记忆合金机械手

记忆合金机械手

形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMA），简称记形合金，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。除上述形状记忆效应外，这种合金的另一个独特性质是在高温（奥氏体状态）下发生的“伪弹性”（又称“超弹性”，英文 pseudoelasticity ）行为，表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹性马氏体相变。

功能机理

形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA) 是一种能够记忆原有形状的智能材料。当合金在低于相变态温度下，受到一有限度的塑性变形后，可由加热的方式使其恢复到变形前的原始形状，这种特殊的现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect ，简称SME ）。而当合金在高于相变态温度下，施以一应力使其受到有限度的塑性变形（非线性弹性变形）后，可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始形状，此种特殊的现象又称为拟弹性（Pseudo Elasticity，简称PE ）或超弹性（Super Elasticity）。这两种形状记忆合金所拥有的独特性质在普通金属或合金材料上是无法发现的。

分类

形状记忆合金的记忆效应可以分为下列三种：

单程记忆效应（1-way ）：

形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在

的形状记忆现象称为单程记忆效应。

双程记忆效应（2-way ）：

某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。 全程记忆效应：

加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

实例

记忆合金柔性机械手研究

摘 要:介绍了一种新型SMA 驱动器, 从理论和实验上研究了驱动器的弯曲变形原理。通过开环实验, 得到了SMA 驱动器的控制模型, 并对驱动器P+ 控制进行了实验研究。最后, 利用多驱动器的组合制作了一柔性机械手演示装置, 实验证明, 该手爪能完成快速柔顺的抓取动作。

1 机械和结构

SMA 丝经过冷热退火和形状记

忆处理, 加热到相变温度后产生弯曲形变。硅胶棒在低于SMA 相变温度时固化,SMA 丝重合于棒的中轴线嵌入。对SMA 通电加热, 使其温度上升到相变温度之上, 产生形状回复, 使弹性棒弯曲; 停止加热, SMA 丝重新被拉伸, 硅胶棒回复到直线状。这样, 构成了双程可逆致动单元$ $ ESMAA。在仿生学研究的启发下[ 6] , 将ESMAA 直接用作机械手的手指指节, 如图2 所示。手指由两个直径为8 mm 的ESMAA 和一个长10 mm 的弹性连接部分组成。ESMAA 内嵌的SMA 丝直径为0. 5 mm, 每根SMA 丝的两端有连接导线, 所有部分及连接导线覆盖于10 mm 的聚合物软管内。

手指纵剖面图

以手指设计为基础, 制作了一个三指机械手样机, 如图9所示。电流对SMA 丝的加热形成机械手柔性三维运动。停止加热, 随着SMA 丝的温度降低, 机械手重新回到张开状态。

形状记忆合金驱动的微型机械手

技术领域:

形状记忆合金驱动的微型机械手用于微小机械零件自动化加工、装配过程

中的夹持和搬送，是智能材料在机电一体化装置中的应用，属于机械技术领域。

背景技术:

普通的机械手，在结构方面一般采用齿轮、齿条、杠杆、销轴等机械零件

和滑副、转副、球副等运动副。其缺点是:(1)、体积大，不能胜任微小零件

的抓取; 不可避免地存在运动副间隙，传动精度低，尤其是微位移精度低，不

能适应微小零件抓取时的精确定位。(2)、普通机械手的驱动方式，一般采用

液压、气动、电机、电磁铁等驱动方式。由于结构尺寸大而不适应微小零件的

抓取。此外，油渗漏会污染零件，磁场会使零件带磁性，在某些工作情况下是

不允许的。

图1是本发明的主视图;

图2是图1的A 向剖视图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

见图1，其中机架由底座1、侧板2、顶板5构成。侧板2上开设有散热孔和风道。该机

械手通过底座1与外部(如机械臂) 相连接。拇指6和食指7与顶板5铰接，拇指6和食指 7还分别与连杆8铰接，拇指6、食指7、连杆8、拉杆9、滑块11和机架构成六杆机构。拇

指6、连杆8和拉杆9相铰接。在顶板5上有开孔，拉杆9穿过开孔与滑块11铰接。导杆14

通过滑块11的轴心，对滑块11的运动起导向作用，导杆14穿过滑块的位置见图2，其中导

杆可以仅一端与顶板或底座固定，也可以两端分别固定在顶板和底座上，本实施例采用一端 固定在底座上的方式。滑块11上下表面粘有绝缘片(绝缘片很薄，图中未标出) ，采用固定 件(如螺栓和螺母) ，分别通过压板15d 和15b 将SMA 弹簧10和12固定在滑块11上，弹簧 10和12的另一端分别通过压板15。和15a 固定在表面粘有绝缘片的顶板和底座上。SMA 弹

