記憶合金機械手

記憶合金機械手形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloys,SMA），簡稱記形合金，是一種在加熱升溫后能完全消除其在較低的溫度下發(fā)生的變形，恢復(fù)其變形前原始形狀的合金材料。除上述形狀記憶效應(yīng)外，這種合金的另一個獨特性質(zhì)是在高溫（奧氏體狀態(tài)）下發(fā)生的“偽彈性”（又稱“超彈性”，英文pseudoelasticity）行為，表現(xiàn)為這種合金能承載比一般金屬大幾倍甚至幾十倍的可恢復(fù)應(yīng)變。形狀記憶合金的這些獨特性質(zhì)源于其內(nèi)部發(fā)生的一種獨特的固態(tài)相變——熱彈性馬氏體相變。功能機理形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloys，簡稱SMA)是一種能夠記憶原有形狀的智能材料。當(dāng)合金在低于相變態(tài)溫度下，受到一有限度的塑性變形后，可由加熱的方式使其恢復(fù)到變形前的原始形狀，這種特殊的現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)（ShapeMemoryEffect，簡稱SME）。而當(dāng)合金在高于相變態(tài)溫度下，施以一應(yīng)力使其受到有限度的塑性變形（非線性彈性變形）后，可利用直接釋放應(yīng)力的方式使其恢復(fù)到變形前的原始形狀，此種特殊的現(xiàn)象又稱為擬彈性（PseudoElasticity，簡稱PE）或超彈性（SuperElasticity）。這兩種形狀記憶合金所擁有的獨特性質(zhì)在普通金屬或合金材料上是無法發(fā)現(xiàn)的。分類形狀記憶合金的記憶效應(yīng)可以分為下列三種：單程記憶效應(yīng)（1-way）：形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。雙程記憶效應(yīng)（2-way）：某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。全程記憶效應(yīng)：加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。實例記憶合金柔性機械手研究摘要:介紹了一種新型SMA驅(qū)動器,從理論和實驗上研究了驅(qū)動器的彎曲變形原理。通過開環(huán)實驗,得到了SMA驅(qū)動器的控制模型,并對驅(qū)動器P+控制進行了實驗研究。最后,利用多驅(qū)動器的組合制作了一柔性機械手演示裝置,實驗證明,該手爪能完成快速柔順的抓取動作。1機械和結(jié)構(gòu)SMA絲經(jīng)過冷熱退火和形狀記憶處理,加熱到相變溫度后產(chǎn)生彎曲形變。硅膠棒在低于SMA相變溫度時固化,SMA絲重合于棒的中軸線嵌入。對SMA通電加熱,使其溫度上升到相變溫度之上,產(chǎn)生形狀回復(fù),使彈性棒彎曲;停止加熱,SMA絲重新被拉伸,硅膠棒回復(fù)到直線狀。這樣,構(gòu)成了雙程可逆致動單元$$ESMAA。在仿生學(xué)研究的啟發(fā)下[6],將ESMAA直接用作機械手的手指指節(jié),如圖2所示。手指由兩個直徑為8mm的ESMAA和一個長10mm的彈性連接部分組成。ESMAA內(nèi)嵌的SMA絲直徑為0.5mm,每根SMA絲的兩端有連接導(dǎo)線,所有部分及連接導(dǎo)線覆蓋于10mm的聚合物軟管內(nèi)。手指縱剖面圖以手指設(shè)計為基礎(chǔ),制作了一個三指機械手樣機,如圖9所示。電流對SMA絲的加熱形成機械手柔性三維運動。停止加熱,隨著SMA絲的溫度降低,機械手重新回到張開狀態(tài)。隔板3的兩端固定在機架的兩個側(cè)板上，隔板上開有孔，供滑塊11和SMA彈簧通過。