基于生物肌肉的仿生驱动装置研究

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1、西北I'业火学硕士学位论随着驱动装置在工效率较低和灵活性不够f设计具有和生物驱动成为当前一个热点研究驱动装置各自存在的优精度控制、仿生肌肉的11♦・l»于Jaa电编化序序空去仙詈凸診两北〜I:业人学硕士学位论§1・1引言人类在长期的生产如水能、太阳能、风能農制作了多种机器以代替.而且自身并不能够产生E直接转换为原动力。这:两JEr业火学硕士学能论文丫气压驱动成:理容易,能'量比值弓液压驱动技术要雷噩动"度大。£断.It：—L：业大学硕能接受范围内的力。同日原动力传递给机器，以彳因此使用电力驱动:运动转换为低转速大力动。此外为了减轻各驱平衡等问题，采用电机而是安装在适当的位

2、置i机驱动装簧时，需要专杂,效率降低，灵活性例如在仿生机器人I蟻無细丝构成。如图1堕！！・！：些盔堂械能的特性是迄今为止丿噪声、无污染、体积小点也十分引人注目。从§1・3基于肌肉£目前，对于基于肌I用的技术和材料多种多7较好的成绩。从宏观上棗看是目西北，1:业大学硕士学位讥厚§1・3.1.2肌肉£■■j:对肌西北r业大学硕士学位论文〔肌肉内部是如何实现肌0收缩是由于肌原纤维中乡推动下，彼此相互滑行白子由一条杆形的主杆和-白，原肌凝蛋白和原宁?横桥与肌纤蛋白的结合上的收缩【41。在这一钙与肌原蛋白结合，肌E也随之变化，使肌动蛋E被激活，它分解ATPe.orasm砖北i业大学

3、硕+学位论文Equation）。錨覺型串iW性元和并上肌肉粘弹性力学特性对Crowe(1970篇轅分的模型（温特1肌肉力学的例如，将串联和并联弹进时阳—丨因素等等。三元素模型的根本弱点Xi§1.3.2制作仿生肌肉驱动器的材料或技术及应用实例从上面对肌肉的研究中我们可以看出，肌岗的主耍工作方式就是伸缩。所以可以找到在外部控制下，能够产生伸缩的材料或技术，制造“人造肌肉”当作仿生驱动装遼的驶动器。根据参考文献【8］和仿生肌肉的驱动装置自身特点，我们认为要使得基于肌肉仿生的驱动装爱具有和生物肌肉驱动装置相同或相近的效果。基于肌肉仿生的张动装嚴屮的仿牛肌肉首先需要满足下列儿条要求

4、：1.仿生肌肉具有收缩和恢复两个状态。这两个状态之间的转换可以通过简单的外部控制量/信号来控制，如通/断电：2.仿生肌肉收缩和恢复频率必须和控制量/信号的频率保持〜致，以让每一条仿生肌肉能够进行所要求的收缩或恢复。同时仿生肌肉自身的收缩和恢复频率也应当尽可能高；3.仿生肌肉必须能够产生足够的位移和力，以保证驱动装置整体能够具有足够的输出力，來驱动其他装置；4.为了有效的控制驱动装置输出力的人小，仿生肌肉必须能够具有可以控制的不同等级的收缩能力;5.仿牛肌肉的收缩必须可重复，不仅仅〜条仿牛:肌肉可以承受一千次以上的收缩/舒张，rfoH—定数量的仿生肌肉也必须能够达到这一要求

5、。6.仿牛肌肉的忍受力必须能够满足要求（可以达到一万次以上的收缩/舒张这一循环）。同时作为驱动装置整体也应当具有一些要求：1.驱动装置整体应具有很好的灵活性。研制仿工肌肉的张动装景很大原因就是希望其能够貝有与生物驱动装置相类似的灵活性；2.驱动装置整体应当具有很好的兀余性。构成驱动装置的单个驱动器——仿生肌肉局部失去工作能力不影响或较小影响驱动装置的整体匚作情况:3.驱动装置整体还应具有很好的可控制性。驱动装置整体作为一个驱兰堕堕二！坠堂堡圭卷:堡堡芒兰=量堕塑5.在满足精度和输出力的大小前捉下，駅动装置的构成应当尽可能的简单，以方便维修和替换。现在国内外广泛研究使用的“

6、人造肌肉”材料主要你电致收缩聚合物、形状口I乙合金、气动人工肌肉等，采用的技术主要有气动和液压技术。下面分别对这些材料和技术进行介绍。§1.3.2.1形状记忆合金形状记忆合金(ShapcMcmoryAlloy,SMA)。形状记忆合金是一种新型的功能材料，其主要特征是貝有形状记忆效应，及某些经过变形的金属具冇受热后能恢复其变形前形状的能力，即口身的晶体状态在外界温度变化的情况下发牛改变。例如当刈Ni——Ti形状记忆合金丝加热时，其晶体状态从马氏体状态变化为体状态，这一过程可以产生大约5%的收缩。而当温度卜•降时，SMA乂可以恢复到加热前的状态。这是由于材料内部组织出现热弹性

7、马氏体转变，即一种挛晶式层错引起的晶体相变。在工程应用屮，因为记忆合金对在特定的温度范围内产生与温度成函数关系的位移和力，可将热能转换为机械能，再通过控制加热或冷却，即可获得重复性很好的设世的循环动作。而且对温度敏感性高，输出应力大，不仅可以完全替代热偶(双金属条)，述对以完成热偶所不能进行的人功率驱动等功能【9】110】【1I】。近年來有研究发现SMA和骨骼肌力学行为极为相似，如它们的应力〜应变关系都存在非线性；它们在加载〜卸载过程中都存在滞后现象；在恒定应变状态下都存在应力松弛现象；在电脉冲的刺激下它们都可以能动地收缩而产