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为什么人造肌肉不用到机器人身上?

本文作者:栗向滨 2015-08-19 14:45
导语:为什么不把人造肌肉用到机器人身上?这些科普知识你都了解么?

为什么人造肌肉不用到机器人身上?

其实人造肌肉这个名字起得不是很好,更妥帖的名字应该叫电活性智能材料。因为我是做水下机器人方向的,所以接下来的举例我就以水下机器人为例了。在这之前,需要来说说相关概念。

对于电力驱动的机器人的驱动机构(actuator)来说,大体可以分为两种:一种是纯机械驱动,一种是智能材料驱动。

纯机械驱动自然就是依靠数字舵机和步进电机等,这些直接依靠机械结构的配合与运转来驱动机器人身体部位运动的驱动系统来运作。

其中,数字舵机和步进电机都是电机的一种,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。数字舵机只需要发送一次PWM信号就能保持在规定的某个位置,但是转动范围有限,多为180度或者360度;而步进电机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,可以轻松实现机器人所需要的运动。

为什么人造肌肉不用到机器人身上?

而智能材料驱动就是依靠类似于SMA (shape memory alloy)、EMA (electromagnetic actuation)、IPMC (ionic polymer metal composite)这些智能材料通电或者温度变化产生的形变产生驱动力而进行运动。

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复合材料,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,接下来我也会通过实例对这种材料进行说明。

虽然表面上,智能材料驱动是机器人驱动领域的一块新大陆,似乎可以通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,智能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范围真的很小。

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

IPMC这种材料的特点就是,你只要对它通电,它就会产生形变。

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,可以减少占地空间。

为什么人造肌肉不用到机器人身上?

但是这个肌肉的的另一个特点与机器人控制上的一个重要需求有所相左,就是控制上不太好操作。

一个数字舵机只要给一个占空比,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。而且他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,这样的智能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,这样的领域智能材料倒是可以占据一席地位。2012年美国Virginia Tech智能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,设计制作了仿生机器水母,物理样机见下图。

为什么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,速度之小令人很是失望。 

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,而且鉴于运动范围比较小,所以所谓的人工肌肉并不能得到大面积的使用。

编者注:以上2张图片来源——

1、IPMC材料:Bhandari B, Lee G Y, Ahn S H. A review on IPMC material as actuators and sensors: Fabrications, characteristics and applications[J]. International Journal of Precision Engineering & Manufacturing, 2012, 13(1):141-163.

2、 机器水母物理样机实验装置:Najem J, Leo D J. A bio-inspired bell kinematics design of a jellyfish robot using ionic polymer metal composites actuators[C]. SPIE Smart Structures and Materials + Nondestructive Evaluation and Health MonitoringInternational Society for Optics and Photonics, 2012.

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中科院自动化所复杂系统国家重点实验室研究生毕业,机器学习与计算机视觉方向算法工程师。
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