基于形状记忆合金的仿生假手设计

目前假肢手大多由电机驱动，其体积大、质量大不够便携，为此本文设计了一种基于形状记忆合金驱动的模块化仿生手，整体质量为188 g，每根手指可独立驱动控制。通过滑轮组绕线的方式增大SMA丝的有效长度。绘制了假肢手的三维模型并对手指7连杆机构进行运动学分析及仿真，利用MATLAB验证了其关节角度和指尖轨迹曲线，以STM32单片机作为控制器结合多传感器设计了控制系统。并通过实验验证假手指的运动状态，结果表明，SMA驱动器的输出位移可以达到假手指所需的驱动行程，假手指的指尖轨迹与理论值相符合，可以达到设计的预期目标。研究结果解决了SMA驱动位移较小的问题，为形状记忆合金材料作为仿生假手的新型驱动器以及仿生手的机械结构提供了设计思路。

手作为人体的重要组成部分，可以完成抓取、物体操作等各种复杂的任务。人手具备的五根手指共拥有21 个自由度，其在人们的日常生活中发挥着至关重要的作用。根据中国残疾人联合会的统计显示， 截止至2010 年，我国肢体残疾人数已达到2472 万人，占总残疾人口总数的30% [1]。研究人员通过仿生学、解剖学等进行各类仿生机械手的研制，其传统的驱动方式主要为自身力源驱动、电机驱动、气/液压驱动，其中电机驱动较多，但针对假手机构，即使为欠驱动设计，电机的力重比较低，且微型电机所要占用的体积空间较大，降低了机械手的设计空间，同时也增加了驱动装置的装卸难度。如清华大学所研制的欠驱动五指机械手[2]，整个手仿生人工关节囊、韧带和肌腱，其具备16 个自由度，具备极高的灵活性，但是体积较大，并且机械手本体质量高达942 g，奈良科学技术研究所研制的NAIST hand 2 [3]以及德国宇航中心研制的DLR 手[4]同样存在力重比低的问题。气压和液压驱动也常用于进行驱动，如英国Shadow 公司研制的气动肌肉用于驱动仿生灵巧手[5]， 卡尔斯鲁厄理工学院研制的集成多种传感器的液压手[6]，但是气/液压驱动器对密封性要求较高，且驱动器占用体积较大，零部件多且控制相对复杂，对于气压来说，气源设备对于可移动便携式设备是一个暂未解决的问题。

随着科学技术的进步，更多的智能材料应用于机器人系统之中。例如形状记忆合金(shape material alloy, SMA)、磁流变液、介电弹性材料用于设计更加轻型紧凑的结构。以上材料中，SMA 作为一种新型的智能材料，在各种物理环境的刺激下，可以使其恢复至初始形状，具有较高的生物相容性以及较高的力重比，使其可以制成类似肌肉的驱动器，无声的运行适用于机器人在多种场合下运行[7] [8] [9]。在所有SMA 材料中，Ni-Ti 合金由于其较低的成本、柔性、控制简单而被广泛应用。Ni-Ti 合金具有多种驱动