形状记忆合金驱动的非标柔性抓持器设计及其力-位耦合控制策略

一、引言：寻找刚柔之间的“黄金平衡点”在非标自动化产线中，抓持器是机器人系统的“末端执行器”，直接决定了设备与物理世界交互的精度与适应能力。刚性机械手精度高、出力大，但对零件几何偏差的容错能力差——一个拧歪了的螺栓可能导致整个装配流程中断。柔性气动夹爪顺应性好、安全性高，但负载能力有限，在重载场合力不从心。形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA）作为一种智能材料为这一困境打开了新的可能性。SMA拥有独特的“记忆效应”——低温下晶格结构呈现柔顺的马氏体相，受到应力时可被随意塑形；加热至相变温度后，晶体恢复为原始刚性的奥氏体相，产生可观的收缩力和位移，精确调节加热电流便可无损线性控制其输出力与形变量。SMA的能量密度极高，小型SMA驱动器的轻便结构能够产生数倍于自重的夹持力。更重要的是，其运行过程中几乎完全无噪声，单一线材便集成了驱动和自传感两大核心功能。

2025年的一项研究表明，基于SMA驱动器和自锁机构的机械手在重量仅265克的情况下实现了高达76.9N（约7.85公斤）的负载能力。S3Hand可变刚度柔软手利用SMA弹簧作为刚度切换开关，在多个变形位置单向锁定棘轮，高刚度模式下仍保持灵巧性，每个手指仅重26.8克却可支撑1公斤的载荷，载荷重量比达到37。

二、SMA柔性抓持器的结构设计范式
2.1 直接驱动型与弹簧偏置型
SMA驱动器可划分为两种基本拓扑：直接驱动型用SMA丝直接拉动抓持器闭合，恢复力来自外部偏置弹簧或对侧SMA的对拉；弹簧偏置型则利用SMA丝做功对抗弹簧，两者的运动范围容易超出设计值，机械止挡或柔性绞索对行程限制至关重要。

双程SMA驱动器通过预加偏置或制造环状温差，让合金在加热和冷却时自行往返，无需外部恢复弹簧。但其可靠性和疲劳寿命远不及单程SMA加偏置架构，工业应用不多。

SMAs嵌入硅橡胶基质的软体多材料抓持器通过NiTiCu6合金嵌入加高长径比石墨烯纳米颗粒的硅胶中，既保留了SMA的高工作密度，又获得柔性组织的顺应接触界面。

2.2 多指设计与被动适应机制
多关节手指拓扑使SMA驱动器能够顺应包裹弧面，对异形工件实现“容错”。SMA的固有柔顺性可在接触瞬间自动均匀分配接触力，被动适应被抓零件的轮廓变化。同时，SMA的特性还可防止硬夹持造成脆弱产品划伤。

双稳柔性铰链抓持器采用了受压屈曲梁双稳结构，通过一对拮抗SMA线圈交替通电实现开合。屈曲梁在临界点附近对几何偏差的敏感性极低，天生具有抗扰动能力。

2.3 自锁机制设计
SMA另一个广受关注的特性是它能够在一定预设位置下锁定棘轮卡爪，形成刚性机械锁紧。即使SMA驱动丝失压或回路中断，锁止结构仍能维持目标位置，这种零功率保持能力大幅降低了抓持器的长期操作性制约。例如，夹爪必须长时间托举工件的场景中，自锁机构让夹爪在断电后依然稳定抓取工件，平均能耗降低一个数量级。

S3Hand可变刚度柔软手在低刚度时表现柔软适应，施加电流触发SMA开关后锁定棘齿轮廓，手指刚度陡增，能够提起重物而不塑性弯曲。SMA和自锁设计的共生关系兼顾柔性抓取与重载保持，为柔性夹爪开拓了更多未知应用领域。

三、力-位耦合控制的理论与方法
3.1 SMA驱动器的迟滞与非线性建模
SMA的相变过程伴随着应力-应变-温度间的强烈耦合非线性，且输出位移与温度之间滞回宽度可能超过相变区间的50%。令控制问题更加困难的是，SMA内部热动力学包含加热电流、散热边界条件与材料相变的复杂交互，难以用简单线性模型准确描述。

针对这一难题，2026年的一项研究中，深度强化学习（DRL）被引入SMA驱动缆索夹爪的温度控制。经过精准标定热-机械模拟环境中充分地预训练，DRL智能体可直接部署到实物系统。实验在35-70℃宽温度范围下取得了均值稳态误差不超过0.26℃（低温区）和0.41℃（高温区）的跟踪精度，夹爪在抓取鸡蛋和玻璃杯等脆性物体时完好无损。

3.2 力控制与位置控制的协同
SMA夹爪要求力与位并用取决于其所执行的当前任务阶段。靠近工件时需要位置闭环以提供精确对准，接触物体后必须立即切换至力控来保证安全接触。S3Hand采用基于模型预测与SMA开关的自适应控制策略，复杂夹取过程中的力位能够根据环境条件自适应切换。抓取开始阶段运行在位置控制模式中引导手指包围工件，待传感器感知到外接触力后，控制器平稳转换力矩控制并约束力在安全保护阈值以内。

3.3 基于传感反馈的闭环策略
可靠的检测反馈是精密力-位控制的前提。SMA兼具自传感效应，通过监测SMA丝的电阻值可反向推算其相变程度和输出力。集成小型霍尔效应传感器能直接测量啮合齿轮的相对转角，为机器人的姿态控制提供关键观测信号。

双向驱动夹爪的温度非线性可以通过DRL模型精确补偿，抓取易碎品时使用DPPO策略学习适当的接触力和作用时间，显著减少表面伤痕与破损率。通用型SMA从传感融合和智能控制方面逐渐解决了传统单一维度的位置难题，为其在工业柔性抓取中提供了可靠的技术基座。

四、工程应用与性能评估
SMA驱动抓持器在工业无人机抓取、医疗康复假肢、清洁室小型化零件装卸等最需要轻量化和低噪音的场景表现出显著优势。伸缩型软体假肢外骨骼基于针织SMA柔性驱动器，按需增减握持姿势的辅助力，减轻患者训练压力-。受莫比乌斯扭转带启发的SMA扭转条在软体关节弯曲和扭转基础上输出大扭矩，覆盖大范围变形，满足机器人在不同任务形态下的需求。

关键性能指标方面，重量265g夹爪完成7.85kg负载的吊装实验，双稳态夹爪在保持高抗疲劳度的同时确保手指夹紧力一致。S3Hand手指仅26.8g输出1kg力，达到了载荷重量比37的突破性成果。热相变响应速度目前已提升到1.5s左右，并正在通过纳米铜线3D弹簧表面生长等界面工程手段进一步缩短。

五、未来展望
SMA正从单一驱动材料进化为智能结构中的全功能“肌肉单元”，多种新型驱动力的融合SMA-SMP一体化结构正在突破性研究中，后者利用形状记忆聚合物与SMA共晶，可极大增加变形自由度。传感器方面，光纤布拉格光栅、多通道PVDF薄膜和微型IMU都与SMA驱动器的异型结构结合，使其未来能获取更全面的本体感应信息。随着神经网络控制器和无模型自适应方法日臻成熟，SMA驱动器将能够自主适应复杂物理环境，消除传统参数辨识带来的精度瓶颈。随着上述技术的逐步集成，SMA驱动的非标柔性抓持器将从实验室的新奇装置进化为工业装配线上不可或缺的智能巧手。