学术研究报告：集成触觉传感器的顺应性水下机械手及其在SMA驱动系统中的非线性力反馈控制研究

一、 作者、机构与发表信息 本研究的主要作者包括：Maohua Lin（第一作者，所属机构：佛罗里达大西洋大学海洋与机械工程系）、Morteza Vatani（阿克伦大学机械工程系）、Jae-Won Choi（阿克伦大学机械工程系）、Savas Dilibal（伊斯坦布尔盖迪克大学机电工程系）以及Erik D. Engeberg（通讯作者，佛罗里达大西洋大学海洋与机械工程系）。该研究成果以题为“Compliant underwater manipulator with integrated tactile sensor for nonlinear force feedback control of an SMA actuation system”的论文形式，发表于期刊《Sensors and Actuators A: Physical》，最终编辑版本于2020年11月1日出版（卷315）。

二、 学术背景与研究目的 本研究隶属于软体机器人、水下操作与先进传感技术交叉领域。海洋蕴藏着丰富的生物与矿产资源，然而在浑浊的水下环境中进行精细探测与操作极具挑战。传统刚性机械手难以安全处理脆弱样本，而具备触觉反馈的软体机械手被视为关键工具。尽管柔性集成触觉传感器的研究已取得进展，但仍面临诸多挑战：适用于水下环境的、兼具顺应性与可拉伸性的触觉传感器尚待开发；现有传感器的水下可靠性与多功能性有限；复杂的布线、封装和组装工艺导致制造成本高昂。

针对上述问题，本研究旨在开发一种新型的水下软体机器人手指系统。其核心目标包括：1) 设计并制造一种可直接3D打印在机械手指尖上的多层可拉伸类皮肤触觉传感器，以简化集成工艺并降低成本；2) 利用形状记忆合金作为驱动器，构建一种仿人手指的拮抗式驱动结构；3) 开发一种非线性力反馈控制器，利用上述触觉传感器的反馈实现精确的指尖力控制；4) 通过水下实验验证该系统的力跟踪性能；5) 建立三维有限元多物理场模型，深入理解水下环境中SMA驱动器的热-流-固耦合行为；6) 探索利用肌电信号进行直观人机操控的应用潜力。最终，研究团队期望开发出一种能够在水下精细、安全操作脆弱物体的新型软体机器人末端执行器。

三、 详细研究流程与方法 本研究包含一个系统性的工作流程，涵盖了材料制备、器件制造、控制器开发、实验验证以及仿真建模等多个环节。

1. 材料制备与驱动器训练： 研究首先进行了功能材料的制备。导电电极材料通过将非共价功能化的多壁碳纳米管分散到一种光/热双固化光聚合物（Fullcure® 930 Tangoplus）中制成，碳纳米管含量高于渗透阈值以确保导电网络形成。压阻式压力敏感材料则由离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐）与柔性光固化单体（CN9021）混合制备。形状记忆合金驱动器采用厚度1mm的NiTi合金板（Ni50.1Ti49.9原子重量比），通过电火花加工切割成“U”形。关键的步骤是对SMA驱动器进行热机械训练：屈肌驱动器被训练为在焦耳加热时呈现弯曲的指状形状，而伸肌驱动器则被训练为在加热时变直。此训练过程需要至少100次热循环以达到稳定、可重复的拮抗弯曲驱动性能。

2. 仿人手指与触觉传感器的制造： 机械手的制造采用了一种混合增材制造工艺，结合了模具铸造和直接3D打印。首先，使用3D打印的模具，浇注柔性聚氨酯橡胶形成手指的内层结构，该结构内部预留了用于放置SMA驱动器的、带有绝缘套管（用于电隔离和防止橡胶熔化）的通道。绝缘套管两端开口，允许水流入以冷却SMA驱动器。接着，研究的关键创新点之一——多层触觉传感器被直接3D打印在该内层结构的指尖表面。该传感器由三层构成：中间层为蓝色的压阻敏感聚合物，上下两层为红色的可拉伸导电电极条带，电极条带以交叉网格图案打印，形成一个类似于皮肤中机械感受器的“触觉单元”。传感器制造完成后，将带有传感器的内层结构放入外层模具中进行二次浇注，最终封装形成完整的、集成了触觉传感器的软体机器人手指。这种直接打印集成的方法避免了复杂的组装和防水处理步骤。

