熊祥章， 裴澤光,2， 陳 革,2

(1. 東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心， 上海 201620)

自然界中的動物多具有柔軟的身體，使其能夠很好地應(yīng)對外部沖擊、穿越崎嶇的地形與狹小的空間。軟體機(jī)器人由軟質(zhì)材料構(gòu)成智能機(jī)械裝置，比傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人有更多的自由度、更多樣的變形能力和更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力[1-2]。柔性致動器在受到外部激勵(如電壓、光照或溫度)后可產(chǎn)生可逆的收縮、伸長、彎曲或扭轉(zhuǎn)變形，可為軟體機(jī)器人提供運(yùn)動變形。近期，多種具有致動功能的智能材料在軟體機(jī)器人中得到了應(yīng)用[3]，如離子聚合物-金屬復(fù)合材料(IPMC)[4]、介電彈性體(DEA)[5]、形狀記憶聚合物(SMP)[6]以及形狀記憶合金(SMA)[7]等。其中，SMA是一種結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動方式便捷可靠的致動材料，而SMA絲是一種體積小的形狀記憶合金材料[8]，其具有輕質(zhì)、柔軟、占用空間小、能量/質(zhì)量比較高等特性；因此在軟體機(jī)器人的人工肌肉中得到了重要的應(yīng)用。Kim等[9]設(shè)計(jì)了一種基于SMA絲的仿海龜蹼柔性致動器，SMA絲所產(chǎn)生的致動力經(jīng)由3D打印制成的多層各向異性骨架使仿海龜蹼產(chǎn)生彎曲與扭轉(zhuǎn)變形；Wang等[10]設(shè)計(jì)了一種以Polydimethylsiloxane(PDMS)材料為基底、SMA絲與Polyvinyl Chloride(PVC)薄板對抗配置的軟體機(jī)器人致動器；Huang等[11]設(shè)計(jì)了一種U形SMA絲和導(dǎo)熱硅膠對抗配置的、能產(chǎn)生可逆的高速率伸展變形的致動器。上述柔性致動器將SMA絲與多種非致動材料進(jìn)行復(fù)合，制造過程較復(fù)雜，與其它彈性體進(jìn)行對抗配置也顯著增加了致動器的整體重量；同時，通過SMA絲受驅(qū)動后產(chǎn)生一維收縮變形，從而使致動器產(chǎn)生簡單的三維變形，輸出變形形式也較單一。

將SMA絲通過針織方法制成平面織物結(jié)構(gòu)，可將SMA絲經(jīng)加熱驅(qū)動后產(chǎn)生的一維變形轉(zhuǎn)換成針織物的三維變形。這種方法制成的柔性致動器具有可規(guī)模化制備、結(jié)構(gòu)簡單、變形多樣、質(zhì)量輕、應(yīng)變輸出量大等優(yōu)點(diǎn)，但是，利用裸露的SMA絲制成的針織物致動器，其可織性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，且無法利用通電后產(chǎn)生的焦耳熱對其進(jìn)行驅(qū)動，不利于致動器的實(shí)際應(yīng)用[12]。Han等[13]利用絕緣的滌綸長絲對SMA絲進(jìn)行包覆以制成具有致動功能的復(fù)合紗線，基于該紗線制成了針織結(jié)構(gòu)的、電阻熱驅(qū)動的花瓣?duì)钊嵝灾聞悠?，但滌綸纖維易在電阻熱的長時間作用下熔化，使針織物致動器無法在循環(huán)致動過程中保持穩(wěn)定、快速的變形效果。此外，現(xiàn)有文獻(xiàn)均未對針織物致動器在電阻熱驅(qū)動下的致動力輸出特性進(jìn)行研究，同時其循環(huán)致動性能也不明確，這極大地限制了針織物致動器在軟體機(jī)器人中的應(yīng)用。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了以鎳鈦形狀記憶合金絲為芯絲、芳綸復(fù)絲為外包纖維的可利用電阻熱進(jìn)行驅(qū)動的包覆紗，將其制成具有循環(huán)致動能力的針織物致動器，研究針織物致動器結(jié)構(gòu)參數(shù)與致動條件對其致動特性的影響規(guī)律，并探索針織物致動器的循環(huán)致動性能，以期為柔性致動器的設(shè)計(jì)提供新思路，為其在軟體機(jī)器人中的應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 SMA絲包覆紗的制備

