摘要
针对现有形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)温度反馈控制难以实现及SMA应变量小导致实际应用中存在驱动位移小的问题,提出了一种基于电阻反馈控制的新型SMA驱动器,并采用这种驱动器研发了一种绳索传动的三指灵巧手。新型SMA驱动器由滑轮、空心螺柱、SMA丝和弹簧拉伸装置等组成,通过采用滑轮绕线的方式增长SMA丝的使用长度以提高驱动位移输出量;利用SMA自身的电阻特性得到SMA电阻变化与相变的关系,设计了基于电阻反馈的开关控制系统;采用模块化思想设计了三指灵巧手,3根手指共有8个自由度,并通过实验验证三指灵巧手对物品的抓取能力。结果表明:新型SMA驱动器不需要通过测温来判断SMA丝相变进程,省去了外部温度传感器;SMA驱动器输出的驱动量可达驱动器总长的8%以上;通过监测SMA丝的电阻变化可实现驱动器通电加热的控制,防止SMA丝过热烧毁。研究结果为提高SMA驱动器驱动位移和降低SMA驱动器控制难度提供了一种思路。
人的双手作为非常复杂、灵巧的末端执行器,可以完成种类繁多的任务。研究人员从仿生学、运动学、解剖学等方面研究人手的特点,并进行多指灵巧手的研制。在20世纪70年代,国内外研究人员开始研究仿人机械手,目前机械手已广泛应用于制造业、服务业及医疗行业等。
驱动器是灵巧手的重要组成部件,传统的驱动器有电机、气动驱动器和液压驱动器。 电机具有响应速度快、质量轻、输出力矩大和控制方便等特点,哈尔滨工业大学研制的DLR/HIT
本文提出了一种新型SMA驱动器,使用滑轮绕线方式增大驱动器的驱动位移输出,利用电阻反馈监测SMA的电阻并判断其相变进程。根据新型驱动器设计了一种具有3根手指、8个自由度的灵巧手,每个自由度用一个SMA驱动器通过柔绳传动的方式驱动,最后通过实验验证SMA驱动器及三指灵巧手的性能。
驱动器是灵巧手设计的关键。本文基于单程SMA

图 1 新型SMA驱动器结构示意图
Fig. 1 Structure diagram of new SMA actuator
SMA丝拉伸预紧装置主要由弹簧、螺纹拉杆、空心螺柱和螺母组成,如

图 2 SMA丝拉伸预紧装置
Fig. 2 SMA wire tension pretensioning device
由于在SMA丝拉伸预紧装置中使用了弹簧,为了确定作用在SMA丝上的预应力大小,需要对单根SMA丝进行预应力负载实验。经测试,长度为300 mm、直径为0.3 mm的SMA丝应变量与所受预应力的关系为:当预应力小于4.7 N时,SMA丝应变量较小,仅为2 mm以下;当预应力为4.7~5.5 N时,SMA丝应变量快速增大,预应力为5.5N时SMA丝应变量达到14.5 mm;当预应力为5.5~10 N时,SMA丝应变量增速放缓;当预应力为10~25 N时,SMA丝应变量保持在16 mm左右;当预应力大于25 N后,SMA丝应变量开始减小,并随着SMA丝逐渐被拉长而产生永久形变。由此可知,弹簧应力达到6 N以上就可使SMA丝获得较大的应变量,因此选取线径为0.7 mm、中径为6.3 mm、有效圈数为14圈的弹簧。经测试得弹簧刚度为0.685 N/mm,在实际应用中调节弹簧压缩量到10 mm就能得到6.85 N的预应力。
为了测试所设计SMA驱动器的驱动性能,搭建了如

图 3 SMA驱动器性能测试平台
Fig. 3 SMA actuator performance test platform
通过调节SMA丝拉伸预紧装置的预应变量及预应力大小可以改变驱动器驱动位移输出的大小。在不同设置下SMA驱动器空载阶跃响应曲线如

图 4 新型SMA驱动器空载阶跃响应曲线
Fig. 4 No-load step response curve of new SMA actuator

图 5 新型SMA驱动器负载响应曲线
Fig. 5 Load response curve of new SMA actuator
SMA的电阻特性是指在马氏体与奥氏体之间进行相变过程中,SMA自身的电阻率改变,从而导致SMA材料的电阻发生变
为了得到SMA加热过程中的电阻变化规律,采用可编程电流源E3631A、数字万用表及SMA驱动器性能测试平台进行电阻特性试验。试验中使用的SMA丝的参数为:直径为0.3 mm,长度为250 mm,负载为1 630 g。在负载不变的情况下,对新型SMA驱动器通入0.6~1.2 A的电流进行实验,电流差为0.1 A。

图 6 SMA丝加热相变过程的电阻和电阻率变化曲线( I=0.8 A)
Fig. 6 Resistance and resistivity variation curves of SMA wire during phase transition by heating(I=0.8 A)
由
在设计灵巧手手指结构时,以人手的结构特点和外形尺寸为依

图 7 由新型SMA驱动器驱动的三指灵巧手整体结构
Fig. 7 Integral structure of three-fingered dexterous hand driven by new SMA actuator
鉴于手指1和手指2的结构相同,以手指1为例,手指1主要由近指节、中指节、远指节组成,与手掌连接一起,共有3个关节,每个指节由一根绳索单独驱动,其结构如

