文章编号：-（）04--04
DOI：10./j.issn....04.
引用格式：黄朝阳.一种SMA驱动的新型仿生手[J].机械传动,,43(4):-.HUANGZhaoyang.AnovelbionichandbasedonSMAdriven[J].JournalofMechanicalTransmission，,43(4):-.
一种SMA驱动的新型仿生手黄朝阳
（绍兴文理学院元培学院，浙江绍兴）摘要采用独立化设计方法，将仿生手分为控制模块、手指模块、散热模块并进行单独设计，制作了集成化的仿生手，可以快捷地实现模块化手指的分离与组装。采用形状记忆合金丝作为驱动器，设计了可以实现驱动位移放大的凸轮结构，使SMA在驱动过程中的有效输出位移得到有效放大。在Matlab中对仿生手进行了运动空间仿真，并通过3D打印制作了总质量为g的仿生手样机。采用温度反馈方式，提高了仿生手在不同温度环境中的响应能力以及对SMA的温度保护，对日常生活物品进行了抓取实验验证。结果表明，新型仿生手具有较大的抓取尺寸和抓取重量，具有拆装方便、控制简单、抓取稳定的优点，实现了控制与驱动的高度集成。关键词集成凸轮装置温度反馈抓取实验0引言驱动器是仿生手的核心动力元件，驱动器产生的位移和驱动力通过手指传动机构传递到手指关节，使各手指关节产生运动实现抓握功能。常见的有电机驱动仿生手，如UBhand3[1]；以气压驱动的仿生手，如浙江工业大学研制的ZJUTHand[2]；以液压驱动的仿生手，如德国研制的液压驱动仿生手[3]以及吉林大学研制的仿生手[4]。但是，传统驱动形式制作的仿生手，驱动系统复杂、占用体积大、质量大，很难实现轻量化和模块化。
随着材料科学的进步与发展，大量的新型功能材料不断被提出，与现有的其他功能材料相比，形状记忆合金（Shapememoryalloy，SMA）集驱动与传感于一体，具有高能量密度、低驱动电压等特点[5-6]，可以制作小巧玲珑、高度自动化、集成化、性能可靠的元器件。近年来在仿生手领域得到了广泛研究,如我国东北大学研制的基于SMA驱动的仿生手指[7-8]，希腊帕特雷大学设计的SMA驱动假肢手[9]，韩国首尔大学研制的基于形状记忆合金驱动的柔性仿生手[10]以及加拿大维多利亚大学设计的形状记忆合金驱动假肢手[11-12]。虽然基于形状记忆合金驱动的仿生手得到了广泛研究，但是实际使用中SMA丝的收缩位移较小，为提供较大的输出位移达到手指的运动空间，一般将驱动部分放置在手臂当中，无法做到小型集成化。
笔者针对基于SMA驱动仿生手集成度小、控制难度大以及驱动过程中的问题进行改进，并实现了5指仿生手的模块化组装，提高了仿生手的集成度，整体装配质量g，实现了控制与驱动的高度集成以及轻量化设计。采用温度反馈的方式不仅提升了仿生手在不同环境温度下的时间响应能力，同时也对SMA丝进行了保护，实现了在温度反馈下的有效控制。
1仿生手整体结构设计仿生手整体结构分为手指模块、控制模块和散热模块。手指模块采用欠驱动结构，可以对物体实现包络抓取。模块化手指包括食指、中指、无名指和小拇指，并且根据仿生手布局条件设计了直角形的大拇指结构。模块化手指通过控制模块上方的距离调节定位孔实现手指不同长度的外观。将仿生手的控制系统内置于控制模块中，实现了仿生手的高度集成。在模块化手指和控制模块连接部分设计了风扇，可将SMA与控制模块的热量及时散出，提升了仿生手的操作性能，仿生手的实物模型如图1所示。
图1仿人仿生手实物模型
仿生手的手指关节、控制模块及散热模块的壳体采用3D打印制作，并在手掌处和手指关节内表面设计了橡胶垫以增大抓取摩擦力，仿生手尺寸和性能参数如表1所示。
表1仿生手模型参数
1.1模块手指结构设计为实现仿生手的模块化和高集成化，将驱动系统集成在单根手指中，每个手指可作为独立的单元。采用该种结构设计可极大地方便多指手的组装和维护，同时可以实现单根手指的运动控制。
新型仿生手采用欠驱动绳索驱动形式，由SMA丝代替传统绳索，起到驱动和传动的双重作用，在保证手指顺利实现抓取操作的同时降低了结构和控制系统的复杂性。SMA丝一端固定在指尖，另一端绕过尾端凸轮固定在驱动器壳体前端。由于在装配时难以调节SMA丝的预拉伸量，因此，设计了SMA丝的预紧螺栓，通过调节螺丝的松紧程度实现不同初始位置的调节。通过直径不断变化的凸轮结构，使SMA丝的输出位移得到有效提高，并且进一步提升了仿生手的驱动响应速度，模块化手指的结构及传动布置如图2所示。