3. 非线性力控制器架构开发： 为实现精确的力控制，研究团队开发了一种新颖的非线性力反馈控制器。该控制器采用外环力反馈和内环电流控制的双环结构。外环根据触觉传感器测量的实际力与期望力之间的误差，计算出一个误差流形。该流形经过饱和处理后被送入两个互斥的内环电流控制器。当误差为正（需要增大施加的力）时，控制器激活屈肌SMA驱动器的电流回路，通过焦耳加热使其弯曲；当误差为负（需要减小力）时，则激活伸肌SMA驱动器使其伸直。电流通过霍尔效应传感器进行测量和反馈控制。整个控制算法在Matlab/Simulink中实现，以1kHz的采样率运行。

4. 实验验证方法： 为评估系统性能，研究进行了三类水下实验。首先，阶跃响应实验：让手指跟踪七个不同幅值的阶跃期望力信号，范围从0.77N到9.33N，以测试其在不同力值下的稳定跟踪能力和稳态误差。其次，正弦跟踪实验：测试手指跟踪正弦波期望力信号的能力，设置了高（6N）、低（3N）两种幅值，以及0.15至0.75 rad/s五种频率，共计十种实验条件，并计算平均绝对误差。通过双因素方差分析评估幅值和频率对误差的影响。第三，肌电信号控制应用演示：作为一项创新性应用验证，研究首次尝试将肌电信号用于水下机械手的遥操作。采集操作者前臂屈肌和伸肌的肌电信号，其差值作为非线性控制器的期望力输入，实现“手腕弯曲-手指加力、手腕伸直-手指减力”的直观控制。

5. 有限元多物理场建模： 为了更深入地理解水下复杂环境中的驱动器行为，研究建立了三维有限元模型。该模型耦合了传热、流体流动和结构力学模块，以模拟SMA驱动器的热-流-固多物理场行为。模型采用了Auricchio提出的SMA本构模型来描述其形状记忆效应。模拟了三种与实验对应的工况：低幅低频、高幅低频和高幅高频。通过该模型，可以观察和分析水下环境中SMA驱动器周围的内部水流速度场、温度场以及手指结构的位移场，从而从机理上解释实验现象。

四、 主要研究结果 实验与仿真结果全面验证了所提出系统的有效性和优势。

1. 触觉传感器与制造工艺的成功验证： 直接3D打印的多层触觉传感器被成功集成到软体手指中，并在水下环境中稳定工作。这种制造方法被证明是可靠、可重复且可能比传统多步骤组装方法成本更低的方案。

2. 非线性力控制器的卓越性能： * 阶跃响应：在0.77N至9.33N的全范围测试中，手指均能稳定、准确地跟踪期望力，未观察到超调，稳态误差极小。不同幅值下的力上升和下降斜率几乎一致，表明控制器在不同负载下具有一致的动态性能。 * 正弦跟踪：在所有测试频率和幅值下，系统均表现出良好的正弦跟踪能力。平均绝对误差均低于0.3N。对于3N和6N的正弦输入，平均误差百分比分别为4.6%和2.5%。双因素方差分析表明，在所测试的范围内，幅值和频率对平均绝对误差均无显著影响，证明了控制器在较宽操作条件下的鲁棒性。 * 肌电控制演示：操作者能够通过前臂肌电信号直观地控制手指的抓取力。在演示中，力跟踪误差从未超过1N，平均绝对误差为0.32N，成功验证了将生物信号处理技术应用于水下遥操作的可行性。