簧10和弹簧12的中心轴线重合。SMA 弹簧10和12, 滑块11构成SMA 差动弹簧驱动器。 两个风扇4和13分别固定在机架的顶板5和底座1上。

风扇4和13分别用于为SMA 弹簧10和12降温。在工作时，为了避免风扇4

的风吹到

SMA 弹簧12上，以及避免风扇13的风吹到SMA 弹簧10上，在两个风扇之间加了隔板3, 隔板3的两端固定在机架的两个侧板上，隔板上开有孔，供滑块11和SMA 弹簧通过。 如图2所示，食指7为在底端刚性连成一体的两根手指(有利于抓取物件时紧握) ，食指 7通过销轴16a 与连杆8铰接，通过销轴16b 与顶板铰接; 拇指6、连杆8和拉杆9通过销轴

16c 铰接，构成复合铰链; 拉杆9的另一端通过销轴16d 与滑块11铰接。

本发明的工作原理如下:通过电流通断控制SMA 弹簧驱动器的伸缩变形，带动滑块11 沿导杆14移动，滑块11通过拉杆9带动拇指6和连杆8运动，连杆8带动食指7运动，实

现拇指6和食指7的张开和闭合动作。对机械手进行控制，实际上是对SMA 差动弹簧驱动 器的控制，SMA 差动弹簧驱动器的动作过程是在一定温度范围内对SMA 弹簧的冷热循环过 程的控制。对SMA 差动弹簧驱动器的控制是:其中一个SMA 弹簧通电加热时，另一个弹簧 处于断电冷却状态。具体过程是，当给SMA 弹簧10通直流电流时，风扇4关闭，SMA 弹簧

10内有电流流过，其温度升高，此时SMA 弹簧10收缩变短; 同时SMA 弹簧12处于断电状 态，风扇13启动运行，为弹簧12冷却，使其伸长; 从而带动滑块11和拉杆9向上移动，拇 指6和食指7张开。反之，若弹簧10断电，风扇4打开，为弹簧10降温，弹簧12通电，风

扇13关闭，则弹簧12缩短，弹簧10伸长，滑块11向下移动，通过拉杆9和连杆8带动拇

指6和食指7实现闭合抓取动作。

1 硬件系统

现有的多指拟人机械手, 存在体积庞大、机构复杂、控制困难、缺乏柔性等缺陷[ 1, 2] . 直接将内嵌式SMA 电机( ESMAA) 作为指节, 可构造带手掌多自由度拟人机械手[ 3~ 8] .

驱动与控制系统包括DSP 最小系统、驱动模块和检测模块. DSP 最小系统= 核心CPU + 时钟和复位电路+ 外围存储器扩展; 驱动模块= 波形发生+ 信号放大+ 功率驱动; 传感器模块= 测量电桥+ 信号放大+ 信号滤波. 框图见图1.

图1 驱动与控制系统框图

1. 1 驱动模块

驱动模块见图2, 由DSP 事件管理器输出占空比可调的方波信号. 由于该方波信号高电平范 围在0~ 5 V, 为保证MOSFET 可靠开通和关断, 需要对该信号进行放大

, 因此采用电平转换

芯片CD 4 01 09 . 方波信号经过放大后由集成芯片

图2 驱动模块

TPS2812 驱动MOSFET , 进而控制流经SMA 丝的电流脉冲, 对SMA 丝进行可控驱动目的. R 3 和C 1 支路构成防止MOSFET 管关断时承受过电压的吸收电路; 在栅极并联稳压二极管 D, 防止过电压击穿栅源间的氧化层; 在栅极串联一个小电阻R 1 , 对开关瞬间引起的振荡起到阻尼作用.

