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具有可变刚度特性以实现适应性和有效抓取的形状记忆合金基软爪
Wei Wang and Sung-Hoon Ahn
摘要
柔性气动致动器和带有笨重附件的基于电机的机构对制造具有紧凑和轻便配置的独立机器人系统的提出了许多挑战，与此同时，从人造肌肉到航空工业，形状记忆驱动装置已经在许多工程应用中展现出了具有前途的替代解决方案。然而，这种系统的主要限制之一是它们固有的柔软特性，导致其只有较小的致动力，妨碍了更有效的应用。这个问题可以通过结合形状记忆致动器和刚度调节机制来解决。本研究是制造一种基于形状记忆合金的柔性夹爪，其由三个相同的指状物组成，其刚度可变，可在低刚度状态下以合适的形状抓取并且在高刚度状态下有效保持。每根手指都带有两个铰链，将柔性复合致动器与刚度可变材料集成在了一起，其中每个铰链可独立地近似实现55倍的可变刚度。此外，每个具有两个铰链的手指都可以通过有选择性地改变铰链的刚度并驱动相连的SMA线来控制实现多种姿态。基于这些原理，夹具适用于抓取具有可变形形状和不同形状的物体，其重量范围较大，通过与刚度可变机构集成，最大抓取力可增加至10倍。最后的演示结果表明，配备可保持夹持物体所需形状的手指使夹持器能够成功拾取截头锥体形状的物体。
关键词：形状记忆合金，刚度调制，柔性手指夹持器
简介
刚性机械臂由笨重的机械部件和传感器制成，它们具有有限的自由度，可以在精确定义的环境中通过运动关节产生准确的运动。而软体机器人技术没有大量的结构和复杂的控制，利用最新研究的新材料所具有的灵活性和服从性，使机械手展现出与不可预知的环境之间柔和和适应性的相互作用。基于不同致动技术的软性夹持器性能得到了开发，如柔性气动致动器，粒状干扰，电缆驱动机构，绝缘弹性体致动器（DEAs）和形状记忆合金（SMA）致动器。在这些方法中，由压缩气体或真空驱动的柔性气动致动器和粒状干扰以及与有着繁琐附件的基于电机的电缆驱动机构对于制造紧凑和轻量的自主机器人系统具有限制。DEAs是机器人应用的一个很有吸引力的选择，但其相对较高的感应电压和较小的驱动力限制了它在人类环境中的可用性。与此同时，具有紧凑结构的基于SMA的软驱动器已经显示了能显著减小尺寸、重量、系统复杂性，并易于通过快速制造技术制造的优点。此外，其结构大部分由弹性聚合物组成，可以很容易地与其它自适应功能组件进行整合。
目前，基于SMA的夹持器和手指已经通过将SMA丝偏心地嵌入具有柔性增强材料的聚合物基体中来开发。然而，这些设计的主要局限在于它们固有的柔软性和较小的驱动力，这使得它们无法抓握大重量的物体。为了提高抓握力，将SMA细丝以机械方式平行分组为SMA束，以使机器人手指可以达到更高的致动力。 SMA束也被用于设计具有较大抓取力的机器人手指，这是因为SMA束的横截面积比SMA丝要大很多，可以产生更大的输出力。然而，所有基于SMA的手指都需要在恒定的能量输入下保持所需的变形。另外，所有的手指都只能在直线状态和弯曲状态之间切换，并且无法针对特定的抓握任务来调整手指的姿势来改变机械手的动作。
从另一个角度，通过刚度调制实现的适应性和可变形性的软机器人技术可以为机械手设计提供新的解决方案以满足上述缺点。受到章鱼臂和袋鼠尾巴等生物系统的启发，人们基于不同原理开发了不同的刚度调节机制。通过对这些原理的各种研究表明，使用嵌入相变材料的可变刚度结构通过加热可以显著地降低刚度，利用其这种特性可以很容易地与其他结构结合在一起产生作用。因此，本研究旨在将相变材料刚度调制机制应用于以SMA的设计和制造为基础的软操纵器，使其具有兼容性和安全接触能力，能够在低刚度状态下与环境接触，并在高刚度状态下传递高力量以实现有效的相互作用。
我们前期制作了一种由三根手指组成的基于SMA的软机器人手爪，其具有抓取较大范围内尺寸的物体的良好被动适应能力，然而，由于手指铰链固有的柔软性，使抓手未能完成有效抓住具有较大尺寸的物体这项工作。于是我们又旨在将刚度调制的原理也应用于这个抓手，使其能够对各种形状和较大的重量范围的物体执行有效和稳定的抓取。通过将可变刚度材料嵌入机器人手指的柔性铰链中，使其能够在低刚度状态下软变形和在高刚度状态下保持形状。由此，刚度较低的手指可以很容易地变形，适应抓握物体的形状，在刚度改变后，高刚度手指可以保持适应性变形，有效提升物体。此外，指尖的内侧覆盖有一层柔软的弹性材料，以模仿人体手指垫的功能。软弹性覆盖物使得接触表面的变形得以实现更大的接触面积和更大的摩擦力，从而提高抓握稳定性。每个具有两个铰链的机器人手指都可以通过选择性地改变铰链的刚度并启动相关的SMA丝来主动地实现不同的姿势。具有多种可能姿势的手指的这种特性，可使抓持器轻松地使用手指抓握物体。最后的演示了具有所需形状保持姿势的机器人手指使抓手能够成功地拾取平截头体形物体。
