沐阳浸月,中科院重点实验室,研究水下机器人。
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。
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。
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。
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。
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