1. 2 检测模块

基于应变反馈的曲率检测模块由电桥电路、放大电路和滤波电路组成. 以平面弯曲ESMAA 曲率传感为例( 图3) ,两根相同半径的SMA

丝平行弹性棒轴线嵌入,

图3 平面弯曲内嵌式SMA 电机

丝与棒的半径分别为r s 与R r . 其中, w 1 为回复丝, 与棒轴线重合, 记忆为/ U0 形. w 2 为恢复丝, 偏心矩为d 1 , 记忆为直线态. 电机运行方向是确定的, 可按图示方法配置两片应变片G 1 和G 2 . 当电机运行时, G1 受压, 而G 2 受拉, 因G 1 和G 2 对称粘贴, 故二者电阻变化量相等, 极性相反, 由1/ 2电桥得到输出电压, 经放大滤波后送入DSP, 通过软件处理输出一定占空比的PWM 波. 电桥电路如图4

所示.

图4 电桥电路

2 软件系统

软件流程图见图5. 初始化工作包括: 初始化时钟寄存器, 与通用定时器相关的寄存器, A/ D 转换模块, 串口通信模块,

以及关闭看门狗等

.

图5 主程序流程图

中断事件包括: 通过定时器T2 中断采集应变片信息及实现控制算法; 通过T1 和T 3 中断产生PWM 输出, 产生对ESMAA 加热电流进行控制的脉冲; 通过外部中断实现键盘输入, 便于人机交换, 完成各ESMAA 单元电机的启停及占空比增减等功能. 机械手位置传感器的电压输入通过放大、滤波后接入F2407 片内A/ D 转换通道. 在T2 中断发生后, A/ D 转换模块分别采集拟人手各指节的位置信息, 采用分段多模式PI 控制算法调整输出加热脉冲占空比.TMS320F2407 芯片工作时, 在定时器连续增计数模式下, 使能定时器的比较操作, 通过设置定时器周期中断, 定时周期寄存器就可以产生连续的周期信号, 再通过改变定时比较寄存器的值控制脉宽, 即可产生任意调制的PWM 波形. 通过定时器T1 与T 3 的周期中断, 产生6 路PWM 波形. 在定时器周期中断服务子程序内, 改变比较寄存器的值, 从而改变PWM 波形的占空比. 在相关硬件配置条件下, 初始化DSP 的CPUCLK 为10MHz, 将定时器T1 的周期寄存器T1PR 设置为F000h, 定时器T 3 的周期寄存器T 3PR 设置为F024h. T1 产生的PWM 信号的频率等于40 kHz,T3 产生的PWM 信号的频率接近40 kHz, 使得在定时器T1 和T3 产生的PWM 频率在满足设计要求前提下, 不会同时产生中断, 导致冲突. 由于定时器T1 周期中断和定时器T 3 周期中断共用了内核的INT 2 第3 级中断. 因此, 在IN T3 中断服务子程序中, 先根据中断向量偏移地址来判断究竟是定时器T 1/ T 3 哪一个产生了中断( 即确定定时器中断号) , 再转入相应的子程序. 并且, 须编写中断保护和恢复代码, 在进入ISR 时, 要对这些寄存器变量进行堆栈保护; 在ISR 完成时, 要对这些寄存器变量进行堆栈恢复. 否则, 2 路通道的PWM 输出会出现紊乱的情况. 这部分的中断程序流程图如图6 所示.

图6 多路PWM 输出程序流程图

3

实验结果

图7 为单指节的分段多模式PI 阶跃响应结果. 参数为: 误差阈值E= 2 m- 1, 比例系数K P =0. 05, 积分系数K I = 0. 006, 目标曲率为18 m- 1 ,U max 为0. 8, 采样周期T = 15. 4 ms. 超调量

图7 阶跃响应实验

机械手由六台单元样机构成, 考虑到系统对响应速度、稳定性、定位精度有较高要求, 经操作与轨迹规划后, 对六指节同时控制, 实现机械手协调运行与精确定位. 试验表明, 机械手( 限于篇幅, 拟人手形图略) 基本能够按照预期轨迹运动, 但由于模型构建与制作工艺上存在误差, 表现出指尖不完全到位或超过预定位置, 且不能严格保证各指节在同一时刻到达预定位置等等, 尚须通过进一步的理论与实验研究加以改进.

参考文献:

[ 1] 杨凯. 记忆合金柔性机械手研究. 武汉: 华中科技大学

[ 2] 杨凯. 用于柔性机械手的形状记忆合金驱动器滑模控制研究. 武汉: 华中科技大学

[ 3] 刘德忠. 申请号03261475.6. 北京: 北京工业大学

[4] 阎绍泽徐、温诗铸，申请号[1**********]2.3

[5] 杨 凯. 基于内嵌式SMA 电机的多指手驱动控制系统. 武汉:

华中科技大学