如圖2所示，食指7為在底端剛性連成一體的兩根手指(有利于抓取物件時緊握)，食指7通過銷軸16a與連桿8鉸接，通過銷軸16b與頂板鉸接;拇指6、連桿8和拉桿9通過銷軸16c鉸接，構(gòu)成復(fù)合鉸鏈;拉桿9的另一端通過銷軸16d與滑塊11鉸接。本發(fā)明的工作原理如下:通過電流通斷控制SMA彈簧驅(qū)動器的伸縮變形，帶動滑塊11沿導(dǎo)桿14移動，滑塊11通過拉桿9帶動拇指6和連桿8運動，連桿8帶動食指7運動，實現(xiàn)拇指6和食指7的張開和閉合動作。對機械手進行控制，實際上是對SMA差動彈簧驅(qū)動器的控制，SMA差動彈簧驅(qū)動器的動作過程是在一定溫度范圍內(nèi)對SMA彈簧的冷熱循環(huán)過程的控制。對SMA差動彈簧驅(qū)動器的控制是:其中一個SMA彈簧通電加熱時，另一個彈簧處于斷電冷卻狀態(tài)。具體過程是，當(dāng)給SMA彈簧10通直流電流時，風(fēng)扇4關(guān)閉，SMA彈簧10內(nèi)有電流流過，其溫度升高，此時SMA彈簧10收縮變短;同時SMA彈簧12處于斷電狀態(tài)，風(fēng)扇13啟動運行，為彈簧12冷卻，使其伸長;從而帶動滑塊11和拉桿9向上移動，拇指6和食指7張開。反之，若彈簧10斷電，風(fēng)扇4打開，為彈簧10降溫，彈簧12通電，風(fēng)扇13關(guān)閉，則彈簧12縮短，彈簧10伸長，滑塊11向下移動，通過拉桿9和連桿8帶動拇指6和食指7實現(xiàn)閉合抓取動作。1硬件系統(tǒng)現(xiàn)有的多指擬人機械手,存在體積龐大、機構(gòu)復(fù)雜、控制困難、缺乏柔性等缺陷[1,2].直接將內(nèi)嵌式SMA電機(ESMAA)作為指節(jié),可構(gòu)造帶手掌多自由度擬人機械手[3~8].驅(qū)動與控制系統(tǒng)包括DSP最小系統(tǒng)、驅(qū)動模塊和檢測模塊.DSP最小系統(tǒng)=核心CPU+時鐘和復(fù)位電路+外圍存儲器擴展;驅(qū)動模塊=波形發(fā)生+信號放大+功率驅(qū)動;傳感器模塊=測量電橋+信號放大+信號濾波.框圖見圖1.圖1驅(qū)動與控制系統(tǒng)框圖1.1驅(qū)動模塊驅(qū)動模塊見圖2,由DSP事件管理器輸出占空比可調(diào)的方波信號.由于該方波信號高電平范圍在0~5V,為保證MOSFET可靠開通和關(guān)斷,需要對該信號進行放大,因此采用電平轉(zhuǎn)換芯片CD40109.方波信號經(jīng)過放大后由集成芯片圖2驅(qū)動模塊TPS2812驅(qū)動MOSFET,進而控制流經(jīng)SMA絲的電流脈沖,對SMA絲進行可控驅(qū)動目的.R3和C1支路構(gòu)成防止MOSFET管關(guān)斷時承受過電壓的吸收電路;在柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管D,防止過電壓擊穿柵源間的氧化層;在柵極串聯(lián)一個小電阻R1,對開關(guān)瞬間引起的振蕩起到阻尼作用.1.2檢測模塊基于應(yīng)變反饋的曲率檢測模塊由電橋電路、放大電路和濾波電路組成.以平面彎曲ESMAA曲率傳感為例(圖3),兩根相同半徑的SMA絲平行彈性棒軸線嵌入,圖3平面彎曲內(nèi)嵌式SMA電機絲與棒的半徑分別為rs與Rr.其中,w1為回復(fù)絲,與棒軸線重合,記憶為/U0形.w2為恢復(fù)絲,偏心矩為d1,記憶為直線態(tài).電機運行方向是確定的,可按圖示方法配置兩片應(yīng)變片G1和G2.當(dāng)電機運行時,G1受壓,而G2受拉,因G1和G2對稱粘貼,故二者電阻變化量相等,極性相反,由1/2電橋得到輸出電壓,經(jīng)放大濾波后送入DSP,通過軟件處理輸出一定占空比的PWM波.電橋電路如圖4所示.圖4電橋電路2軟件系統(tǒng)軟件流程圖見圖5.