记忆合金机械手

记忆合金机械手形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys,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(ShapeMemoryAlloys，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（ShapeMemoryEffect，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（PseudoElasticity，简称PE）或超弹性（SuperElasticity）。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8mm的ESMAA和一个长10mm的弹性连接部分组成。ESMAA内嵌的SMA丝直径为0.5mm,每根SMA丝的两端有连接导线,所有部分及连接导线覆盖于10mm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。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0~5V,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CD40109.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.R3和C1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R1,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rs与Rr.其中,w1为回复丝,与棒轴线重合,记忆为/U0形.w2为恢复丝,偏心矩为d1,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G1和G2.当电机运行时,G1受压,而G2受拉,因G1和G2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T3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T3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T3的周期寄存器T3PR设置为F024h.T1产生的PWM信号的频率等于40kHz,T3产生的PWM信号的频率接近40kHz,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T3周期中断共用了内核的INT2第3级中断.因此,在INT3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T1/T3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=2m-1,比例系数KP=0.05,积分系数KI=0.006,目标曲率为18m-1,Umax为0.8,采样周期T=15.4ms.超调量<2.0%,稳态误差小于0.5m-1.曲率误差大于E时,输出最大加热电流占空比,电机快速达到设定曲率,上升时间为0.55s.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