軟體機器人抓手人工肌肉絲的制作和研究★

代 鑫，鄒安迪，徐曉萌，田藝凡

（東北大學機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110004）

1 研究背景與意義

隨著科技的發展、人工智能的興起，加快了機器人領域的發展，同時對機器人可以工作的工作環境和條件提出了更高的要求，為此適應多種特殊情況下工作的軟體機器人也逐漸登上舞臺[1]。現階段，如何讓機器人抓手變軟并將軟體機器人抓手應用到實踐中是一個需要解決的問題。

本文用尼龍66 材料螺旋卷繞成人工肌肉纖維絲，通過纖維絲的并列排列得到一條簡單的人造肌肉絲。利用尼龍材料螺旋能收縮的特性，制作出來的肌肉纖維相對較穩定，能承載的力量比較大，也是一個新型的軟體機器人抓手制作材料選擇的一個類型。本文設計了新型的裝置，以此對人工肌肉絲的卷繞方法進行了改良；對于降溫方式，我們研制了螺旋網狀輸液管編制的降溫裝置，能對人工及肉絲實現更好的降溫控制；同時通過不同的金屬材料與尼龍絲纏繞，不斷調整每種材料適宜的配重，經過多次的試驗，最后發現，鎳絲與尼龍絲卷繞的效果最好，需要的配重最適宜，卷繞成良好均勻的人工肌肉絲的成功概率最高。

2 國內外軟體機器人抓手研究現狀及分析

2.1 國外軟體機器人抓手研究現狀

2016 年4 月，成均大學館Cho 等人將鍍銀聚合物纖維卷繞制作的人工肌肉應用于一個單指機器手，并實現了其彎曲動作，如圖1 所示[2]。

圖1 軟體機器人手指

哈佛大學的Polygerinos 等人研發了一種用于人體手關節恢復的軟體機械手，具有集成通道的彈性材料組成的氣動網格，如圖2 所示[3]。該軟體機械手通過機器手與空氣的相對作用帶動患者手指運動，達到患者手指康復訓練的作用，節省了人力物力，有很高的應用價值。

圖2 軟體機器人抓手

2.2 國內軟體機器人抓手研究現狀

中國科學技術大學王寧揚教授等設計出了一款基于蜂巢氣動網絡的軟體抓手。通過蜂巢氣動軟體驅動技術，制作了如下頁圖3 所示的軟體夾持器。

3 人工肌肉絲的材料選擇和制作

圖3 軟體夾持器

我們采用了聚合物螺旋卷繞的方法作為人工肌肉絲的制作方法。這種方法最早起源于2014 年，因其制作成本低廉、加工方便的優點而被廣泛應用。但目前國內研究此種制作方法的人較少，研究成果多在國外。

3.1 人工肌肉絲的制造和結構改良

3.1.1 人工肌肉絲卷繞方法的試驗

用聚合物螺旋卷繞的方法制成的人工肌肉絲的強度和承受能力與聚合物的材料有很大關系。選擇合適的材料可以在環境溫度變化時具有較高的承載能力，所以材料的選擇在我們做項目過程中至關重要。

首先，我們查閱大量相關資料，搜集整理并認真研讀國內外專利文獻，熟悉整體結構，最初決定用尼龍66 來進行實驗。在第一次實驗中，我們利用串聯電池的方式解決了電機功率不足的問題，并通過不斷調整尼龍絲懸掛的配重重量，希望可以得到卷繞良好并且不會還原的尼龍絲。但是第一次實驗我們一直無法得到均勻且不會變形的尼龍絲，圖4 為實驗場景。

圖4 實驗場景

3.1.2 人工肌肉絲卷繞方法的改良

后來，我們發現是由于懸掛配重的重心不穩、電機重心與懸掛重物的中心不在同一直線等問題，無法得到均勻且不會變形的尼龍絲，并且在實驗過程中出現多次尼龍絲受力不均斷裂的情況。我們在總結了第一次實驗的經驗教訓后開始了第二次實驗，在電機轉軸前段利用軟橡皮固定尼龍絲，并利用滑輪保持重物的重力處于同一直線，在滑輪前段固定直尺，以控制尼龍絲的給進速率保持尼龍絲卷繞均勻。多次修正重復試驗后我們得到了卷繞良好均勻的尼龍絲。