图2模块手指结构及传动布置
1.2尾端凸轮结构设计由于SMA丝的形变率只有5%左右，很难满足手指的驱动需求，一般情况下将SMA丝布置到小臂上以增加长度而获得较大的位移输出，但是，由于增加了仿生手的整体尺寸，会牺牲手腕的自由度。为此，基于SMA驱动器存在驱动位移小的问题进行了结构补偿设计，设计了直径不同，并且一侧直径逐渐变大的凸轮结构；当手指在弯曲过程中，由于磁力逐渐降低，手指可以获得更大的输出力，而直径逐渐变大的凸边，可以得到更大的输出位移，同时有效提升了仿生手指的响应速度，采用3根SMA丝并联驱动以获得更大的驱动力，凸轮模型如图3所示。
1.3拇指结构设计拇指在仿生手的抓握操作功能中承担着重要作用，考虑到实际抓取操作中拇指的作用并为更好实现仿生手的集成，根据实际需求将拇指设计成只具有指关节的旋转运动。根据模块化结构的设计理念，考虑到手掌的整体布局，设计了直角形的大拇指，其由驱动、复位两大部分构成，具体结构设计及传动布置如图4所示。
图3凸轮模型
图4拇指结构及传动布置
2仿生手控制研究新型仿生手控制模块实物模型如图5所示，包括一个Arduinonano控制板，3个双路降压模块以及5个温度传感器。
目前，SMA驱动仿生手控制存在两个难点，首先，SMA必须在安全温度范围内使用，温度过高会导致其记忆特性减弱甚至消失；其次，SMA丝的驱动响应时间受环境温度影响较大，需要对驱动电压进行动态调节。因此，设计了基于温度反馈的控制系统，其原理如图6所示。
图5控制模块实物图
图6温度反馈原理
采用热敏电阻传感器与SMA丝并排放置的方式来实时检测SMA丝的温度以及环境温度，由文献[13]可知，热敏电阻传感器的计算公式为
式中，T1为环境温度；T2为常温开尔文温度，T2=.15+25；U0为热敏电阻两端的电压值；Ucc为温度传感器的供电电压；R为热敏电阻常温时的电阻值，R=10kΩ；B为热敏电阻标称参数，B=K。
在实际使用温度传感器对SMA丝进行温度检测与控制时，温度传感器的读数具有明显的滞后性，无法准确反映出实时温度，当SMA丝的温度超过其阈值时，其记忆特性将会被破坏，因此，对选用的温度传感器进行了迟滞补偿，以便提高温度反馈的动态响应速度。一般情况下，除硬件电路进行补偿外，常采用的温度补偿公式为
式中，Tm(t)为实际温度；T(t)为传感器测量读数；τ为温度传感器时间常数。
采用温度补偿前和温度补偿后的方式同时测定SMA丝的温度，补偿前后的对比曲线如图7所示。由图7可以看出，补偿后热敏电阻传感器的读数具有较高的响应速度，动态响应时间由15s提高到了1s，可以实现对SMA丝温度的实时动态检测。
图7补偿前后对比变化图
为了测试选用的直径为0.38mm的SMA丝在不同温度下的驱动特性，通过搭建封闭实验环境，在不同温度环境中进行了测试，测试数据如表2所示。
表2环境温度与驱动电压关系
将表2中的数据导入Matlab，采用数据拟合工具箱cftool进行拟合，通过调整拟合的阶数，最终得到2阶拟合情况下的相关系数为0.99，得到的拟合公式为
式中，Uq为驱动电压，V；Th为环境温度，℃。
3仿真与实验3.1手指可达范围仿生手的模块化手指结构可以简化为3个连杆串联组成的开环运动链，假设4指手指伸直时，各指根关节共面，定义此平面为手掌平面，拇指具有两个关节，拇指跟关节平面在手掌平面上方10mm处，采用D-H法建立的手掌坐标系如图8所示。手掌坐标系为（XP，YP，ZP），各手指基坐标系建立在手指近指节转动轴上坐标原点（Xw0，Yw0，Zw0），各手指的关节坐标系为（Xwi，Ywi，Zwi），其中，下标w是各个手指的变量名称，当w为t代表拇指，f代表食指，m代表中指，r代表无名指，l代表小拇指，下标i为手指转动关节的变量名称。
手指的D-H参数如表3所示，Li为两相邻关节轴线之间的距离；di为两根公垂线Li与Li-1之间的距离；αi为两关节轴线之间的夹角；θi为连杆的转角。
表3手指的D-H参数
图8手掌坐标系
当仿生手指的各指节长度、各关节转动角度、手掌结构尺寸及坐标系确定之后，在Matlab中对仿生手的运动空间进行了仿真。仿真结果如图9所示，由图9可以看出，仿生手具有较大的抓取空间。
图9手指抓取空间Y-O-Z视图
