软体机器人抓手人工肌肉丝的制作和研究★

代 鑫，邹安迪，徐晓萌，田艺凡

（东北大学机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110004）

1 研究背景与意义

随着科技的发展、人工智能的兴起，加快了机器人领域的发展，同时对机器人可以工作的工作环境和条件提出了更高的要求，为此适应多种特殊情况下工作的软体机器人也逐渐登上舞台[1]。现阶段，如何让机器人抓手变软并将软体机器人抓手应用到实践中是一个需要解决的问题。

本文用尼龙66 材料螺旋卷绕成人工肌肉纤维丝，通过纤维丝的并列排列得到一条简单的人造肌肉丝。利用尼龙材料螺旋能收缩的特性，制作出来的肌肉纤维相对较稳定，能承载的力量比较大，也是一个新型的软体机器人抓手制作材料选择的一个类型。本文设计了新型的装置，以此对人工肌肉丝的卷绕方法进行了改良；对于降温方式，我们研制了螺旋网状输液管编制的降温装置，能对人工及肉丝实现更好的降温控制；同时通过不同的金属材料与尼龙丝缠绕，不断调整每种材料适宜的配重，经过多次的试验，最后发现，镍丝与尼龙丝卷绕的效果最好，需要的配重最适宜，卷绕成良好均匀的人工肌肉丝的成功概率最高。

2 国内外软体机器人抓手研究现状及分析

2.1 国外软体机器人抓手研究现状

2016 年4 月，成均大学馆Cho 等人将镀银聚合物纤维卷绕制作的人工肌肉应用于一个单指机器手，并实现了其弯曲动作，如图1 所示[2]。

图1 软体机器人手指

哈佛大学的Polygerinos 等人研发了一种用于人体手关节恢复的软体机械手，具有集成通道的弹性材料组成的气动网格，如图2 所示[3]。该软体机械手通过机器手与空气的相对作用带动患者手指运动，达到患者手指康复训练的作用，节省了人力物力，有很高的应用价值。

图2 软体机器人抓手

2.2 国内软体机器人抓手研究现状

中国科学技术大学王宁扬教授等设计出了一款基于蜂巢气动网络的软体抓手。通过蜂巢气动软体驱动技术，制作了如下页图3 所示的软体夹持器。

3 人工肌肉丝的材料选择和制作

图3 软体夹持器

我们采用了聚合物螺旋卷绕的方法作为人工肌肉丝的制作方法。这种方法最早起源于2014 年，因其制作成本低廉、加工方便的优点而被广泛应用。但目前国内研究此种制作方法的人较少，研究成果多在国外。

3.1 人工肌肉丝的制造和结构改良

3.1.1 人工肌肉丝卷绕方法的试验

用聚合物螺旋卷绕的方法制成的人工肌肉丝的强度和承受能力与聚合物的材料有很大关系。选择合适的材料可以在环境温度变化时具有较高的承载能力，所以材料的选择在我们做项目过程中至关重要。

首先，我们查阅大量相关资料，搜集整理并认真研读国内外专利文献，熟悉整体结构，最初决定用尼龙66 来进行实验。在第一次实验中，我们利用串联电池的方式解决了电机功率不足的问题，并通过不断调整尼龙丝悬挂的配重重量，希望可以得到卷绕良好并且不会还原的尼龙丝。但是第一次实验我们一直无法得到均匀且不会变形的尼龙丝，图4 为实验场景。

图4 实验场景

3.1.2 人工肌肉丝卷绕方法的改良

后来，我们发现是由于悬挂配重的重心不稳、电机重心与悬挂重物的中心不在同一直线等问题，无法得到均匀且不会变形的尼龙丝，并且在实验过程中出现多次尼龙丝受力不均断裂的情况。我们在总结了第一次实验的经验教训后开始了第二次实验，在电机转轴前段利用软橡皮固定尼龙丝，并利用滑轮保持重物的重力处于同一直线，在滑轮前段固定直尺，以控制尼龙丝的给进速率保持尼龙丝卷绕均匀。多次修正重复试验后我们得到了卷绕良好均匀的尼龙丝。

如图5 是我们设计的简易装置。在绑定高度上，调整尼龙丝被绑在尺子上的高度使尼龙丝与电机对心旋转；在尼龙丝进给方面，在长塑料管上刻有读数，可以通过读取塑料管上的刻度来判断尼龙丝的进给是否正常；在配重方面，选择装水的杯子，通过改变水量，解决不同的配重对人工肌肉丝卷绕方面的影响，有利于后续在与不同种类金属丝螺旋卷绕时进行重量的比较。最终我们制作出了稳定的卷绕螺旋尼龙丝。

图5 卷绕实验装置

3.1.3 人工肌肉丝伸缩降温方式的改良

我们在查找的资料中发现，控制人工肌肉丝伸缩的方法是通过尼龙丝与金属丝及电阻丝一起卷绕，通过控制电阻的通过电流及发热量转化为温度的升高，再根据温度对人工肌肉丝长度影响的关系来通过控制温度而控制人工肌肉丝的运动。

最开始，我们想用风扇对人工肌肉丝进行降温，但是后期我们还是将人工肌肉丝组装在一起构成一根手指，手指需要有外壳保护内部的细小结构，连同各种传感器、位置控制装置被安在一起之后，风扇的降温效果只能起到加快空气流通的速度，并不能从根本上解决问题。

最后，我们想采取如图6 所示的螺旋网状输液管编制的降温装置。输液管弹性好，可以包裹在软体机器人抓手手指表面，制成网状结构可增大与手指的接触面积，然后在输液管中通上冷水即可在需要收缩的时候降温，因为输液管管径细小，水流过全管时间更短，从而对时间点的把握改善了很多。

图6 用输液管编制的降温装置

4 项目研究总结

4.1 卷绕材料的选择

现阶段，已完成金属丝和尼龙线的良好卷绕。在研究中我们发现在卷绕金属时，不同金属丝需要的配重不一样，需要的配重越大，卷绕的人工肌肉丝就越容易断裂，且过程中伴有热现象的产生。为此，我们通过用铜丝、铁丝、镁丝、铝丝、镍丝、银丝、铜镍合金金属丝的不同材料与尼龙丝缠绕，不断调整每种材料适宜的配重。经过多次制造人工肌肉丝的试验，最后发现镍丝与尼龙丝卷绕的效果最好，需要的配重最适宜，卷绕成良好均匀的人工肌肉丝的成功概率最高。但是过程中也有很多失败的例子。

如图7 所示是我们众多实验中的两组失败案例。第一组，我们选择了高转速质量变化的实验条件，但是得到的尼龙丝缠绕复杂；第二组，我们降低转速同时改变质量，最终得到的尼龙丝会打结。

图7 失败案例对比

4.2 得到的结论

在研究中，将尼龙丝与金属丝卷绕时，不同金属丝需要的配重不一样，需要的配重越大，卷绕的人工肌肉丝也就更容易断裂，且过程中伴有热现象的产生，如图8 为卷绕失败的铁丝和尼龙丝。

经过多次将尼龙丝与不同材料金属丝（镍丝、铜丝、铁丝、镉合金丝）卷绕的试验后，最终发现镍丝与尼龙丝卷绕的效果最好（见图9），需要的配重最适宜，卷绕成良好均匀的人工肌肉丝的成功概率最高。

图8 卷绕失败的铁丝和尼龙丝

图9 卷绕良好的镍丝和尼龙丝