如圖5 是我們設計的簡易裝置。在綁定高度上，調整尼龍絲被綁在尺子上的高度使尼龍絲與電機對心旋轉；在尼龍絲進給方面，在長塑料管上刻有讀數，可以通過讀取塑料管上的刻度來判斷尼龍絲的進給是否正常；在配重方面，選擇裝水的杯子，通過改變水量，解決不同的配重對人工肌肉絲卷繞方面的影響，有利于后續在與不同種類金屬絲螺旋卷繞時進行重量的比較。最終我們制作出了穩定的卷繞螺旋尼龍絲。

圖5 卷繞實驗裝置

3.1.3 人工肌肉絲伸縮降溫方式的改良

我們在查找的資料中發現，控制人工肌肉絲伸縮的方法是通過尼龍絲與金屬絲及電阻絲一起卷繞，通過控制電阻的通過電流及發熱量轉化為溫度的升高，再根據溫度對人工肌肉絲長度影響的關系來通過控制溫度而控制人工肌肉絲的運動。

最開始，我們想用風扇對人工肌肉絲進行降溫，但是后期我們還是將人工肌肉絲組裝在一起構成一根手指，手指需要有外殼保護內部的細小結構，連同各種傳感器、位置控制裝置被安在一起之后，風扇的降溫效果只能起到加快空氣流通的速度，并不能從根本上解決問題。

最后，我們想采取如圖6 所示的螺旋網狀輸液管編制的降溫裝置。輸液管彈性好，可以包裹在軟體機器人抓手手指表面，制成網狀結構可增大與手指的接觸面積，然后在輸液管中通上冷水即可在需要收縮的時候降溫，因為輸液管管徑細小，水流過全管時間更短，從而對時間點的把握改善了很多。

圖6 用輸液管編制的降溫裝置

4 項目研究總結

4.1 卷繞材料的選擇

現階段，已完成金屬絲和尼龍線的良好卷繞。在研究中我們發現在卷繞金屬時，不同金屬絲需要的配重不一樣，需要的配重越大，卷繞的人工肌肉絲就越容易斷裂，且過程中伴有熱現象的產生。為此，我們通過用銅絲、鐵絲、鎂絲、鋁絲、鎳絲、銀絲、銅鎳合金金屬絲的不同材料與尼龍絲纏繞，不斷調整每種材料適宜的配重。經過多次制造人工肌肉絲的試驗，最后發現鎳絲與尼龍絲卷繞的效果最好，需要的配重最適宜，卷繞成良好均勻的人工肌肉絲的成功概率最高。但是過程中也有很多失敗的例子。

如圖7 所示是我們眾多實驗中的兩組失敗案例。第一組，我們選擇了高轉速質量變化的實驗條件，但是得到的尼龍絲纏繞復雜；第二組，我們降低轉速同時改變質量，最終得到的尼龍絲會打結。

圖7 失敗案例對比

4.2 得到的結論

在研究中，將尼龍絲與金屬絲卷繞時，不同金屬絲需要的配重不一樣，需要的配重越大，卷繞的人工肌肉絲也就更容易斷裂，且過程中伴有熱現象的產生，如圖8 為卷繞失敗的鐵絲和尼龍絲。

經過多次將尼龍絲與不同材料金屬絲（鎳絲、銅絲、鐵絲、鎘合金絲）卷繞的試驗后，最終發現鎳絲與尼龍絲卷繞的效果最好（見圖9），需要的配重最適宜，卷繞成良好均勻的人工肌肉絲的成功概率最高。

圖8 卷繞失敗的鐵絲和尼龍絲

圖9 卷繞良好的鎳絲和尼龍絲