為能夠利用電阻熱對基于SMA絲的針織物致動器進(jìn)行循環(huán)驅(qū)動，以鎳鈦形狀記憶合金(NiTi SMA)絲為芯絲，采用芳綸復(fù)絲在其外部進(jìn)行包纏，制備具有形狀記憶功能的包覆紗。其中，鎳鈦形狀記憶合金絲的直徑為150 μm，鎳、鈦在其中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50.4%、 49.6%，其物理參數(shù)如表 1所示。芳綸復(fù)絲為Kevlar 1414，其物理參數(shù)如表 2所示。利用紡織纖維對SMA絲的外部進(jìn)行包覆，可顯著改善其可織性，并有利于針織物致動器中線圈間摩擦力的提高，從而提升針織物致動器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。芳綸復(fù)絲具有良好的耐高溫性能，其熔點(diǎn)可達(dá)500 ℃，因此可作為絕緣層，防止針織物致動器相鄰線圈在電阻熱驅(qū)動下發(fā)生短路，且不會因高溫作用而產(chǎn)生熔融破壞，并具有使致動器在循環(huán)致動過程中保持穩(wěn)定變形的潛在作用。

表1 鎳鈦形狀記憶合金絲參數(shù)Tab.1 Parameters of NiTi shape memory alloy wire

表2 Kevlar 1414芳綸復(fù)絲參數(shù)Tab.2 Parameters of Kevlar aramid multi-filaments

SMA絲包覆紗的制備過程如圖1所示。包覆前，SMA絲儲存在下儲紗器中，另有1段長度為600 mm的SMA絲被上、下儲紗器所夾持。下儲紗器下方裝有載荷塊，為SMA絲的被夾持段提供恒定張力。首先，作為外包纖維的芳綸復(fù)絲的一端由上儲紗器夾持，另一端被握持，使其具有一定的張力。直流電機(jī)帶動上儲紗器、SMA絲、下儲紗器及載荷塊沿圖1(a)中箭頭方向轉(zhuǎn)動。在與SMA絲間摩擦力的作用下，芳綸復(fù)絲以Z捻緊密包覆在SMA絲外部；隨后，以前一步驟得到的包覆紗為芯紗，使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，以同樣的方法在其外部以S捻再包覆一層芳綸復(fù)絲，以此獲得具有雙包覆層(內(nèi)層纖維為Z捻、外層纖維為S捻)的SMA絲包覆紗。2層緊密包覆的復(fù)絲層可有效去除芳綸絲間的空隙，有助于SMA絲在致動過程中的散熱，2層復(fù)絲不同的捻向還可使2個包覆層產(chǎn)生的扭矩相抵消，因此可避免紗線內(nèi)部殘余扭矩對SMA絲的運(yùn)動產(chǎn)生影響[14]。制備包覆紗的平均直徑為300 μm。

1—直流電動機(jī)；2—上儲紗器；3—SMA絲；4—下儲紗器； 5—載荷塊；6—芳綸復(fù)絲；7—SMA絲包覆紗；8—芳綸復(fù)絲。圖1 SMA絲包覆紗制備過程Fig.1 Fabrication process of covered yarn with SMA wire as the core. (a) First wrap； (b) Second wrap

當(dāng)SMA絲包覆紗中的SMA絲由常溫下的馬氏體狀態(tài)被加熱至奧氏體相變開始溫度(70 ℃)以上時，其中的馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相。在此相變過程中，SMA絲將恢復(fù)為原有形狀(直線狀)，其塑性大幅降低，同時SMA絲將在長度方向上約收縮總長度的4%。當(dāng)其溫度重新恢復(fù)到馬氏體相變開始溫度(60 ℃)以下時，合金絲中奧氏體相恢復(fù)為馬氏體相，但在此相變過程中，SMA絲將保持初始形狀但其塑性大幅提高[15]。因此，SMA絲包覆紗受電阻熱驅(qū)動后也將呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。