3.2抓取实验采用北京记一公司生产的直径为0.38mm的SMA丝，在驱动电压0～10V、驱动电流0～1.2A时对不同环境温度下的不同物体进行了抓取实验，如图10所示。实验中首先由温度传感器读取当前的环境温度，再由拟合公式（3）给出当前温度下的驱动电压值，对仿生手进行驱动，在驱动过程中实时检测SMA丝的温度，当温度过高时，启动风扇进行降温。
由图10中仿生手对不同尺寸、不同质量的物体的抓取实验，可以发现，新型仿生手具有较大的抓取空间和较大的抓取重量，其抓取性能如表4所示。
表4仿生手性能参数
图10仿生手抓取实验
4总结采用模块化手指结构设计方式，将控制模块与模块化手指进行分离式设计，安装时通过固定螺栓孔的不同位置，实现手指长短不同的效果；并设计了控制模块与模块化手指散热部分，实现了驱动、控制、散热的有效集成，整体装配质量g。通过设计尾端的凸轮结构，在驱动过程中使SMA丝的输出位移得到明显提高，加快了手指的响应速度。通过采用温度传感器反馈实现了在不同温度环境下不同驱动电压的调节，并进行了实物抓取实验。结果表明，设计的新型5指仿生手在不同的环境温度下均具有较快的响应速度，并且具有较好的抓取性能。
参考文献
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HuangZhaoyang（CollegeofYuanpei，ShaoxingUniversity，Shaoxing，China）
AbstractByusingindependentdesignmethod，thecontrolmodule，figuremoduleandthermalmoduleofbionichandaredesignedseparately，theintegrationbionichandisfabricatedandcanrealizationseparationandassemblequickly.ByusingtheShapememoryalloy（SMA）wireasactuator，thecamstructureofdisplace?mentamplifierisdesigned，whichcanincreasetheoutputdisplacementofSMAinthedrivingprocess.UsingMatlab，thesimulationofkinematicsandmotionspaceisconducted，thebionichandprototypeisfabricatedthrough3Dprinting，whichisg.Theresponsecapabilityofbionichandindifferenttemperatureenviron?mentandtemperatureprotectionforSMAareimprovedbytemperaturefeedback，andgraspingmanipulationtestforeverydayobjectsisverified.Resultsshowthenovelbionichandpossessestheabilityofgraspinglargerandheavierobjects，andconvenientdisassemblyandassembly，simplecontrol，andstablegrasping，whichre?alizesthedesignofhighintegration.
KeywordsIntegrationCamdeviceTemperaturefeedbackGraspingexperiment
收稿日期：-09-01
基金项目：国家自然科学基金（）
作者简介：黄朝阳（—），男，湖北南漳人，硕士，讲师，主要研究方向为机器人技术、机电测控。
专家点评：
作者基于模块化结构设计方法，对仿生手的手指结构、驱动控制、温度控制进行了设计和选型，实现了结构的驱动、控制和散热的集成设计。对工作空间进行了仿真。采用3D打印制作了原理样机，进行了抓取实验验证了设计效果。论文采用可将SMA输出位移进行有效放大的凸轮结构等结构设计、采用温度反馈的方式提升仿生手在不同环境温度下的时间响应能力等控制方法，对SMA驱动的仿生手设计具有较好参考意义。有创新，应用价值较大。END