為什麼人造肌肉不用到機器人身上?

作者 | 發布日期 2015 年 08 月 22 日 0:00 | 分類 機器人 follow us in feedly

其實人造肌肉這個名字取得不是很好,更貼切的名字應該叫電活性智慧材料。因為我是做水中機器人方向的,所以接下來的舉例我就以水中機器人為例了。在這之前,需要來說說相關概念。



對於電力驅動機器人的驅動執行器(actuator)來說,大體可以分為兩種:一種是純機械驅動,一種是智慧材料驅動。

純機械驅動自然就是依靠數位舵機和步進馬達等,這些直接依靠機械結構的配合與運轉來驅動機器人身體部位運動的驅動系統來運作。

其中,數位舵機和步進馬達都是電機的一種,也俗稱馬達。它們的主要作用都是產生驅動轉矩,作為電器或各種機械的動力源。數位舵機只需要發送一次 PWM 信號就能保持在規定的某個位置,但是轉動範圍有限,多為 180 度或 360 度;而步進馬達則不能實現位置控制,但是卻可以沿著一個方向一直轉動。所以,將馬達應用在機器人的關節等活動處,可以輕鬆實現機器人所需要的運動。

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而智慧材料驅動就是依靠類似於 SMA(shape memory alloy)、EMA(electromagnetic actuation)、IPMC(ionic polymer metal composite)這些智慧材料通電或者溫度變化產生的形變產生驅動力而進行運動。

SMA 的中文名叫形狀記憶合金,是一種在加熱升溫後能完全消除其在較低溫度下發生的形變,恢復其變形前原始形狀的合金材料。它可以用於報警器的控制元件以及記錄筆的驅動裝置等。

EMA 即電磁驅動,其原理也十分簡單,導體相對於磁場運動,在導體中會產生感應電流,感應電流與原磁場相互作用使導體運動起來,這就是電磁驅動。由於電磁產生的力相對較小,所以 EMA 多應用於並不需要太大力即可驅動的情況。IPMC 的中文名叫離子聚合物金屬複合材料,由於其較低的驅動電壓即能產生較大的位移變形,所以在機器人領域使用得較多一些,接下來我也會透過實例對這種材料進行說明。

 

控制精度難符實際需求

雖然表面上,智慧材料驅動是機器人驅動領域的一塊新大陸,似乎可以透過對其深入挖掘和大規模的使用而大大減小機器人體積,改造其冰冷的機器外形。然而,智慧材料的形變量相對於機械驅動來講卻十分有限,精度也不夠,所以很遺憾地告訴你,所謂的「人造肌肉」在機器人領域的適用範圍真的很小。

下面我就以 IPMC(ionic polymer metal composite)為例,稍微說明一下。

IPMC 這種材料的特點就是,你只要對它通電,它就會產生形變。

一般是對 IPMC 厚度方向施加電壓時,IPMC 會向陽極彎曲,原理見下圖。那人們自然可以利用這個特點:通電——形變——驅動,把他用在機器人身上,讓它產生相應的運動。而且這種材料體積小,質量輕,能夠產生大運動,並且不需要軸承和滑動部件,驅動電壓低。這些特點看起來,當然要好過電機那個大個頭,可以減少佔地空間。

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但是這個肌肉的的另一個特點與機器人控制上的一個重要需求有所相左,就是控制上不太好操作。

一個數位舵機只要給一個佔空比,就能讓它轉到我們需要的位置。但是 IPMC 的形變卻是一個非線性過程,需要我一點點地標定才能最後投入使用。而且它的形變量也十分有限,最大的也只能從直的狀態彎成九十度,還有一個弧度,不甚理想。

所以,這樣的智慧材料可以用在控制精度不太高的地方。

例如我想控制一個機器人,讓它模仿水母的噴射式推進模式一張一縮的,也不需要非得控制到張開多少,收縮多少,只要能張縮,讓機器人遊起來就行,這樣的領域智慧材料倒是可以佔據一席地位。2012 年美國 Virginia Tech 智慧材料系統與結構中心的 Joseph Najem 等人就利用 IPMC 作為驅動器,以維多利亞多管發光水母為原型,設計製作了仿生機器水母,物理樣機見下圖。

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▲ (a)機器水母物理樣機、(b)實驗裝置。

機器水母有一個可熱縮的高分子膜構成的柔韌的腔體、一個中心柱、一個用於接線和支撐驅動器的平台、8 個用於保持上部穩定的桅杆和呈放射狀的 IPMC 驅動器。該機器水母重 20g、直徑 15 cm、高 5.8 cm。由於 IPMC 材料在電場作用下會產生彎曲變形,可以構建這種驅動器來模擬水母腔體的收縮和擴張過程,但是遺憾的是這只機器水母的速度只有 0.77mm/s,速度之小令人很失望。

總而言之,大多數的機器人控制中,控制精度是一個重要指標,而且鑑於運動範圍比較小,所以所謂的人工肌肉並不能得到大面積的使用。

(本文由 雷鋒網 授權轉載) 

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