記憶合金機械手

1、記憶合金機械手記憶合金機械手形狀記憶合金（Shape Memory Alloys, 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， 恢復其變 形前原始形狀的合金材料。 除上述形狀記憶效應 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 復應變。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 （Shape MemoryAlloys ，簡稱 SMA） 是一種能

2、夠記憶原有形狀的智能材料。 當合金在 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（ ShapeMemory Effect，簡稱SME。而當合金在高于相 變態(tài)溫度下，施以一應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 力的方式使其恢復到變形前的原始形狀，此種特殊的現(xiàn)象又稱為擬彈性（Pseudo Elasticity ， 簡稱PE。或超彈性（Super Elasticity ）。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可以分為下列三種：

3、單程記憶效應（1-way）:形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢 復變形前的形狀，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。雙程記憶效應（2-way）: 某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢 復低溫相形狀，稱為雙程記憶效應。全程記憶效應： 加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤?取向相反的低溫相形狀，稱為全程記憶效應。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

4、明，該手爪能完成快速柔順的抓取動作。1機械和結構化,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8 mm的ESMAA 口 一個長10 mm的彈性連接部分組成。ESMAA內(nèi)嵌的SMA絲直徑為0. 5 mm,每根SMA絲的兩端有連接導線,所有部分及連接導線覆蓋于10 mm的聚合物軟管內(nèi)SMA的關節(jié)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相變溫度時固狀回復,使彈性棒彎曲；停止加熱,SMA絲重 新被拉伸，硅膠棒回復到直線狀。這樣，構成了 雙

5、程可逆致動單元$ $ ESMAA在仿生學研究的SMA 聚合物軟管彎曲部分II彎曲部分I手指縱剖面圖圖9未通電手爪外形VI以手指設計為基礎，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)。圖1()抓取球體形狀記憶合金驅(qū)動的微型機械手 技術領域：形狀記憶合金驅(qū)動的微型機械手用于 微小機械零件自動化加工、裝配過程中的夾持和搬送，是智能材料在機電一體化 裝置中的應用，屬于機械技術領域。背景技術：普通的機械手，在結構方面一般采用齒輪、齒條、杠桿、銷軸等機械零件和滑副、轉副、球副等運動副。其缺點 是:(1)、

6、體積大，不能勝任微小零件的抓取;不可避免地存在運動副間隙，傳動 精度低，尤其是微位移精度低，不能適應微小零件抓取時的精確定位。(2)、 普通機械手的驅(qū)動方式，一般采用液壓、氣動、電機、電磁鐵等驅(qū)動方式。由 于結構尺寸大而不適應微小零件的抓取。此外，油滲漏會污染零件，磁場會使 零件帶磁性，在某些工作情況下是不允許的。圖1是本發(fā)明的主視圖圖2是圖1的A向剖視圖。 具體實施方式結合附圖說明本發(fā)明的具體實施方式。見圖1,其中機架由底座1、側板2、頂板5 構成。側板2上開設有散熱孔和風道。該機 械手通過底座1與外部（如機械臂）相連接。拇指 6和食指7與頂板5鉸接，拇指6和食指 7還分別與連桿8鉸接，拇指

7、6、食指7、連桿8、 拉桿9、滑塊11和機架構成六桿機構。拇指6、連桿8和拉桿9相鉸接。在頂板5上有開 孔，拉桿9穿過開孔與滑塊11鉸接。導桿14 通過滑塊11的軸心，對滑塊11的運動起導向作 用，導桿14穿過滑塊的位置見圖2,其中導 桿可以僅一端與頂板或底座固定，也可以兩端分 別固定在頂板和底座上，本實施例采用一端 固定在底座上的方式?；瑝K11上下表面粘有絕 緣片（絕緣片很薄，圖中未標出），采用固定 件（如螺栓和螺母），分別通過壓板15d和15b將 SMA單簧10和12固定在滑塊11上，彈簧 10和12的另一端分別通過壓板15。和15a固定 在表面粘有絕緣片的頂板和底座上。SMA單 簧10和

8、彈簧12的中心軸線重合。SMA單簧10 和12,滑塊11構成SMA差動彈簧驅(qū)動器。兩個風扇4和13分別固定在機架的頂板5和底 座1上。風扇4和13分別用于為SMA單簧10和12 降溫。在工作時，為了避免風扇 4的風吹到 SMA單簧12上，以及避免風扇13的風吹到SMA 彈簧10上，在兩個風扇之間加了隔板 3, 隔板3的兩端固定在機架的兩個側板上，隔板上9 開有孔，供滑塊11和SMA單簧通過。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，構成復合鉸鏈；拉桿9的另

