記憶合金機(jī)械手

1、記憶合金機(jī)械手記憶合金機(jī)械手形狀記憶合金（Shape Memory Alloys, SMA,簡(jiǎn)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(gè)獨(dú)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(dú)特性質(zhì)源于其內(nèi) 部發(fā)生的一種獨(dú)特的固態(tài)相變熱彈性馬氏 體相變。功能機(jī)理形狀記憶合金 （Shape MemoryAlloys ，簡(jiǎn)稱 SMA） 是一種能

2、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)（ ShapeMemory Effect，簡(jiǎn)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（Pseudo Elasticity ， 簡(jiǎn)稱PE?；虺瑥椥裕⊿uper Elasticity ）。這兩 種形狀記憶合金所擁有的獨(dú)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：

3、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(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)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(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤?取向相反的低溫相形狀，稱為全程記憶效應(yīng)。實(shí)例記憶合金柔性機(jī)械手研究摘要介紹了一種新型 SMA驅(qū)動(dòng)器，從理論和 實(shí)驗(yàn)上研究了驅(qū)動(dòng)器的彎曲變形原理。 通過開環(huán) 實(shí)驗(yàn),得到了 SMA驅(qū)動(dòng)器的控制模型，并對(duì)驅(qū) 動(dòng)器P+控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。最后，利用多驅(qū) 動(dòng)器的組合制作了一柔性機(jī)械手演示裝置，實(shí) 驗(yàn)證

4、明，該手爪能完成快速柔順的抓取動(dòng)作。1機(jī)械和結(jié)構(gòu)化,SMA絲重合于棒的中軸線嵌入。對(duì) 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(jī)械手的手指指節(jié),如圖2所示。手指由兩個(gè)直徑為8 mm的ESMAA 口 一個(gè)長(zhǎng)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(dǎo)線,所有部分及連接導(dǎo)線覆蓋于10 mm的聚合物軟管內(nèi)SMA的關(guān)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(shí)固狀回復(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

5、程可逆致動(dòng)單元$ $ ESMAA在仿生學(xué)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(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，制作了一個(gè)三指機(jī)械 手樣機(jī)，如圖9所示。電流對(duì)SMA絲的加熱形 成機(jī)械手柔性三維運(yùn)動(dòng)。停止加熱，隨著SMA絲 的溫度降低，機(jī)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(dòng)的微型機(jī)械手 技術(shù)領(lǐng)域：形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械手用于 微小機(jī)械零件自動(dòng)化加工、裝配過程中的夾持和搬送，是智能材料在機(jī)電一體化 裝置中的應(yīng)用，屬于機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。背景技術(shù)：普通的機(jī)械手，在結(jié)構(gòu)方面一般采用齒輪、齒條、杠桿、銷軸等機(jī)械零件和滑副、轉(zhuǎn)副、球副等運(yùn)動(dòng)副。其缺點(diǎn) 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(yùn)動(dòng)副間隙，傳動(dòng) 精度低，尤其是微位移精度低，不能適應(yīng)微小零件抓取時(shí)的精確定位。(2)、 普通機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式，一般采用液壓、氣動(dòng)、電機(jī)、電磁鐵等驅(qū)動(dòng)方式。由 于結(jié)構(gòu)尺寸大而不適應(yīng)微小零件的抓取。此外，油滲漏會(huì)污染零件，磁場(chǎng)會(huì)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(shí)施方式結(jié)合附圖說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。見圖1,其中機(jī)架由底座1、側(cè)板2、頂板5 構(gòu)成。側(cè)板2上開設(shè)有散熱孔和風(fēng)道。該機(jī) 械手通過底座1與外部（如機(jī)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(jī)架構(gòu)成六桿機(jī)構(gòu)。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(dǎo)桿14 通過滑塊11的軸心，對(duì)滑塊11的運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作 用，導(dǎo)桿14穿過滑塊的位置見圖2,其中導(dǎo) 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(shí)施例采用一端 固定在底座上的方式。滑塊11上下表面粘有絕 緣片（絕緣片很薄，圖中未標(biāo)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(gòu)成SMA差動(dòng)彈簧驅(qū)動(dòng)器。兩個(gè)風(fēng)扇4和13分別固定在機(jī)架的頂板5和底 座1上。風(fēng)扇4和13分別用于為SMA單簧10和12 降溫。在工作時(shí)，為了避免風(fēng)扇 4的風(fēng)吹到 SMA單簧12上，以及避免風(fēng)扇13的風(fēng)吹到SMA 彈簧10上，在兩個(gè)風(fēng)扇之間加了隔板 3, 隔板3的兩端固定在機(jī)架的兩個(gè)側(cè)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(shí)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

