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新型形状记忆合金驱动器与三指灵巧手设计

  • 李达宏
  • 金樱子
  • 郭振武
  • 王斌锐
中国计量大学 机电工程学院， 浙江 杭州 310018

中图分类号： TP 242

最近更新：2019-11-14

DOI：10.3785/j.issn.1006-754X.2019.05.002

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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手[

1]、北京航空航天大学研制的BH-985灵巧手[2]、德国宇航中心研制的DLR手[3]等都是使用直流电机作为驱动器。气动驱动器和液压驱动器具有较大的驱动力、优良的柔顺性等优点，但是其体积一般较大，英国Shadow公司使用McKibben型气动肌肉研制出Shadow系列灵巧手[4]，德国卡尔斯鲁厄大学设计了一种液压驱动仿人手[5]。随着驱动技术的发展，出现了一些新型驱动材料，例如：形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）、压电材料、电活性聚合物及介电弹性体等。这些材料具有体积小、质量轻、功率质量比高及自传感等优点。SMA是19世纪60年代初美国海军在研究时无意发现的一种金属材料，70年代后在实际应用中实现重大突破，在随后的几十年里，更多种类的SMA被大量研发，其中Ni-Ti形状记忆合金的性能较为优良，被广泛应用于多个领域。SMA的应变量一般在3%左右，通过增加SMA的使用量来实现较大驱动位移输出，如：文献[6]提出将2组直径为1 mm的单程SMA丝对峙放置组成驱动器，该驱动器输出直线位移，其SMA丝应变量为2.5%，输出力可达300 N，具有累加位移、双程驱动等特点，但是其质量达到了1.63 kg，不利于灵巧手的轻量化；文献[7]使用直径为0.5 mm的SMA丝设计了一种线性驱动器，使用热电偶测量SMA温度，该驱动器可实现双程驱动，其驱动位移为7 mm，驱动位移输出为驱动器总长的4%。但上述SMA驱动器存在体积大、成本高、驱动位移小及需外置温度传感器等问题。

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。

1 新型SMA驱动器设计

1.1　新型SAM驱动器结构

驱动器是灵巧手设计的关键。本文基于单程SMA丝[

8,9,10]，设计了一个新型SMA驱动器，如图1所示，该驱动器主要由滑轮、空心螺柱、SMA丝和弹簧拉伸装置等组成，驱动器总长度为140 mm。设置滑轮装置是为了通过绕线的方式来增长SMA丝的使用长度，鉴于SMA的应变量通常只有3%左右，因此通过定滑轮绕线的方式增长实际使用长度来加大SMA驱动器驱动位移输出量。

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所示。该装置可以分成两部分：弹簧部分用于SMA丝的预紧和拉伸；空心螺柱用于调节SMA丝的预拉伸应变量大小，通过调节空心螺柱可以增加或减少驱动器的驱动位移输出。这两部分结构可以单独调节、互不影响，根据SMA丝的特性及驱动需求分别调整驱动器参数。

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。

1.2　新型SAM驱动器性能测试

为了测试所设计SMA驱动器的驱动性能，搭建了如图3所示由拉压力传感器、激光位移传感器、砝码和SMA驱动器组成的测试平台[

11,12]，以开展SMA驱动器空载时驱动器输出位移与带负载能力实验。

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所示，从图中可以看出：SMA丝拉伸预紧装置可以达到13.5 mm的最大空载阶跃响应，达到驱动器总长的8%以上。在带负载实验中，驱动器在空载位移输出为12 mm的条件下进行负载实验，得到不同负载下新型SMA驱动器的驱动位移输出曲线，如图5所示。从控制周期来看，可以看到随着负载的增加，加热阶段响应速率几乎不变，但降温阶段回复所需时间减少，整个控制周期缩短。随着负载的增大，SMA驱动器的驱动位移输出逐渐减小，负载为600 g时其驱动输出位移达到10 mm，比空载时减小了2 mm，负载为1 000 g时其驱动输出位移为9 mm。在实际应用中，适当增大空载时的驱动位移输出可提升驱动效果。