夹具的设计和制造
材料
本研究中的基础设计是一个具有软变形和形状保持能力、两个铰链部分嵌入刚度可变材料的局部可弯曲自激活软指执行器。图1A中描述了手指致动器及其所有部件的示意图。手指执行器主要结合智能材料，柔性聚合物基体和嵌入式刚性组件。
有两种不同类型的智能材料：SMA和形状记忆聚合物（SMP），它们被用于完全不同的目的。SMA仅用作类似腱的致动器来产生弯曲变形[12]，而SMP仅用作刚性可变材料来调节手指铰链的刚度[29-31]。SMP的转变温度是玻璃化转变温度（Tg）。其在Tg温度以下时，SMP是刚性的并且处于高模量状态，被称为玻璃状态，对应于高刚度状态下的手指铰链;其在Tg温度以上时，SMP显著软化并处于低模量状态，称为橡胶状态，对应于低刚度状态下的手指铰链。本研究中，使用直径为0.15mm的奥氏体起始温度（As）为68℃的SMA丝（55wt％Ni，45wt％Ti，Flexinol，Dynalloy），由于其较大的力-重量比，可忽略其体积，而且其生命周期很长，应用于许多热激活相变材料，如形状记忆材料，热塑性塑料和易熔合金。 SMP（SMP技术）的Tg为55°C，其在不同阶段的弹性模量可显著变化2-3个数量级，由于其在橡胶状态下的高粘度可以防止可能的材料泄漏，因此其无毒性，其Tg在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质的温度范围内并且低于SMA的As；此外，SMP结构可以通过快速制造技术较容易地制造，例如三维（3D）印刷和成型方法。
图1软体机器人手指和组装好的抓手
（A）软指及其组件的示意图 手指的横截面示意图显示了SMA和SMP的相对位置 （B）人手指的参考示意图 （C）软指所有组件的结构俯视图，比例尺为10 mm （C）未工作时的抓手的实际外观示意，比例尺为40毫米。 SMA，形状记忆合金；SMP，形状记忆聚合物。可在www.liebertpub.com/soro在线获得彩色图像
使用直径为0.15mm的镍-铬（Ni-Cr，80wt％Ni，20wt％Cr）线来加热SMP结构以达到其Tg，以将SMP从玻璃态改变为橡胶态.20 使用PDMS（硅酮树脂 184，道康宁公司）来作为所有手指致动器的聚合物基体，丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）聚合物基体利用熔融沉积模型（FDM）机器通过3D打印制造所有致动器的嵌入式硬组件和模具。此外，在手指致动器的弧形端部的表面上制造了薄且柔软的共聚酯覆盖层，来模仿人手指垫，图示为手指末端掌侧上的肉质块（图1B ）。共聚酯00-30（Smooth-On公司）具有低硬度（相比PDMS柔软很多）和高弹性的固有特性，被选择用来实现两个主要目的：35,36一是使机器人指垫高度可变以获得良好的接触以抓取物体，二是提高摩擦系数（COF）以获得更大的抓取力。所有使用的材料均可在市场上买到，材料的主要性能见表1
表1 主要材料属性
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参数 |
值 |
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SMA马氏体弹性模量（EM） |
28 GPa |
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SMA奥氏体弹性模量（EA） |
75 GPa |
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SMA马氏体开始温度（MS） |
52℃ |
|
SMA马氏体结束温度（MF） |
42℃ |
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SMA奥氏体开始温度。（AS） |
68℃ |
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SMA奥氏体结束温度。（AF） |
78℃ |
|
SMA每米的电阻 |
55Omega; |
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SMP玻璃态弹性模量（EG） |
