摘 要

随着社会技术的发展，制造和服务的自动化已成为大众发展的主流趋势。随着人力资源的代价的逐渐增长，企业更愿意寻求一种更高效更廉价的生产力。机器人的问世对生产力的提升产生了深远影响。目前市面上的机器人大多以气动或液压驱动提供动力，不能达到轻便，灵活的目的。形状记忆合金在通电情况下展现出来的特性，使其可以作为一种驱动使用。通过结合两种特性不同的形状记忆合金来控制机械手，以达到驱动和变刚度都能顺利实现的目的。形状记忆合金的融入使机械手的驱动装置发生了质的变化，从以前单一冗杂的装置简化成只需要一个电源。机械手的结构十分轻便灵活，各结构都是通过3D打印实现生产。3D打印的优势在于可以使机械手的结构不受制于各种复杂的形状，可以尽可能的接近真实的人手。

制造技术的变革（3D打印技术）和新材料（形状记忆合金）的出现会给机械手的发展带来前所未有的机遇。今后，机械手的发展方向必将是智能化和小型化，二者正好可以满足这种发展要求。

关键词：机械手；形状记忆合金；3D打印技术

Abstract

With the development of social technology, manufacturing and service automation has become the mainstream trend of the development of the public. With the gradual increase in the cost of human resources, companies are more willing to seek a more efficient and cheaper productivity. The advent of robots has had a profound impact on productivity. Currently on the market most of the robot to pneumatic or hydraulic drive to provide power, cannot reach the light, flexible purpose. The characteristics of shape memory alloy in the current situation, which can be used as a driving. By combining the two characteristics of different shape memory alloy to control the mechanical hand, in order to achieve the purpose of driving and variable stiffness can be successfully achieved. Shape memory alloy into the manipulator driving device has undergone a qualitative change, from the previous single jumbled device is simplified to only need a power supply. The structure of the manipulator is very light and flexible, and each structure is produced by 3D printing. The advantage of 3D printing is that the structure of the manipulator is not subject to all kinds of complicated shapes, and can be as close as possible to the real human hand.

Changes in manufacturing technology (3D printing technology) and new materials (shape memory alloy) will give the development of mechanical hand unprecedented opportunities. In the future, the development direction of the robot hand is bound to be intelligent and miniaturization, the two can meet the requirements of this development.

Key Words: manipulator; SMA; 3D printing technology

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及国内外研究现状 1

1.1.1 课题研究背景 1

1.1.2 国内外现状 2

1.2 形状记忆合金简介 3

1.2 3D打印技术简介 5

1.3 论文研究的意义 6

第2章 机械手设计方案的论证 7

2.1 机械手的手指关节设计 7

2.1.1 设计目标 7

2.1.2 设计方案 7

2.1.3 设计过程 7

2.2机械手连接设计 11

2.2.1设计目标 11

2.2.2 设计计算 11

2.2.3设计方案 12

2.3 机械手总体设计 13

2.3.1 设计目标 13

2.3.2 设计方案 13

2.4 本章小结 15

第3章 机械手设计方案有限元分析 16

3.1 材质分析 16

3.2支撑记忆合金有限元分析 16

3.3变刚度形状记忆合金分析 19

3.4 本章小结 22

第4章 实体的加工和实验 23

4.1实体加工 23

4.1.1 3D打印机介绍 23

4.1.2 零件制造 24

4.2 单指节弯曲实验 26

4.3 本章小结 26

第5章 总结与展望 27

5.1 论文总结 27

5.2 展望 27

致谢 29

第1章 绪论

课题研究背景及国内外研究现状

1.1.1 课题研究背景

在历史的发展长河中，人们一直希望将劳动工人从繁琐的工作中解放出来，所以从未停止寻找代替品来代替人类进行工作，在分工日益明确的现代社会，科技进步迅速，流水线生产方式的出现，将每个工人固定在了相应的岗位，工人从事着机械，重复的劳动^[1]。机器人的特性注定其代替人类从事这些重复、单调的工作，其工作精度和准确性与人类相比毫不逊色。某些工作的特殊性也决定这这些工作由机器人完成效果更好。

机器人是一种十分复杂精密的高科技产品，它集仿生学、控制理论、机械电子和材料学于一身，它的特殊功能使其在各行各业中得到广泛应用。在工业化生产中，为了节省劳动力，可以使用机器人代替工人从事危险行业，这些行业往往枯燥无味，但这正好适合于机器人。随着人们生活环境的污染，疾病对人类的威胁越来越大，在这些疾病中肠道疾病尤为难以检测。肠道在人的身体里分布十分复杂，各种关于肠道的检测和疗法也都难以实施，而机器人的出现为这些疾病的治愈带来希望。

机器人自二十世纪中问世，经过半个世纪的发展，已经在人们生产生活的各个方面有了长足的发展和进步。与此同时，机器人也从传统的工业领域中延伸出来，进入其他非工业领域，如服务、军事、医疗、娱乐等。在机器人的制作材上也从传统材料过渡到各种新兴材料，例如形状记忆合金和碳纤维等。随着一大批高端加工方式的普及，机器人零件结构的加工也从传统的车铣刨磨演变成各式各样的加工方法。就目前来说最新的加工方法是3D打印技术，这种加工方法大大解放了设计的自由度，可以让设计者更加自由的自己的想象空间。