3. 有限元模型提供的机理洞察： 仿真结果与实验数据吻合良好，并提供了对实验现象的物理解释。模型成功复现了SMA驱动器在焦耳加热下的弯曲位移。多物理场分析揭示了关键机理： * 内部冷却效应：当手指弯曲时，SMA驱动器腔体内的水被挤出，流速随驱动幅度增大而增加。在高频（0.75 rad/s）高幅条件下，内部水流出口速度显著提高（达12 mm/s）。 * 冷却与相变的关系：更高的内部水流速意味着可用于冷却SMA的水体质量减少，冷却效率受到影响。仿真显示，在高频高幅条件下，SMA某些区域的温度未能完全降至相变点以下（约30°C），表明其相变不完全。 * 与实验误差的关联：上述不完全相变导致驱动器变形量减小，从而产生较小的实际作用力。这正好解释了实验中观察到的现象：在高频高幅正弦跟踪实验中，力跟踪误差相对较大。模型清晰地揭示了水下环境中驱动器冷却速率、焦耳加热频率与最终输出力性能之间的相互作用机制。 * 外部流场影响：模型还显示，高幅手指运动会在环境流场中产生更高的流速和压力，这可能搅动沉积物，对水下视觉操作造成干扰，这一发现对未来水下机器人设计具有指导意义。

五、 研究结论与价值 本研究成功设计并制造了一种由形状记忆合金驱动、集成直接3D打印可拉伸触觉传感器的仿人水下软体机器人手指。所开发的非线性力反馈控制器能够利用触觉传感器反馈，快速最小化跟踪误差，实现稳定、精确的抓取力控制。阶跃和正弦跟踪实验证明了其在水下环境中的优异性能。此外，研究开创性地将肌电信号控制引入水下机械手领域，提供了一种直观的人机交互新方法。所建立的三维有限元多物理场模型不仅验证了SMA驱动器的形状记忆行为，更重要的是为理解水下环境中SMA驱动器的热-流-固耦合相互作用提供了新的分析工具和深刻见解。

该研究的科学价值在于：1) 提出并验证了一种低成本、一体化的软体机器人触觉传感系统制造新工艺；2) 开发了一种适用于水下拮抗式SMA驱动器的有效非线性控制策略；3) 建立了可用于分析和指导水下软体驱动器设计的综合多物理场仿真框架。其应用价值显著：整套系统展现出在水下精细操作脆弱物体（如海洋生物样本、考古文物）的巨大潜力，在海洋勘探、科研采样等领域具有广阔的应用前景。

六、 研究亮点 1. 制造工艺创新：通过混合增材制造工艺，将多层可拉伸类皮肤触觉传感器直接3D打印在驱动器模具上，实现了传感器的嵌入式、一体化制造，简化了工艺，提高了可靠性和潜在的成本效益。 2. 控制策略有效：开发了基于触觉反馈的非线性双环控制器，实现了水下SMA驱动软体手指宽范围、高精度的力跟踪控制。 3. 人机交互新颖：首次将肌电信号比例控制应用于水下机械手遥操作，探索了一条直观的水下人机控制新途径。 4. 建模方法深入：建立了全面的三维热-流-固耦合有限元模型，不仅用于验证，更深入揭示了水下复杂环境中驱动器的多物理场工作机理，特别是冷却速率对SMA相变和最终性能的关键影响，为未来设计提供了理论工具。 5. 系统集成度高：研究完整地涵盖了从材料、传感器、驱动器、制造工艺、控制算法、实验验证到仿真建模的全链条，展示了一个功能完备、性能可靠的水下软体操作原型系统。

七、 其他有价值内容 研究团队在论文中详细列出了每位作者在概念设计、数据获取、分析解释、文稿起草与修订等方面的具体贡献，体现了严谨的学术规范。此外，论文得到了美国国立卫生研究院、国家科学基金会等多个机构的基金支持，表明了该研究领域的重要性。补充材料中提供了实验视频，增强了结果的可视化和可信度。参考文献部分详尽，为相关领域的研究者提供了丰富的背景资料和学术脉络。