曲皇屹

摘 要：软体机器人是由软体材料制成的新型机器人，具有结构柔韧度高、方便灵活的特点。本文介绍了SMA驱动的软件机器人的总体研究现状、驱动原理及模型，构建了一个具有质软、结构简单并且智能化的软体机器人。最后，对柔性软体机器人发展存在的问题进行总结。

关键词：软体机器人；形状记忆合金；形变

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.129

1 引言

由于刚性机器人采用刚性硬质材料制作而成，因此具有结构方面上的限制，很多动作机械化完成。国内外很多研究者将研究重心放在了具有柔性的软体机器人上[1]。软体机器人因其采用大量的柔性材料，因而结构上具有很强的灵活性，可以通过改变自身的形状从而改变运动，形状记忆合金具有形状记忆和超弹性的特点，在低温时呈現出塑性韧性较好的马氏体，当遇到高温时便会变成强度硬度较高的奥氏体，因其具有此良好特性被大量应用于软体机器人的制作。国外一些人员已经研究出了一些柔性机器人。例如，John设计出了一款软体机械手，可以适应物体的各种变化[2]。Robert研究出了一款仿生软体机器人，采用气压驱动可以模仿人类行走动作[3]。针对形状记忆合金丝伸缩范围有限，可将其制作成弹簧，弹簧因其形状特征可以有效的增加材料用量从而增大了弹簧伸缩量。该合金因其特殊性质，所以是制作软体机器人驱动装置的理想材料，通过温度变化可以改变弹簧形变驱动软体机器人产生变形，许多软体机器人是用SMA弹簧驱动的。本文通过介绍SMA驱动的软体机器人总体研究状况，以及了工作原理，构建了一种柔性简洁的软体机器人，它不仅具有柔性结构的灵活性，而且保证了部分关节的刚度。同时具有结构设计和控制方案的简洁性。最后尝试对软体机器人未来发展趋势进行展望。

2 SMA驱动原理及模型

2.1 驱动原理

SMA驱动原理为：当SMA正在冷却或者存在应力载荷时，其结构将会由高温奥氏体转化为低温马氏体，原始形状发生改变从而产生变形和位移。受热时，便又会消除低温下产生的变形，恢复原始形状，进而驱动弹簧并产生位移，如图1所示。马氏体相变仅在温度较低时发生，当温度较高时发生逆相变。利用该原理，可以制作软体机器人驱动器。

2.2 驱动模型

记忆合金变形时遵循Clausius-Clapeyron方程：

根据方程可知，应力对温度的变化率为一常数，应力对温度的高阶导数为0，即：

联立上式，可得：

设为切应变，表示温度，和为待定参数，根据弹簧特性以及切应力公式并参数化，当时，的绝对值很小，由于装置较小，对其影响微乎其微，故舍去该项，得合金驱动模型为；

3 方案设计

该机器人的三维模型主要由以下部分构成：外壳、弹簧和硅胶保护套。机器人的两端外壳下面分别有两只腿，同时有硅胶保护套置于腿部，一方面可以保护腿部，另一方面可以提供较大的摩擦力来保证运动的完成。该机器人的柔性关节采用形状记忆合金材料驱动，同时使用自反馈和SSMA构建外传感单元。该机构设计如图2所示，包括高刚度弹簧、以及两端外壳。两组由记忆合金材料组成的驱动线穿过弹簧和外壳，固定在组装在外壳内部的四个滚轮上。如果同时给两丝加热则机器人将会向下弯曲。如果只给其中一根加热或者两根受热不均匀时则机器人将会向两侧方向摆动。弹簧和合金丝外设有柔性材料壳体，用于保护内部结构，采用柔性材料可以更好的进行仿生运动。

4 结束语

由于受到生物学的启发，仿生软体机器人已经出现，目前软体机器人在国内尚处于起步阶段，因其具有高自由度，所以灵活性很强，可用于野外侦察探测、应急救援等方面，其市场应用前景广泛。但目前由于软体机器人发展尚不成熟，还有许多问题急需解决，首先由于软体材料的特殊性，想要精准控制其运动实现稳定可靠运行是一个难点。其次，软体材料的发展尚不成熟，在材料研发制造方面面临诸多挑战，因此研究新型软体材料迫在眉睫。随着科技的不断进步，将来软体机器人将会向高集成化，多功能化，微型化，智能化趋势发展。

参考文献：

[1]Trimmer B.Soft robots.Current Biology，2013，23（15）： R639-R641.

[2]Amend J R，Brown E，Rodenberg N，etal.A positive pressure universal gripper based on the jamming of granu-lar material.IEEE Transactions on Robotics，2012，28（02）：341-350.

[3]Shepherd F，Ilievski F，Choi W，etal.Multigait soft robot.Proceedings of the National Academy of Sciences.2011，108（51） 20400-20403.