2.15 GPa |
|
SMP橡胶态弹性模量（ER） |
10 MPa |
|
SMP玻璃态转变温度（Tg） |
55℃ |
|
PDMS温度范围 |
200°C |
|
PDMS比重 |
1.03 |
|
PDMS弹性模量（EPDMS） |
1.84MPa |
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PDMS硬度（shore A） |
46 |
|
Ecoflex硬度（shore A） |
30 |
|
Ni-Cr每米的电阻 |
61.68Omega; |
设计和制造
机器人的手指被设计为矩形，并做出一个弧形的端部作为它的指尖，其整体尺寸为120mm长、20mm宽、3mm厚（图1A）。 每个手指包都含两个铰链，每个铰链的长度为15 mm，两个铰链之间的距离为20 mm。 靠近指尖的铰链称为铰链1，另一个称为铰链2。
设计好的手指致动器包含两条SMA线，称为SMA1和SMA2，沿着靠近上表面和下表面的x轴嵌入在PDMS矩阵中。 两条SMA线是预应变的，并且围绕致动器的中性平面对称放置，其中偏心距离dsma为1mm，用于双向弯曲致动。 两个SMP结构对称地放置在与SMA线平行的每个铰链中，SMA和SMP的相对位置如图1A中的致动器横截面示意图中所示。 每个SMP结构的尺寸为长15mm，宽5mm，厚1.5mm，另外在每端的硬组件中插入一个4毫米的插销以固定SMP结构的位置并避免SMP和硬组件之间的小空隙。
在环境温度下，SMP处于玻璃状态，铰链呈刚性且不柔韧，能够抵抗外力，而通过利用Ni-Cr线加热SMP而使温度升高超过其Tg，SMP将变为橡胶态且铰链变得柔软和灵活。另外，通过激活相关的镍铬合金线，手指的每个铰链的刚度都可以独立地改变。当铰链处于低刚度状态时，向两根嵌入式SMA丝中的一根施加电流使其温度通过焦耳加热而增加，当其到达Af时，被驱动的SMA丝将开始在基体中收缩以产生弯曲力矩可使刚性较低的铰链部分集中发生较大的弯曲变形。11即控制SMA1或SMA2的收缩可控制铰链向上或向下的弯曲变形。然后，电流继续施加到致动的SMA丝上以保持变形，直到软化的SMP从橡胶状态变回玻璃状态。之后，机器人手指将保持高刚度的变形状态。一旦SMP结构再次软化，通过PDMS基质的弹性恢复力，变形的手指将恢复到直的构型。
每个机器人手指致动器的制造过程都开始于通过FDM建立ABS整体模具并制作用于将SMA线定位在致动器结构内的小孔。SMP结构利用3D打印来制造，并与Ni-Cr线缠绕在一起以便进行加热。之后，将SMP结构放置在3D打印的硬组件中，再把这些组件放置在整个模具中。SMA丝通过上面的小孔放入模具，将其预应变，并借助连接到夹具上的螺栓将其固定。最后，令PDMS与基料与催化剂组分以10：1的比例混合，倒入模具中并在55℃下固化8小时，该温度低于SMA丝的As。待聚合物固化，在移除整个外部模具之后便可获得整个结构。最后一步是通过一个没有底部的小型ABS模具在手指致动器弧形端部的表面上铸造一层厚度为1mm的薄的共聚酯（Ecoflex）覆盖层。图1C显示了所制作的手指驱动器及其所有组件。而后，将三个相同的手指以三角形的方式安装到每个具有25mm的固定长度手指的掌骨板上，使得一对手指以60°的角度与第三手指相对放置以模仿人类的拇指，食指和中指（图1D）
结果与讨论
机器人手指的可变刚度性能
SMP和SMA对温度尺度的模量变化如图2A所示。手指的铰链能够通过加热和自由冷却嵌入的SMP结构来改变其刚度。为了确定加热和冷却时间，将0.3A（每个SMP结构0.98W）的电流施加到Ni-Cr线上来将SMP加热到高于其Tg的温度，使其从玻璃态改变为橡胶状态，手指结构的刚度会显著的下降。然后，在加热的SMP自由冷却后，铰链变回高刚度状态。在环境温度（27°C）下使用热像仪（CX-320U，Han-mac）实时检测SMP和SMA位置（点A和点B，图1C）的温度变化，其结果如图2B所示。从结果中可以看出，SMP的温度快速上升，达到55°C的玻璃化转变温度需要大约30秒。在本研究中，SMP使用约35 s加热至60°C，以使整个SMP结构变为橡胶态，SMP需要240秒的冷却时间才能变回玻璃态。值得注意的是，在SMP的整个加热过程中，B点的温度决不会超过SMA的As
图2 机器人手指的刚度性能
（A）温度范围内SMP和SMA模量比较的示意图 （B）从开始到时间t1加热SMP过程和从时间t1到时间t2冷却SMP
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