1.2 針織物致動器的制備

利用所制備的SMA絲包覆紗按照文獻(xiàn)[16]提供的手工針織方法，采用竹制棒針織制緯平針組織針織物致動器。以直徑2 mm的棒針針織而成的、具有3列26行線圈的針織物致動器在初始狀態(tài)、驅(qū)動狀態(tài)的俯視圖與側(cè)視圖見圖2。

從圖2可以看出，致動器中連續(xù)的橫向線圈組成的一行為線圈橫列，而相互串套的縱向線圈組成的一列為線圈縱行[17]，其線圈縱行方向與圖中X軸方向平行?？煽闯?，致動器沿線圈橫列方向共有3列縱行線圈，線圈縱行數(shù)為3，沿線圈縱行方向共有26行橫列線圈，線圈橫列數(shù)為26，則該致動器由3列26行線圈構(gòu)成。

針織物致動器在初始狀態(tài)下的線圈縱行方向的長度為49.52 mm，線圈橫列方向的長度為8.28 mm，高度為3.74 mm，其線圈縱行方向的線圈密度為0.53個/mm，線圈橫列方向上的線圈密度為0.36個/mm。對致動器通250 mA的直流電流，將其加熱至奧氏體相變溫度以上，致動器的形狀變化如圖2(c)、(d)所示，可以發(fā)現(xiàn)針織物致動器在受到電阻熱驅(qū)動后沿線圈縱行方向產(chǎn)生了較大幅度的彎曲變形，其反面向上方凸起。致動器變形后，其兩端的距離縮短至32 mm，致動器的高度增加至15 mm。針織物致動器中只有線圈的圈柱沿線圈縱行方向分布，且線圈的圈柱處于織物的下表面(正面)內(nèi)，針編弧和沉降弧處于織物上表面(反面)內(nèi)。致動器由馬氏體狀態(tài)相變?yōu)閵W氏體狀態(tài)后(塑性降低)，線圈的圈柱長度在線圈縱行方向上收縮了4%，導(dǎo)致針織物致動器的上下表面產(chǎn)生長度差，使致動器產(chǎn)生彎曲形變而在兩端輸出致動力。當(dāng)致動器由奧氏體狀態(tài)恢復(fù)為馬氏體狀態(tài)后(塑性提高)，線圈的圈柱將在織物本身的重力作用下逐漸恢復(fù)為初始狀態(tài)的長度，彌補(bǔ)了上、下表面的長度差，因此致動器兩端輸出的致動力逐漸降低并最終變?yōu)榱恪?/p>

1.3 針織物致動器致動力輸出特性測試

如圖2(d)所示，定義H為針織物致動器致動變形時的高度。針織物致動器在受電阻熱驅(qū)動而發(fā)生彎曲變形的過程中，將在面內(nèi)線圈縱行方向(X方向)與垂直于織物平面方向(Y方向)上輸出致動力，二者分別反映了致動器在2個方向的負(fù)載能力。為研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與致動條件對針織物致動器致動力輸出特性的影響，分別設(shè)計(jì)了測量針織物致動器在2個方向上致動力輸出能力的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)測量原理示意圖見圖3。垂直于平面方向上的致動力F1的測量方法如圖3(a)所示，針織物致動器的中部由上方的夾具所夾持，其一端為非測試端，處于懸空狀態(tài)；另一端為測試端，輕搭在JHBS-1 kg壓力傳感器(蚌埠傳感器系統(tǒng)工程有限公司)的測量平面上。夾具上夾持部的下表面與測量平面間距離為6 mm。當(dāng)致動器受驅(qū)動后向下方彎曲，測試端將對測量平臺產(chǎn)生壓力，即可測試出F1。面內(nèi)線圈縱行方向的致動力F2的測量方法如圖3(b)所示，針織物致動器整體懸空，其一端固定在位于可沿滑軌滑動以調(diào)整水平位置的滑塊夾具上，另一端由1根長度為150 mm的不可拉伸繩連接至JLBS-M2-1 kg拉力傳感器(蚌埠傳感器系統(tǒng)工程有限公司)的測量元件上。由于針織物的保形性較差，為使針織物致動器在初始狀態(tài)下保持伸直狀態(tài)，測試前通過夾具對其施加0.01 N的預(yù)拉力。當(dāng)致動器受熱驅(qū)動產(chǎn)生變形時，將對拉力傳感器產(chǎn)生拉力，即可測試出F2。

