结构未变形状态示意图；

图6为a面sma丝加热状态示意图；

图7为柔性机械臂单元截面示意图；

图8为柔性机械臂sma驱动原理示意图；

图9为机械臂a侧和b侧sma丝的控制信号；

图10为机械臂控制系统硬件结构框图；

图11为柔性机械臂弯曲性能测试系统硬件结构框图；

图12为机械臂主控芯片主程序流程框图。

附图中的标记为：1-固定支座，2-柔性臂sma驱动i段，3-柔性臂sma驱动ii段，4-柔性臂sma驱动iii段，5-柔性臂sma驱动iv段，6-柔性臂sma驱动v段，7-末端执行件，8-机械臂基体，9-弹性体，10-a面sma丝，11-b面sma丝，12-粘弹性材料，13-弹性片，14-sma丝线。

附图标记说明

下面结合附图对本发明的一个实施例进行详细说明。

本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明以sma驱动刚柔耦合结构的柔性铰为基础，通过连接机械臂的刚性件，实现机械臂的柔顺性和弯曲变形控制。

其中一个实施例如图1所示：由固定支座1、sma驱动的柔性铰和末端执行件7等组成，还包括可编程电源、传感器、控制器等。sma驱动的柔性铰又可分为柔性臂sma驱动i段2，柔性臂sma驱动ii段3，柔性臂sma驱动iii段4，柔性臂sma驱动iv段5，柔性臂sma驱动v段6等。除了具有机械臂运动空间大和定位精度高以外的优点，还具有柔性机械臂固有的柔顺性和sma驱动系统的输出应力、应变大和驱动电压低的特点。此外，还可以改变整个机械臂的弯曲变形，从而与环境的接触界面刚度实现实时匹配。

下面对本发明的具体实施过程作进一步说明：

根据机械臂的设计任务，分析机械臂变形的轨迹规划，设计刚性机械臂的段数和各段机械臂的长度，并设计各段机械臂的质量、截面尺寸和惯性矩等参数。

根据机械臂的规划轨迹，设计机械臂柔性铰的sma驱动的柔性关节结构。sma驱动柔性关节结构主要由柔性变形弹性层即弹性体9和两侧sma层(a面sma丝10和b面sma丝11)两部分组成。sma驱动变形层设计的主要参数主要包括sma排列阵列、sma丝线14的直径和长度、粘弹性材料12弹性模量和弹性片13厚度等。sma驱动柔性机械臂未变形状态和变形状态对应的结构图分别如附图2-3所示。

如附图2-7所示，sma丝在加热前处于预拉伸状态，当给一侧的sma丝通电加热，sma丝的温度升高并发生马氏体逆相变，同时sma丝开始收缩，当温度达到奥氏体相变结束温度以后，sma丝收缩应变达到最大，收缩过程中sma丝输出恢复力。由于sma丝在柔性机械臂单元中偏置布置，因此为弹性体9提供一个弯矩。在弯矩的作用下，弹性体9向通电sma丝一侧弯曲。由于弹性体9、蒙皮的厚度都较小，因此柔性机械臂单元能实现大幅度弯曲。然后sma丝断电冷却，sma丝的温度降低并发生马氏体相变，sma丝的回复应力减小，存储在弹性体9和蒙皮内部的弹性能释放，在它们的带动下柔性机械臂单元恢复原状。然后另一侧sma丝通电，柔性机械臂单元向另一侧弯曲，sma丝断电，柔性机械臂单元再次恢复原状。当两侧sma丝交替通电和断电，柔性机械臂单元便可实现柔性的双向弯曲。

基于sma驱动的柔性机械臂是由电流加热进行驱动的，驱动电流的大小会影响柔性机械臂所能达到的弯曲角度，因此有必要建立柔性机械臂驱动电流与其弯曲角度之间的数学模型。其分析思路如附图2-4所示。

柔性机械臂的受力分析是建立sma丝应力应变之间关系上的。柔性机械臂的受力分析可分为保持静态弯曲和在运动过程中等两种情况。首先分析柔性机械臂保持静态弯曲时的受力情况，由于柔性机械臂保持静止，柔性机械臂仅在sma丝的作用下保持弯曲。其中，一侧sma丝通电收缩产生收缩应力,另一侧sma丝被拉伸产生拉伸应力，sma丝的应力作用于弹性体9上。由于应力方向平行于弹性体9表面，因此可认为弹性体9仅受到一个纯弯矩的作用，所以柔性机械臂静态时的弯曲即为梁的纯弯曲。依据梁的纯弯曲模型可知，梁的中性层不发生偏移，且中性层曲率为：

式中ρ——中性层曲率半径(m)；

m——作用在梁上的纯弯矩(nm)；

e——弹性模量(pa)；

i——惯性矩(nm2)。

其中纯弯矩m为:

m＝(fa-fb)×dc

式中fa——柔性机械臂受到a侧sma丝收缩时产生的合力(n)；

fb——柔性机械臂受到b侧sma丝被拉伸时产生的合力(n)；

d——合力作用点距离柔性机械臂中轴线的距离(m)。

fa和fb可分别由下式计算：

式中σa——a侧sma丝收缩时产生的应力(mpa)；

σb——b侧sma丝被拉伸时产生的应力(mpa)；

ds——sma丝的直径(m)；

n——布在两侧sma丝的根数。

a侧sma丝的应力、应变关系由sma的本构模型控制，而b侧sma丝由于是在常温下被拉伸，其应力、应变符合胡克定律：

σb＝εbdm(4)

