一、 目的及意义

1. 研究目的

随着科技的发展与社会的进步，人们生活水平的逐渐提高，机器人技术已被广泛应用于各个领域。人们对机器人技术需求日益提升，传统刚性机器人因其结构复杂、安全性差、适应性差、灵活性差等原因已难以满足人们的需求，这就为软体机器人技术的发展提供了良好的机会。

由于软体机器人具有更接近生物的柔软特性，具备机动灵活的运动能力和良好的适应性，因此软体机器人吸引了众多研究人员的关注。微小型化是软体机器人将来的发展趋势，这就要求其驱动器也必须相应的实现小型化，但传统的驱动器例如电机驱动等，都很难满足这个趋势。而动物的肌肉以其柔韧性良好、功率质量比较大、结构简单且无噪音等特点，吸引了广大学者的目光，因此，人工肌肉的发展与研究将促进软体机器人的发展。

人工肌肉是指具有类似肌肉特性的材料，这些材料在外界激励下，可以实现大变形，且响应速度快[1]。人工肌肉材料可以对外界的刺激产生响应，并将电、光、热、化学等能量转换为机械能，是一系列不同运动模式驱动器的重要组成部分。可以应用于机器人、人体假肢、外骨骼、可调节舒适度的智能布料、芯片微流体驱动器等不同领域。它们可以满足生物以及工程领域对新型医药和智能机械系统的强烈需求，也将为人类做出更大的贡献[2]。

2. 研究现状（国内外的研究现状分析）

迄今为止，国内外学者对基于人工肌肉的驱动器进行了大量的研究，并应用到了实际的工程和生活中。目前，人工肌肉材料的选择有很多种，国内外对此也各有异同。近年来, 随着新材料及微细加工等技术的发展, 电致伸缩聚合物[3][4]、磁致伸缩[5]、压电陶瓷[6] 、形状记忆合金[7]和气动人工肌肉[8]等新材料开始用于人工肌肉的设计综合问题。依此分成了许多种驱动器，同时驱动器的研究目前还存在着以下不足[9]。

(1) 气动式软体机器人虽然技术比较成熟控制简单，但一般情况下需要外接气源，而且大多数气源体积和重量都比较大，易受环境限制

(2)SMA材料虽然具有超弹耐腐蚀等特性，但其形变度不高

(3)IPMC DE驱动器虽然形变大 能量密度高， 但面临难以控制等问题

(4) 化学反应驱动的软体机器人虽然驱动力强， 但同样面临难以控制的问题。

气动人工肌肉的研究开展较早，美国医生Joseph Laws Mckibben研制出了著名的Mckibben气动人工肌肉[10]。电活性聚合物(EAP)作为一种新型智能材料有着应变大、功率密度高、机械柔顺性好、扩展性好、无噪音、结构简单且成本低的优点，吸引了国内外越来越多的学者，探究其作为人工肌肉的可能性也一度成为热潮[11]。

相比于其他类型人工肌肉而言，SMA具有能量密度高、承载能力强、响应快、无声操作、灵活且具有自感知能力的优点，更接近于真实肌肉的特性。而且SMA启动简单，只需通过低电压加热使其产生相变便可实现力和位移的输出。利用SMA的驱动器设计有很多，如图1所示，为某一驱动器的硬件图。正是由于SMA的这些特性，使其在仿生机器人[12]、软体机器人[13]等众多场合得到广泛应用。

图1.驱动器硬件图

SMA 与一般金属不同，它具有很多的特殊性能，例如 SME、伪弹性（超弹性）等效应，跟随温度的不断变化，其弹性模量也会发生相应的变化，并且其阻尼性能很高。SMA 不但可以作为驱动器的制作材料，而且本身还具有传感器的功能，加之它的力学性能又很特殊，目前，越来越受到广大研究人员的关注，SMA 材料的使用也已经遍布于许多的领域[14],包括柔性手指驱动器设计[15]、SMA差动弹簧驱动的机械手设计[16]、偏动式SMA驱动器设计[17]。

国内学者基于SMA研制了具有驱动、储能和自感知功能的人工骨骼肌。它具有 280 mm 的静止长度，可提供 169N的最大收缩力和 20 mm 的最大收缩长度，由 16 根直径为 0.15 mm 的 SMA 丝与抗过伸柔性体平行，再与人工肌腱串联组成。为了实现自感知能力，在电阻率变化实验研究的基础上，提出了一种自感知模型来构建 SMA 丝的电阻-长度关系。证明了该模型在恒定负载和变负载条件下的有效性[18]。为从根本上克服SMAA 设计和应用的瓶颈，这里介绍一种新型的SMAA结构——内嵌式SMAA，采用两级滑模控制，结构简单,易于实现,且控制器对ESMAA 参数变化具有鲁棒性,控制效果比 PI 好,是ESMAA的理想控制方法[19] [20]。其驱动模块如图2所示，同时它采用pwm控制加热电流占空比进行设计，与常见的电压控制驱动器不同，如检测采集加热SMA电桥电压变化量的驱动器[21]。

图2.驱动模块图

3. 研究问题

上述的许多驱动器设计方案中，都采用了利用通过低电压加热使SMA产生相变的原理设计控制电压以达到控制驱动器的完成，但由于这种方法存在滞后，而电流控制可更好解决这一问题。因此，我希望设计一种基于DSP芯片，用pwm控制电流加热材料实现相变的人工肌肉电流驱动器。

一、 研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

1. 研究基本内容

（1）理论条件下，学习SMA驱动器的原理，了解其动力学规律，学习DSP最小系统设计 。

（2）实践情况下，查阅资料进行参考，设计控出制电路图，绘制处原理图以及pcb图。

（3）通过实验进行验证改进印刷电路板，实现最后的人工肌肉驱动器设计。

2. 研究目标

通过学习人工肌肉驱动方式，选择利用SMA材料的驱动器进行设计，通过对SMA材料的性质了解，基于DSP对电流进行控制完成人工肌肉驱动器的设计。

3. 拟采用的技术方案及措施

（1）基于电路原理分析控制电路的方案，了解DSP的最小系统原理及其电路图。

（2）安装AltiumDesigner，学习绘制原理图与pcb图。

（3）根据已经查找到的理论资料，确定零件型号，完成原理图和pcb图的绘制。主要步骤如下表1所示：

表1 软件操作步骤

（4）根据自己的原理图与pcb图购买零件进行印刷电路板的焊接。

（5）利用设备对自己的人工肌肉驱动器进行测试实验，调试完成最终的成品。

具体的流程安排见图3，如下：

图3 技术方案流程图

一、 参考文献

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