1—針織物致動器；2—夾具上夾持部；3—夾具下夾持部； 4—壓力傳感器；5—滑軌；6—滑塊；7—夾具； 8—針織物致動器；9—不可拉伸繩；10—拉力傳感器。圖3 實(shí)驗(yàn)測量原理示意圖Fig.3 Schematic diagrams of experimental measurement principle. (a) Schematic diagram of measuring method for F1; (b) Schematic diagram of measuring method for F2

為較全面地評價(jià)針織物致動器的致動特性，采用上述實(shí)驗(yàn)方法，對針織物致動器結(jié)構(gòu)參數(shù)與致動條件對致動器致動力輸出特性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，并探究了不同致動條件下致動器的循環(huán)致動性能，其中研究的針織物結(jié)構(gòu)參數(shù)包括線圈橫列數(shù)與線圈尺寸，致動條件參數(shù)包括致動電流值及循環(huán)致動過程中的冷卻時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 線圈橫列數(shù)對致動力輸出特性的影響

為研究針織物致動器線圈橫列數(shù)對致動力輸出特性的影響，實(shí)驗(yàn)中采用250 mA的直流電流對針織物致動器進(jìn)行加熱，輸出力達(dá)到穩(wěn)定后讀取示數(shù)(此時傳感器的示數(shù)為致動器輸出致動力達(dá)到的最大值)，每個試樣測量5次后取平均值。測試中采用的試樣由直徑3.25 mm的棒針針織而成，線圈縱行數(shù)均為3。針織物致動器輸出的致動力見圖4。

圖4 不同線圈橫列數(shù)的針織物致動器輸出的致動力Fig.4 Actuating forces of knit actuator with different number of columns. (a) Change rule of F1 with different number of columns； (b) Change rule of F2 with different number of columns

由圖4(a)可看出，隨著線圈橫列數(shù)的增加，F(xiàn)1逐漸降低，但降低的幅度較小。當(dāng)針織物致動器的線圈橫列數(shù)為18時，F(xiàn)1達(dá)到最大值0.067 N；當(dāng)線圈橫列數(shù)為32時，F(xiàn)1為最小值0.055 N。針織物致動器輸出的致動力F1與其質(zhì)量的比值在線圈橫列數(shù)為18時達(dá)到最大值0.42 N/g。因此當(dāng)針織物致動器應(yīng)用在需要承擔(dān)較大垂直負(fù)載的場合時，應(yīng)采用較少的線圈橫列數(shù)。由圖4(b)可看出，隨著線圈橫列數(shù)的增加，F(xiàn)2近似呈線性規(guī)律增大。當(dāng)針織物致動器的線圈橫列數(shù)為18時，F(xiàn)2為最小值0.49 N；當(dāng)線圈橫列數(shù)為32時，F(xiàn)2達(dá)到最大值0.75 N。針織物致動器輸出的致動力F2與其質(zhì)量的比值在線圈橫列數(shù)為32時最大，為2.68 N/g。當(dāng)針織物致動器應(yīng)用在需要承擔(dān)較大水平負(fù)載時，應(yīng)采用較多的線圈橫列數(shù)。