初始化工作包括:初始化時鐘寄存器,與通用定時器相關(guān)的寄存器,A/D轉(zhuǎn)換模塊,串口通信模塊,以及關(guān)閉看門狗等.圖5主程序流程圖中斷事件包括:通過定時器T2中斷采集應(yīng)變片信息及實現(xiàn)控制算法;通過T1和T3中斷產(chǎn)生PWM輸出,產(chǎn)生對ESMAA加熱電流進行控制的脈沖;通過外部中斷實現(xiàn)鍵盤輸入,便于人機交換,完成各ESMAA單元電機的啟停及占空比增減等功能.機械手位置傳感器的電壓輸入通過放大、濾波后接入F2407片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換通道.在T2中斷發(fā)生后,A/D轉(zhuǎn)換模塊分別采集擬人手各指節(jié)的位置信息,采用分段多模式PI控制算法調(diào)整輸出加熱脈沖占空比.TMS320F2407芯片工作時,在定時器連續(xù)增計數(shù)模式下,使能定時器的比較操作,通過設(shè)置定時器周期中斷,定時周期寄存器就可以產(chǎn)生連續(xù)的周期信號,再通過改變定時比較寄存器的值控制脈寬,即可產(chǎn)生任意調(diào)制的PWM波形.通過定時器T1與T3的周期中斷,產(chǎn)生6路PWM波形.在定時器周期中斷服務(wù)子程序內(nèi),改變比較寄存器的值,從而改變PWM波形的占空比.在相關(guān)硬件配置條件下,初始化DSP的CPUCLK為10MHz,將定時器T1的周期寄存器T1PR設(shè)置為F000h,定時器T3的周期寄存器T3PR設(shè)置為F024h.T1產(chǎn)生的PWM信號的頻率等于40kHz,T3產(chǎn)生的PWM信號的頻率接近40kHz,使得在定時器T1和T3產(chǎn)生的PWM頻率在滿足設(shè)計要求前提下,不會同時產(chǎn)生中斷,導(dǎo)致沖突.由于定時器T1周期中斷和定時器T3周期中斷共用了內(nèi)核的INT2第3級中斷.因此,在INT3中斷服務(wù)子程序中,先根據(jù)中斷向量偏移地址來判斷究竟是定時器T1/T3哪一個產(chǎn)生了中斷(即確定定時器中斷號),再轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序.并且,須編寫中斷保護和恢復(fù)代碼,在進入ISR時,要對這些寄存器變量進行堆棧保護;在ISR完成時,要對這些寄存器變量進行堆棧恢復(fù).否則,2路通道的PWM輸出會出現(xiàn)紊亂的情況.這部分的中斷程序流程圖如圖6所示.圖6多路PWM輸出程序流程圖3實驗結(jié)果圖7為單指節(jié)的分段多模式PI階躍響應(yīng)結(jié)果.參數(shù)為:誤差閾值E=2m-1,比例系數(shù)KP=0.05,積分系數(shù)KI=0.006,目標曲率為18m-1,Umax為0.8,采樣周期T=15.4ms.超調(diào)量<2.0%,穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5m-1.曲率誤差大于E時,輸出最大加熱電流占空比,電機快速達到設(shè)定曲率,上升時間為0.55s.圖7階躍響應(yīng)實驗機械手由六臺單元樣機構(gòu)成,考慮到系統(tǒng)對響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、定位精度有較高要求,經(jīng)操作與軌跡規(guī)劃后,對六指節(jié)同時控制,實現(xiàn)機械手協(xié)調(diào)運行與精確定位.試驗表明,機械手(限于篇幅,擬人手形圖略)基本能夠按照預(yù)期軌跡運動,但由于模型構(gòu)建與制作工藝上存在誤差,表現(xiàn)出指尖不完全到位或超過預(yù)定位置,且不能嚴格保證各指節(jié)在同一時刻