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

1.3　新型SMA电阻特性试验

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材料的电阻发生变化[

13]。SMA电阻受应力、温度、自身马氏体与奥氏体体积分数的影响，在相变过程中这些因素都会发生变化。因此在采用SMA驱动器作为驱动元件时，可以通过检测其电阻变化来确定SMA丝的相变进程。

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（a）为通入0.8 A电流时SMA丝从开始受热到完全相变结束的电阻变化曲线；图6（b）为相变过程中SMA电阻率随应变量变化的曲线。

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）

由图6可知：SMA丝的电阻随着其相变而变化，相变结束后SMA丝的电阻不再变化，即电阻变化率为0 Ω / m 。在相变过程中，SMA丝的电阻变化可以分为2个阶段：第1阶段为上升阶段，第2阶段为下降阶段。在采用SMA驱动器作为驱动元件时，可以通过监测其电阻变化率和电阻变化率加速度来判断SMA丝的相变过程，当二者都为零时即可判断SMA丝从奥氏体完全转变为马氏体，即相变完成。

2 三指灵巧手设计

2.1　三指灵巧手结构

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据[

14,15]，根据模块化的思路进行设计[16,17]。为了方便控制和分析，对人手模型进行简化，设计了由SMA驱动器驱动的灵巧手，它包含手掌和3根手指，其中手指3有2个关节[18]，其他2个手指的结构相同，均有3个关节，每个关节有一个自由度，则整个灵巧手有8个自由度。根据人手指的平均尺寸设计三指灵巧手，其中：手指3的近指节和远指节长度分别为35和27 mm；其他2个手指的远指节、中指节、近指节长度分别为35，30，27 mm；手掌为50 mm × 60 mm的长方形 [19]。利用三维软件SolidWorks绘出由新型SMA驱动器驱动的三指灵巧手虚拟样机，其整体结构如图7所示。

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所示。图8中，每一根绳索与各指节分别连接固定，绳索经过导线孔、滑轮，再穿过手掌与SMA驱动器连接。近指节关节安装在手掌上，3个关节绕线滑轮错开排列，因此3根绳索互不影响。远、中、近三个关节的最大转角分别为55°，45°，45°。手指3在结构上除了指节数目和近指节的长度与手指1不同外，其远指节的大小和长度与手指1相同。手指3远、近指节的关节最大转角分别为60°和70°。

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

2.2　手指传动性能

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所示，其中：F′为垂直于关节力臂C的等效作用力；F为绳索作用在手指上的合力；T为驱动器输出的驱动力；β为合力F与绳索的夹角；α为等效作用力F′与合力F的夹角。

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

分析图9可知：

M = b T - τ c o s β c o s α （1）

式中：M为作用在近指节上的力矩；b为关节力臂； τ 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所示。其中：θ为近指节从位置P 1转动到位置P 2时指节的弯曲角度；r为滑轮半径；S为SMA驱动器输出的直线位移。

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：

S = θ 360 ⋅ 2 π r （2）

2.3　三指灵巧手控制系统

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所示。

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为SMA电阻反馈控制的程序流程图。

图 12 SMA电阻反馈控制流程图

Fig. 12 SMA resistance feedback control flowchart

3 三指灵巧手抓取实验

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为三指灵巧手单根手指动作测试结果。由图可知，在单关节控制时，手指各关节均可达到设计的最大转角，即：远指节转角为55°，中指节转角为45°，近指节转角为45°；在双关节及三关节同时转动时，由于绳索驱动存在影响，远指节和中指节的转角分别只能达到50°和40°左右。后续可针对绳索驱动所产生的影响进行深入研究。图14所示为三指灵巧手成功抓取一个质量为473 g、形状近似为圆柱体的螺丝工具盒的实验现场。

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

4 结 论

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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