2.2 線圈尺寸對致動力輸出特性的影響

不同直徑的棒針針織而成的致動器具有不同尺寸的線圈，線圈尺寸直接影響著針織物致動器的整體尺寸與線圈密度，因此將影響致動器的致動力輸出特性。

不同直徑棒針針織而成的致動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。為研究線圈尺寸對針織物致動器致動力輸出特性的影響，實(shí)驗(yàn)中采用250 mA的直流電流對各針織物致動器通電10 s后停止，在開始通電直至SMA絲恢復(fù)至馬氏體狀態(tài)的時間段內(nèi)連續(xù)測量各致動器輸出的致動力。該方法可測試出致動器在通電時，其由馬氏體相變?yōu)閵W氏體繼而在停止通電后又恢復(fù)為馬氏體狀態(tài)的過程中，致動力的輸出特性。測試中試樣的線圈縱行數(shù)為3，線圈橫列數(shù)為26。

表3 不同直徑棒針針織而成的致動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Structural parameter values of knit actuators knitted by different needles

不同直徑的棒針針織而成的致動器在單次致動過程中的致動力見圖5。由圖5(a)可看出，所有試樣在開始通電后的一段時間內(nèi)，F(xiàn)1值保持為零。該時間段被稱為致動器的響應(yīng)時間。隨后F1值由零開始增加，其后在停止通電后的短時間內(nèi)達(dá)到峰值，隨后F1值開始下降，最終降低為零。在通電階段，針織物致動器的線圈尺寸越大，F(xiàn)1的響應(yīng)時間越長。所有試樣輸出F1值的增加速率相差不大，且均能夠在停止通電后的1～3 s內(nèi)達(dá)到相同的最大值(0.059 N)。在冷卻階段，使用直徑為2、3 mm的棒針織制的致動器的F1值的降低速率較使用直徑為2.5、3.25 mm的棒針織制的致動器的降低速率更快。

由圖5(b)可看出，所有試樣在開始通電后的一段時間(響應(yīng)時間)內(nèi)，F(xiàn)2值保持為零。隨后F2值由零開始增加，其后在停止通電后的短時間內(nèi)達(dá)到峰值，隨后F2值開始下降，最終降低為零。當(dāng)F2越接近零時，其降低速度越慢。所有試樣致動力F2的響應(yīng)時間均比較接近(約為2 s)。隨著線圈尺寸逐漸增大，致動力F2的增加速率均隨之增大，并均在停止通電后的1～2 s內(nèi)達(dá)到最大值，其中直徑為3.25 mm的棒針織制的致動器F2最大值在所有試樣中為最大，達(dá)到0.56 N，而直徑為2 mm的棒針織制的致動器F2最大值在所有試樣中為最小，為0.28 N。在冷卻初始階段，線圈尺寸越大，致動力F2的降低速率越高，但在冷卻階段后期，所有試樣F2的降低速率較為接近。

圖5 不同直徑的棒針針織而成的致動器在單次致 動過程中的致動力輸出特性Fig.5 Actuating forces of knit actuators knitted by different diameter needles in process of actuation for a single cycle. (a) Output characteristics of F1；(b) Output characteristics of F2

綜合來看，線圈尺寸主要影響了針織物致動器在面內(nèi)線圈縱行方向輸出的致動力F2。線圈尺寸越大，F(xiàn)2值越大。其中，由直徑為3 mm的棒針針織而成的致動器的F2值因在受熱驅(qū)動階段增加速率較快，能夠達(dá)到的最大值也更大，且冷卻初始階段具有較快的下降速率，同時其F1值的下降速率也較快，因此致動力輸出性能最為優(yōu)異。