式中σb——b侧sma丝的应变；

dm——sma为完全马氏体状态时的弹性模量(mpa)。

柔性机械臂的抗弯刚度分为两部分计算，如下所示：

ei＝eritz+emimz(5)

式中et、em——分别为弹性体和蒙皮的弹性模量(mpa)；

itz、imz——分别为弹性体及蒙皮横截面对z轴的惯性矩(nm²)。

itz和imz的计算表达式分别如下：

式中w——柔性机械臂单元的宽度(m)；

hm——单侧蒙皮的厚度(m)；

ht——弹性体的厚度(m)。

由于中性层长度在弯曲过程中保持不变，因此有：

l＝ρθ(8)

式中l——柔性机械臂弯曲单元的长度(m)；

ρ——中性层曲率半径(m)；

θ——弯曲角度(rad)。

依据应变的定义，可建立sma丝应变与曲率半径之间的关系，如下所示：

其中

同理b侧sma丝的应变为

柔性机械臂曲率半径ρ和弯曲角度θ与被加热sma丝应变εa之间的关系式，即：

上式表明柔性机械臂得弯曲角度θ与被加热sma丝应变εa呈线性递减关系。当εa为零时，由(13)式求得柔性机械臂的最大弯曲角度为：

得到被加热sma丝应力σa和应变εa之间的关系式，如下所示：

式中k为：

由(15)式可知，被加热sma丝的应力σa与εa呈线性递减关系，当εa为零时，由(15)式可求得柔性机械臂达到最大弯曲角度时得应力为：

首先搭建了柔性机械臂的推进性能测试系统，其硬件结构组成框图如附图10-11所示，从功能上可将其分为驱动控制、推力测量以及信号采集显示等三个功能单元。首先由驱动控制单元实现对柔性机械臂的驱动以及对其摆动幅度和频率的控制，然后由推力测量单元对其产生的推力进行测量并将其转化为电压输出信号，最后由信号采集显示单元对电压信号进行采集、处理、显示和保存。

驱动控制单元的核心是自行设计的驱动电路，其功能是实现对柔性机械臂两侧内嵌sma丝加热和冷却的控制，其原理如附图8-9所示，在sma丝的加热回路中串联一个mosfet，通过mosfet的导通和断开来控制加热回路的通断，从而控制sma丝的加热和冷却，而控制信号则由驱动电路中的微控制器产生。

柔性机械臂两侧sma丝的控制信号如图8-9所示，其中ton为通电的脉冲宽度，决定了sma丝的加热时间，即柔性机械臂的摆动时间，同时还决定了摆动幅度；toff为通电的脉冲间隔，决定了sma丝的冷却时间，即柔性机械臂的回摆时间。ton和toff之和的二倍为周期t，决定了柔性机械臂的摆动周期。通过对参数ton和toff的控制即可控制柔性机械臂的摆动幅度和摆动频率。

柔性机械臂控制系统的硬件结构框图如图10-11所示，除主控芯片外，主要由通信模块、驱动模块、惯导模块以及电流检测模块等功能模块构成。通信模块的功能是实现与上位机的通信，接收上位机的控制指令，从而实现对微型机械臂的远程控制。驱动模块的功能是依据程序设置的参数实现对柔性机械臂的驱动控制。惯导模块的功能是实现对机械臂运动方向及运动状态的实时检测，为微型机械臂的运动控制及自主游动提供基础。电流检测模块的功能是实现对柔性机械臂驱动电流的检测，为柔性机械臂的运动控制提供基础，当检测电流小于最小驱动电流时提出报警。

由于柔性机械臂内部体积有限，仅可携带较小体积和容量的电池作为其供电电源，因此在选择主控芯片时应选择功耗较小的芯片以降低其能量损耗。通信模块可选择采用高性能单片机加低功耗射频芯片组成的无线串口收发模块来实现。驱动模块由功率mosfet及其驱动器构成，将mosfet串联在sma丝的加热回路中，由主控芯片产生控制信号来控制mosfet的通断，从而控制sma丝的加热和冷却。驱动电路由tc4427芯片与fds6912芯片组成。电流检测模块由线性霍尔传感器acs712芯片实现。

柔性机械臂的主控芯片的程序设计包括主程序设计和各中断子程序设计。其中,下位机主程序的流程框图如图12所示。主程序要实现的任务有对控制指令的解析、启动或停止各功能模块、实时计算当前的位姿信息以及依据自主游动策略来调整控制参数等。柔性机械臂的驱动则由定时器中断来实现。当启动驱动模块后，定时器中断被启动。定时器产生1ms的周期性中断，在其中断程序内设置计数器进行累加，当计数器数值与驱动脉宽或周期相等时，令相应驱动i/o口电平进行翻转从而实现对柔性机械臂的驱动。当计数器与驱动周期相等时对其进行清零。无线模块和惯导模块的数据的接收由不同的串口中断来实现，而驱动电流的采集则由a/d中断来实现。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。