为什幺人造肌肉不用到机器人身上?

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为什幺人造肌肉不用到机器人身上?

其实人造肌肉这个名字取得不是很好,更贴切的名字应该叫电活性智慧材料。因为我是做水中机器人方向的,所以接下来的举例我就以水中机器人为例了。在这之前,需要来说说相关概念。

对于电力驱动机器人的驱动执行器(actuator)来说,大体可以分为两种:一种是纯机械驱动,一种是智慧材料驱动。

其中,数位舵机和步进马达都是电机的一种,也俗称马达。它们的主要作用都是产生驱动转矩,作为电器或各种机械的动力源。数位舵机只需要发送一次 PWM 信号就能保持在规定的某个位置,但是转动範围有限,多为 180 度或 360 度;而步进马达则不能实现位置控制,但是却可以沿着一个方向一直转动。所以,将马达应用在机器人的关节等活动处,可以轻鬆实现机器人所需要的运动。

为什幺人造肌肉不用到机器人身上?

SMA 的中文名叫形状记忆合金,是一种在加热升温后能完全消除其在较低温度下发生的形变,恢复其变形前原始形状的合金材料。它可以用于报警器的控制元件以及记录笔的驱动装置等。

EMA 即电磁驱动,其原理也十分简单,导体相对于磁场运动,在导体中会产生感应电流,感应电流与原磁场相互作用使导体运动起来,这就是电磁驱动。由于电磁产生的力相对较小,所以 EMA 多应用于并不需要太大力即可驱动的情况。IPMC 的中文名叫离子聚合物金属複合材料,由于其较低的驱动电压即能产生较大的位移变形,所以在机器人领域使用得较多一些,接下来我也会透过实例对这种材料进行说明。

控制精度难符实际需求

虽然表面上,智慧材料驱动是机器人驱动领域的一块新大陆,似乎可以透过对其深入挖掘和大规模的使用而大大减小机器人体积,改造其冰冷的机器外形。然而,智慧材料的形变量相对于机械驱动来讲却十分有限,精度也不够,所以很遗憾地告诉你,所谓的「人造肌肉」在机器人领域的适用範围真的很小。

下面我就以 IPMC(ionic polymer metal composite)为例,稍微说明一下。

一般是对 IPMC 厚度方向施加电压时,IPMC 会向阳极弯曲,原理见下图。那人们自然可以利用这个特点:通电——形变——驱动,把他用在机器人身上,让它产生相应的运动。而且这种材料体积小,质量轻,能够产生大运动,并且不需要轴承和滑动部件,驱动电压低。这些特点看起来,当然要好过电机那个大个头,可以减少佔地空间。

为什幺人造肌肉不用到机器人身上?

一个数位舵机只要给一个佔空比,就能让它转到我们需要的位置。但是 IPMC 的形变却是一个非线性过程,需要我一点点地标定才能最后投入使用。而且它的形变量也十分有限,最大的也只能从直的状态弯成九十度,还有一个弧度,不甚理想。

所以,这样的智慧材料可以用在控制精度不太高的地方。

例如我想控制一个机器人,让它模仿水母的喷射式推进模式一张一缩的,也不需要非得控制到张开多少,收缩多少,只要能张缩,让机器人游起来就行,这样的领域智慧材料倒是可以佔据一席地位。2012 年美国 Virginia Tech 智慧材料系统与结构中心的 Joseph Najem 等人就利用 IPMC 作为驱动器,以维多利亚多管发光水母为原型,设计製作了仿生机器水母,物理样机见下图。

为什幺人造肌肉不用到机器人身上?

(a)机器水母物理样机、(b)实验装置。

机器水母有一个可热缩的高分子膜构成的柔韧的腔体、一个中心柱、一个用于接线和支撑驱动器的平台、8 个用于保持上部稳定的桅杆和呈放射状的 IPMC 驱动器。该机器水母重 20g、直径 15 cm、高 5.8 cm。由于 IPMC 材料在电场作用下会产生弯曲变形,可以构建这种驱动器来模拟水母腔体的收缩和扩张过程,但是遗憾的是这只机器水母的速度只有 0.77mm/s,速度之小令人很失望。

总而言之,大多数的机器人控制中,控制精度是一个重要指标,而且鉴于运动範围比较小,所以所谓的人工肌肉并不能得到大面积的使用。