2.3 致動電流值對致動力輸出特性的影響

采用不同大小的致動電流對針織物致動器進(jìn)行加熱驅(qū)動時，其承受的電阻熱與升溫速率不同，因此針織物致動器將表現(xiàn)出不同的致動力輸出特性。為研究致動電流值對針織物致動器致動力輸出特性的影響，實(shí)驗(yàn)中采用不同大小的致動電流對針織物致動器通電10 s后停止，在開始通電直至致動器中的SMA絲恢復(fù)至馬氏體狀態(tài)的時間段內(nèi)連續(xù)測量致動器輸出的致動力。測試中的試樣均采用直徑為3 mm的棒針針織而成，線圈縱行數(shù)均為3，線圈橫列數(shù)均為26。不同致動電流下致動器單次致動過程中致動力輸出情況見圖6。

圖6 不同致動電流下致動器單次致動過程中 致動力輸出特性Fig.6 Actuating force of knit actuator driven by different current in process of actuation for a single cycle. (a) Output characteristics of F1;(b) Output characteristics of F2

由圖6(a)可以看出，試樣在通電后的一段時間(響應(yīng)時間)內(nèi)，F(xiàn)1值仍保持為零，隨后開始上升并在通電結(jié)束后一段時間內(nèi)達(dá)到峰值，而后F1值開始下降并逐步降低至零。致動電流越大，致動器的F1響應(yīng)時間越短，F(xiàn)1值在通電階段增加的速率越快，達(dá)到的最大值越大。所有致動條件下試樣的F1值均可在停止通電后的1～3 s內(nèi)達(dá)到最大值，其中當(dāng)致動電流為280 mA和300 mA時，致動力F1的最大值最大為0.088 N，而當(dāng)致動電流為200 mA時，致動力F1的最大值最小，為0.039 N。在冷卻階段，致動電流越大，致動器的F1從最大值降低為零所需的時間越長。

從圖6(b)可以看出，所有試樣F2值在通電后約2 s后仍保持為零，隨后從零開始上升并在停止通電后一段較短時間內(nèi)達(dá)到峰值，其后曲線逐漸下降，最終降低為零，且降低的速率逐漸減小。在通電階段，隨著致動電流的增大，致動力F2的響應(yīng)時間較為接近，但F2值增加的速率越快，達(dá)到的最大值越大。所有致動電流下試樣的F2均可在停止通電后的1～3 s內(nèi)達(dá)到最大值，其中當(dāng)致動電流為300 mA時，致動力F2的最大值最大為0.49 N；而當(dāng)致動電流為200 mA 時，致動力F2達(dá)到的最大值最小為0.3 N。在冷卻初始階段，致動電流越大，致動力F2下降的速率越快，但在冷卻階段后期，F(xiàn)2下降至零所需的時間更長。

綜合來看，致動電流值對針織物致動器中SMA絲的相變過程影響較顯著。致動電流值越大，SMA絲由馬氏體相變?yōu)閵W氏體的速率越快，而由奧氏體恢復(fù)為馬氏體的速率越慢。當(dāng)致動電流大于240 mA時，針織物致動器輸出的致動力值較大，在冷卻階段致動器由奧氏體恢復(fù)為馬氏體狀態(tài)所需的時間較長；當(dāng)致動電流小于240 mA時，針織物致動器輸出的致動力較低，但在冷卻階段致動器由奧氏體恢復(fù)為馬氏體狀態(tài)所需的時間較短。因此，致動電流應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合的需求(高致動力或者低冷卻時間)進(jìn)行選擇。

2.4 冷卻時間對循環(huán)致動特性的影響

循環(huán)致動特性表示在連續(xù)間歇通電驅(qū)動下，針織物致動器輸出的致動力的變化規(guī)律。冷卻時間的變化將影響針織物致動器由奧氏體恢復(fù)為馬氏體狀態(tài)的相變過程，因此將影響致動器的致動力輸出特性。為研究不同冷卻時間下致動器的循環(huán)致動性能，實(shí)驗(yàn)中采用240 mA的直流電流對針織物致動器通電10 s后停止，隨后冷卻一定時間，如此循環(huán)20次，在開始通電直至第20次循環(huán)結(jié)束的時間段內(nèi)連續(xù)測量不同的冷卻時間下致動器輸出的致動力的變化情況。測試中的試樣均采用直徑為3 mm的棒針針織而成，線圈縱行數(shù)均為3，線圈橫列數(shù)均為26。不同冷卻時間下針織物致動器循環(huán)致動過程中致動力輸出情況見圖7。