9、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單簧驅(qū)動器的伸縮變形，帶動滑塊 11 沿導桿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單簧的冷熱循環(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單簧通電加熱時，另一個彈簧 處于斷電冷卻狀態(tài)。具體過程是，當給SMA單簧 10通直流電流時，風扇4關閉，SMA單簧 10內(nèi)有電流流過，其溫度升高，此時 SMA單簧10

10、 10收縮變短；同時SMA單簧12處于斷電狀 態(tài)，風扇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 扇4打開，為彈簧10降溫，彈簧12通電，風 扇13關閉，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、機構復 雜、控制困難、缺乏柔性等缺陷I 2.直接將內(nèi)嵌 式SMA電機（ESMAA）作為指節(jié)，可構造帶手 掌多自由度擬人機械手3嘰 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

11、+時鐘 和復位電路+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.I DSP言號放頭-功率驅(qū)動一機械手最少1|系統(tǒng)濾波電路信號放大曲率傳感器圖1驅(qū)動與控制系統(tǒng)框圖圖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05 V,為保證MOSFET可靠開通和關斷 需要對該信號進行放大，因此采用電平轉換芯 片CD 4 01 09 .方波信號經(jīng)過放大后由集成芯片VCC圖2驅(qū)動模塊圖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S

12、MA絲進行可控驅(qū)動目的.R3和Ci支路構成防止MOSFET管關斷時承受過 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Ri,對開關瞬間引起的振蕩起到阻 尼作用1. 2檢測模塊基于應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SM A電機圖3平面彎曲內(nèi)嵌式 SMA電機絲與棒的半徑分別為r s與Rr.其中，W 1為回復絲, 與棒軸線重合，記憶為/ U0形.w 2為恢復絲，偏 心矩為di，記憶為直線態(tài).電機運行方向是確定 的，可按圖示

13、方法配置兩片應變片 G和G2 .當電 機運行時，G1受壓，而G?受拉，因Gi和G?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.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,與通用定時器相關的寄存器，A/ D 轉換模塊,串口通信模塊,以及關閉看門狗圖5主程序流程圖圖5主程序流程圖中斷事件包括：通過定時器T2中斷米集應變片 信息及實現(xiàn)控制算法；通過T1和T 3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

14、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轉換通道. 在T2中斷發(fā)生后,A/ D轉換模塊分別采集擬 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，16 -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T 3的周期中斷，產(chǎn)生6路PWM波形.在定 時器周期中斷服務子程序內(nèi)，改變比較寄存器 的值，從而改變PW

15、M波形的占空比.在相關硬 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設置 為FOOOh,定時器T 3的周期寄存器T 3PR設 置為F024h. T1產(chǎn)生的PWM信號的頻率等于40 kHz,T3產(chǎn)生的PWM信號的頻率接近40 kHz, 使得在定時器T1和T3產(chǎn)生的PWM頻率在滿 足設計要求前提下，不會同時產(chǎn)生中斷，導致沖 突由于定時器T1周期中斷和定時器T 3周期 中斷共用了內(nèi)核的INT 2第3級中斷.因此，在 IN T3中斷服務子程序中，先根據(jù)中斷向量偏移 地址來判斷究竟是定時器T 1/ T 3哪一個產(chǎn)生 了中斷（即確定定時器中斷號），再轉入相應的

16、 子程序.并且，須編寫中斷保護和恢復代碼，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 ?；謴?否則,2路通道的PWM輸出會出現(xiàn)紊亂（17 1的情況.這部分的中斷程序流程圖如圖6所示.圖6多路PW M輸出程序流程圖圖6多路PWM 輸出程序流程圖3實驗結果圖7為單指節(jié)的分段多模式PI階躍響應結 果.參數(shù)為：誤差閾值E= 2 m- i,比例系數(shù)K p=0. 05,積分系數(shù)K i = 0. 006,目標曲率為18 m 1,5* 為0. 8,采樣周期T = 15. 4 ms.超調(diào)量2. 0 %, 穩(wěn)態(tài)誤差小于0. 5 m-1 .曲率誤差大于E時,輸出 最大加熱電流占空比，電機快速達到設定曲率， 上升時間為0. 55圖7階躍響應實驗機械手由六臺單元樣機構成，考慮到系統(tǒng) 對響應速度、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