图 8 三指灵巧手手指1的结构示意图
Fig. 8 Structural diagram of finger 1 of three-fingered dexterous hand
在灵巧手抓取过程中,SMA驱动器输出力和位移作用在相应的手指关节上,通过对手指进行传动性能分析,可确定驱动器输出的力和位移与手指实际输出的力与角度的关系。在手指抓取物体时,其抓取动作不仅受到弹簧复位装置复位力的影响,还受到传动过程中摩擦力的影响,因此在设计手指时必须考虑这些因素。
本文设计的三指灵巧手的手指是通过绳索与滑轮进行运动传递的,可通过关节受力分析得出SMA驱动器的拉力与手指实际输出转矩的关系。由于所设计的三指灵巧手的手指关节结构是相同的,因此只需对一个关节进行分析就可以得到所有关节的传动性能。以手指1的近指节与中指节之间的关节为例,其受力分析如

图 9 三指灵巧手手指1关节受力示意图
Fig. 9 Schematic diagram of force acting on finger 1 joint of three-fingered dexterous hand
分析
(1) |
式中:M为作用在近指节上的力矩;b为关节力臂; 为扭簧的应力。
驱动位移与角度的关系也会影响手指传动性能。根据手指关节的传动特点,灵巧手手指1近指节传动示意图如

图 10 三指灵巧手手指1近指节传动示意图
Fig. 10 Drive schematic diagram of finger 1 subknuckle of three-fingered dexterous hand
导向孔大小相对于滑轮半径较小,可忽略不计。在绳索拉动关节转动时绳索与滑轮接触部分的弧长不变,可通过计算得到手指关节转动某个角度所需的驱动位移量,根据弧长公式得到驱动位移与关节转角的关系为:
(2) |
根据所设计的三指灵巧手的控制要求,搭建了一套基于SMA电阻反馈的开关控制系统,通过监测SMA丝电阻的变化趋势,判断SMA丝的相变是否完成。相变完成后为防止持续大电流烧毁SMA丝,需要将驱动电路的电压降至2 V使SMA丝温度保持在相变完成温度以上,即可使灵巧手维持在抓取的状态;当灵巧手不需要抓取时,停止对SMA丝加热。灵巧手控制系统包括多路脉冲调宽(pulse width modulation,PWM)模块、加热驱动控制电路、电阻测量电路及ADC (analog-to-digital converter,模数转换器)模块,如

图 11 三指灵巧手控制系统框图
Fig. 11 Block diagram of control system of three-fingered dexterous hand
通过直接通电加热方法对SMA驱动器进行加热驱动,其控制较简单。由于ARM(advanced RISC machine,高级精简指令集机器)开发板无法提供大电流驱动,因此需要外置一个驱动放大电路为SMA驱动器提供驱动电流,控制PWM模块输出不同占空比的PWM波控制MOS(metal-oxide-semiconductor,金属-氧化物-半导体)场效应管电路施加在SMA的电压,实现对SMA驱动器的驱动。
在SMA通电加热过程中,其电阻会随着温度上升而发生变化,但电阻变化较小,采用欧姆法无法测得精确的电阻值。为了测得较精确的电阻,采用恒流源电桥法测量SMA丝的电阻。在SMA驱动器通电加热过程中,将30 mA的恒定电流施加于电桥,同时设置特殊的PWM波形,每隔100 ms使驱动电路产生5 ms的低电平输出,在低电平输出过程中对SMA丝的电阻进行测量。30 mA电流对SMA丝加热产生的影响可忽略不计,通过测量电桥产生的压差即可得到SMA丝的电阻。

图 12 SMA电阻反馈控制流程图
Fig. 12 SMA resistance feedback control flowchart
根据搭建的三指灵巧手实验平台,对三指灵巧手单根手指动作以及整个灵巧手抓取物品进行实验测试,以验证SMA驱动器及三指灵巧手的可行性。同时对SMA驱动器中SMA丝的电阻进行监测,获取相变进度,并调整作用在SMA丝上的电流大小以防止SMA丝过热烧毁。三指灵巧手单根手指动作测试实验主要是对手指各指节的弯曲动作以及手指的单关节、双关节及三关节转动效果进行观察。采用8 V以内直流电压驱动SMA驱动器,驱动1 s后可使手指达到最大弯曲。SMA丝在室温为25 ℃情况下自然冷却,控制周期在20 s内;若采取风冷措施冷却,控制周期缩短到5 s内。

图 13 三指灵巧手单根手指动作测试结果
Fig. 13 Test results of single-finger movement of three-fingered dexterous hand

图 14 三指灵巧手抓取螺丝工具盒实验现场
Fig. 14 Three-fingered dexterous hand grasping screw toolbox experimental site
本文设计了一种基于电阻反馈的新型SMA驱动器,通过使用滑轮增加SMA丝的使用长度,结合弹簧拉伸装置可以增大SMA驱动器驱动位移输出,该驱动器具有较大的负载能力。通过恒流源电桥法可以算出SMA丝电阻值,根据其电阻的变化趋势可以知道SMA丝是否相变完成。相变完成后减小施加在驱动器上的电流,防止SMA丝过热烧毁。设计了由新型SMA驱动器驱动的三指灵巧手,并通过实验验证了三指灵巧手的抓取性能。该灵巧手具有结构简单、质量较轻、成本低、驱动简单等特点,可实现对一些日常用品的抓取。
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