由圖7(a)可看出，在20個致動循環(huán)中，致動力F1與F2的增加速率、達(dá)到的最大值和降低速率均可保持穩(wěn)定，沒有顯著的變化，其中F1的最大值可達(dá)0.049 N，并可在20 s的冷卻時間內(nèi)恢復(fù)為零，而F2的最大值穩(wěn)定在0.43 N左右，且可在20 s的冷卻時間內(nèi)恢復(fù)至0.04 N左右。在1個致動周期中，針織物致動器致動力的最大值與最小值的差值越大，致動器能夠輸出的有效功越高。

圖7 不同冷卻時間下針織物致動器循環(huán)致動過程中 致動力輸出情況Fig.7 Actuating forces of knit actuator under different cooling time in process of cyclic actuation. (a) Cooling time of 20 s；(b) Cooling time of 15 s； (c) Cooling time of 10 s

由圖7(b)可看出，在20個致動循環(huán)中，致動器F1與F2的增加速率、達(dá)到的最大值和降低速率均可保持穩(wěn)定，其中F1的最大值穩(wěn)定在0.049 N左右，并可在15 s的冷卻時間內(nèi)恢復(fù)至0.01 N左右，而F2的最大值穩(wěn)定在0.43 N左右，且可在15 s的冷卻時間內(nèi)恢復(fù)至0.078 N左右。

由圖7(c)可看出，在20個致動循環(huán)中，致動器F1與F2的增加速率、達(dá)到的最大值和降低速率均可保持穩(wěn)定，其中F1的最大值穩(wěn)定在0.049 N左右，并可在15 s的冷卻時間內(nèi)恢復(fù)至0.02 N左右，而F2的最大值穩(wěn)定在0.45 N左右，并可在15 s的冷卻時間內(nèi)恢復(fù)至0.17 N左右。

綜合來看，冷卻時間的減小對循環(huán)致動過程中輸出致動力F1與F2的最大值沒有明顯影響，但最小值有所增加，導(dǎo)致針織物致動器在1個致動周期中的最大值與最小值的差值略有降低，即輸出的有效功減小。不同冷卻時間下，致動器在循環(huán)致動過程中F1與F2的增加速率、最大值和降低速率均可保持穩(wěn)定，因此，本文所制備的針織物致動器具有以一定頻率的循環(huán)致動的能力，表明其在軟體機(jī)器人中具備一定的實(shí)際應(yīng)用潛力。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了以鎳鈦形狀記憶合金絲為芯絲、芳綸復(fù)絲為外包纖維的SMA絲包覆紗，通過針織技術(shù)用此包覆紗制備了1種可利用電阻熱驅(qū)動以產(chǎn)生主動變形的針織物致動器，研究了致動器結(jié)構(gòu)參數(shù)與致動條件對其致動力輸出特性的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

1)緯平針針織物結(jié)構(gòu)的柔性致動器受電阻熱驅(qū)動后將產(chǎn)生沿線圈縱行方向的彎曲變形。

2)隨著針織物致動器線圈橫列數(shù)的增加，其沿面內(nèi)線圈縱行方向輸出的致動力近似呈線性關(guān)系顯著增加，而在垂直于織物平面方向輸出的致動力略有降低。

3)當(dāng)針織物致動器的線圈尺寸增加時，其在致動過程中沿面內(nèi)線圈縱行方向輸出的致動力隨之增加，且在冷卻階段致動力降低速率較快。

4)提高致動電流值將使針織物致動器輸出的致動力增大，但在冷卻過程中將增加致動器由奧氏體恢復(fù)為馬氏體狀態(tài)的時間。

5)在循環(huán)致動過程中，冷卻時間的減小將使針織物致動器輸出的有效功減小，但針織物致動器具有穩(wěn)定、快速的循環(huán)致動能力。