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(dòng)器的伸縮變形，帶動(dòng)滑塊 11 沿導(dǎo)桿14移動(dòng)，滑塊11通過拉桿9帶動(dòng)拇指6 和連桿8運(yùn)動(dòng)，連桿8帶動(dòng)食指7運(yùn)動(dòng)，實(shí) 現(xiàn)拇指6和食指7的張開和閉合動(dòng)作。對(duì)機(jī)械手 進(jìn)行控制，實(shí)際上是對(duì)SMA差動(dòng)彈簧驅(qū)動(dòng) 器的控制，SMA差動(dòng)彈簧驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作過程是在 一定溫度范圍內(nèi)對(duì)SMA單簧的冷熱循環(huán)過 程的控制。對(duì)SMA差動(dòng)彈簧驅(qū)動(dòng)器的控制是：其 中一個(gè)SMA單簧通電加熱時(shí)，另一個(gè)彈簧 處于斷電冷卻狀態(tài)。具體過程是，當(dāng)給SMA單簧 10通直流電流時(shí)，風(fēng)扇4關(guān)閉，SMA單簧 10內(nèi)有電流流過，其溫度升高，此時(shí) SMA單簧10

10、 10收縮變短；同時(shí)SMA單簧12處于斷電狀 態(tài)，風(fēng)扇13啟動(dòng)運(yùn)行，為彈簧12冷卻，使其伸 長(zhǎng);從而帶動(dòng)滑塊11和拉桿9向上移動(dòng)，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(zhǎng)，滑 塊11向下移動(dòng)，通過拉桿9和連桿8帶動(dòng)拇 指6和食指7實(shí)現(xiàn)閉合抓取動(dòng)作。1硬件系統(tǒng)現(xiàn)有的多指擬人機(jī)械手，存在體積龐大、機(jī)構(gòu)復(fù) 雜、控制困難、缺乏柔性等缺陷I 2.直接將內(nèi)嵌 式SMA電機(jī)（ESMAA）作為指節(jié)，可構(gòu)造帶手 掌多自由度擬人機(jī)械手3嘰 驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)包括DSP最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)模塊 和檢測(cè)模塊.DSP最小系統(tǒng)=核心CPU

11、+時(shí)鐘 和復(fù)位電路+外圍存儲(chǔ)器擴(kuò)展；驅(qū)動(dòng)模塊=波 形發(fā)生+信號(hào)放大+功率驅(qū)動(dòng)；傳感器模塊= 測(cè)量電橋+信號(hào)放大+信號(hào)濾波.框圖見圖 1.I DSP言號(hào)放頭-功率驅(qū)動(dòng)一機(jī)械手最少1|系統(tǒng)濾波電路信號(hào)放大曲率傳感器圖1驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)框圖圖1驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)框圖1. 1驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)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(hào)由于該方波信號(hào)高電平范 圍在05 V,為保證MOSFET可靠開通和關(guān)斷 需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大，因此采用電平轉(zhuǎn)換芯 片CD 4 01 09 .方波信號(hào)經(jīng)過放大后由集成芯片VCC圖2驅(qū)動(dòng)模塊圖2驅(qū)動(dòng)模塊TPS2812驅(qū)動(dòng)MOSFET ,進(jìn)而控制流經(jīng)SMA 絲的電流脈沖，對(duì)S