本来由人类完成的服务工作现在可以由机器人以感知、分析、决策和执行等高技术完成。机器人技术的拥有广阔的前景，完全有可能发展成新战略性产业，具有很强的产业辐射性和带动性，对促进智能制造装备的发展、提高应急突发事件处理能力、发展军事国防事业和医疗技术的发展都具有十分重大的意义。日本机器人技术起步最早，所以就目前来说，日本的机器人技术明显居于全球前列。技术的革新从来不是靠资本的积累，而是靠科技的创新。各国也都在努力发展机器人技术，以争得以后蓬勃发展的机器人行业的一席之地。中国的机器人技术与世界平均水平相比还是有很大差距的，但是近些年的发展趋势还是比较乐观的。每一个朝阳行业的崛起都必须经历各种困难与障碍，我国机器人行业的发展更能体现这句话的意味。目前来看，在世界范围内，世界各国纷纷将突破机器人技术、发展机器人产业摆在本国科技发展的重要战略地位。

1.1.2 国内外现状

由于国外的机器人技术发展较早，在诸如制造行业机器人的发展已经领先国内行业很多。在我们所认识的范围内，工业机器人已作为一种标准设备存在于各种工业范围。在机器人的发展过程中涌现了一大批在国际比较有影响力的机器人企业。如日本的安川、瑞典的ABB及德国的KUKA等。来自国际机器人联合会和联合国欧洲经济委员会的统计数据表明，在2002年到2004年，世界范围内的机器人增长率在10%左右。随着时间的推移，这个数字还在不断的增长^[2]。截止到2008年，全球的机器人行业的总销量增长了25%。在机器人发展的过程，日本一直是整个行业的佼佼者。作为机器人行业的领头羊，在日本目前共有130余家专业的机器人制造商。

图1.1 本田公司ASIMO机器人

以机器人为基础的自动化生产已经在世界范围内蔚然成风，国外的汽车行业、电子行业和机械工程行业等行业已经实现了机器人自动化生产。显而易见，机器人的效率较高而且能保证产品质量。在如今，大型的机器人制造设备和系统已经在制造业领域发挥这着重要作用。比较典型的有：大型轿车壳体冲压自动化系统技术和成套设备，电子电器机器人柔性自动化装配技术和设备，机器人车体焊装自动化技术和装备。正是这些技术和系统的存在，大大加速了这些行业的发展。实际生产的应用是对一项技术发展最好的催化剂。每个行业的发展都是以新技术带来的革命性突破为契机的，诚然在这些行业机器人技术所带来的突破，为这些行业注入了最新鲜的血液，给这些行业带来了新的生命力。

图1.2 世界各国主要行业对机器人需求的分布

对于国内来说，我国由于机器人行业起步较晚，所以这个行业较为薄弱。我国市场上机器人的总拥有量在一百万台左右，仅占全球总拥有量的0.56%。探究其中原因很大程度在于自主品牌不够，发展壮大自主品牌成为当务之急。

图1.3 北京理工大学研制的BHR-2机器人

目前的研究 现状是仿真人形机器人和机械手都存在一定的不足， 其大部分驱动都是液压、 气压或电机。众所周知，液压或气压驱动装置一般设备体积较大，应用这种类型的驱动装置必然会导致机器人或机械臂的整体尺寸过大。在这个追求精密化与小型化的时代，这种臃肿复杂的驱动装置显然不能满足要求。另一方面，现在这个时代新型材料和新型加工技术层出不穷，这使得机械人技术在材料选择和制造方式方面有更大的潜力。

1.2 形状记忆合金简介

形状记忆合金具有形状记忆效应（shape memory effect），以记忆合金制成的弹簧为例，

在热水中放入这种弹簧，弹簧的长度立即伸长，转而放到冷水中，它会立即恢复原状。浴室水管水温的控制可以用形状记忆合金弹簧来实现。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，室内温度的调节，自动开启或者关闭室内的暖气，与室内温度的变化相适应^[3]。正是由于形状记忆合金的这些特性，在各类温度触发器传感器中形状记忆合金的形状记忆效应被广泛应用。

对于形状记忆合金来说，其还有一种特性就是超弹性（superelasticity），即随着外部载荷的作用下，形状记忆合金比一般金属材料更强的形状恢复能力，并且是随着载荷的减小而迅速恢复。这一特性经常被运用于医学和建筑减震等日常生活。例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器等 。用形状记忆合金制造的眼镜架，可以承受比普通材料大得多的变形而不发生破坏（并不是应用形状记忆效应，发生变形后再加热而恢复）。

图1.4 形状记忆合金

热弹性马氏体相变形成了SMA的形状记忆效应，一旦形成这种马氏体后，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会相应的减少，以完全向逆的过程消失。相变驱动力来源于两项自由能的差值。平衡温度T0是两项自由能相等时的温度值。马氏体相变只有在温度低于平衡温度T0时才会产生，反之，在温度高于平衡温度时才会产生逆相变。在温差产生的同时，当形状记忆合金在高温相奥氏体因受到外力而产生较大变形时，可以恢复之前的变形状态，原因是外力去除之后，没有载荷作用。但是在变形的过程中，应力应变曲线是非线性的，会产生额外的耗散能。在SMA中，温度的变化可以引起马氏体相变，温度的变化同样也可以，由应力诱发的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度和应力成线性关系^[4]。

不同材质的形状记忆合金，具有不同的记忆效应，根据性质的不同大致可以分为以下三种：