12、MA絲進(jìn)行可控驅(qū)動(dòng)目的.R3和Ci支路構(gòu)成防止MOSFET管關(guān)斷時(shí)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(gè)小電阻Ri,對(duì)開關(guān)瞬間引起的振蕩起到阻 尼作用1. 2檢測(cè)模塊基于應(yīng)變反饋的曲率檢測(cè)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(jī)圖3平面彎曲內(nèi)嵌式 SMA電機(jī)絲與棒的半徑分別為r s與Rr.其中，W 1為回復(fù)絲, 與棒軸線重合，記憶為/ U0形.w 2為恢復(fù)絲，偏 心矩為di，記憶為直線態(tài).電機(jī)運(yùn)行方向是確定 的，可按圖示

13、方法配置兩片應(yīng)變片 G和G2 .當(dāng)電 機(jī)運(yùn)行時(shí)，G1受壓，而G?受拉，因Gi和G?對(duì)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(shí) 鐘寄存器,與通用定時(shí)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(shí)器T2中斷米集應(yīng)變片 信息及實(shí)現(xiàn)控制算法；通過T1和T 3中斷產(chǎn)生 PWM輸出，產(chǎn)生對(duì)ESMAA加熱電流進(jìn)行控制 的脈沖；通過外部中斷實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入，便于人機(jī) 交換,完

14、成各ESMAA單元電機(jī)的啟停及占空比 增減等功能機(jī)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(shí)，在定時(shí)器連續(xù)增計(jì)數(shù)模式下，使能 定時(shí)器的比較操作，通過設(shè)置定時(shí)器周期中斷， 定時(shí)周期寄存器就可以產(chǎn)生連續(xù)的周期信號(hào)，16 -再通過改變定時(shí)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(shí)器T1 與T 3的周期中斷，產(chǎn)生6路PWM波形.在定 時(shí)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PW

15、M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(shí)器T1的周期寄存器T1PR設(shè)置 為FOOOh,定時(shí)器T 3的周期寄存器T 3PR設(shè) 置為F024h. T1產(chǎn)生的PWM信號(hào)的頻率等于40 kHz,T3產(chǎn)生的PWM信號(hào)的頻率接近40 kHz, 使得在定時(shí)器T1和T3產(chǎn)生的PWM頻率在滿 足設(shè)計(jì)要求前提下，不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生中斷，導(dǎo)致沖 突由于定時(shí)器T1周期中斷和定時(shí)器T 3周期 中斷共用了內(nèi)核的INT 2第3級(jí)中斷.因此，在 IN T3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(shí)器T 1/ T 3哪一個(gè)產(chǎn)生 了中斷（即確定定時(shí)器中斷號(hào)），再轉(zhuǎn)入相應(yīng)的

16、 子程序.并且，須編寫中斷保護(hù)和恢復(fù)代碼，在 進(jìn)入ISR時(shí)，要對(duì)這些寄存器變量進(jìn)行堆棧保 護(hù)；在ISR完成時(shí)，要對(duì)這些寄存器變量進(jìn)行堆 ?；謴?fù).否則,2路通道的PWM輸出會(huì)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(shí)驗(yàn)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= 2 m- i,比例系數(shù)K p=0. 05,積分系數(shù)K i = 0. 006,目標(biāo)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(shí),輸出 最大加熱電流占空比，電機(jī)快速達(dá)到設(shè)定曲率， 上升時(shí)間為0. 55圖7階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)機(jī)械手由六臺(tái)單元樣機(jī)構(gòu)成，考慮到系統(tǒng) 對(duì)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(duì)六指節(jié)同時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī) 械手協(xié)調(diào)運(yùn)行與精確定位試驗(yàn)表明，機(jī)械手 （限于篇幅,擬人手形圖略）基本