CN101598118B - 一种空间弯曲形状记忆合金驱动器的驱动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间弯曲形状记忆合金驱动器的驱动控制装置。该装置包括检测电路、选择放大电路、数字信号处理器和功率驱动电路。其中，检测电路用于对形状记忆合金驱动器弯曲信号进行检测，并将所获得的各方向的弯曲信号传送给选择放大电路，经选择放大后传送给数字信号处理器，数字信号处理器根据期望信号与实际信号的误差，计算决定形状记忆合金丝的加热脉冲时间，输出控制电信号到功率驱动电路，功率驱动电路通过导通与截止对形状记忆合金丝进行加热，控制形状记忆合金驱动器的运行状态。本发明采用电流驱动控制，控制方式简单，易于集成化，小型化。本发明满足微型化、精密定位与柔性传动的综合要求，在拟人机械手、医用假肢与内窥镜等领域，具有明显技术优势与潜在广泛的应用前景。

Description

一种空间弯曲形状记忆合金驱动器的驱动控制装置

技术领域

本发明属于功能材料的应用技术领域，涉及到形状记忆合金的应用技术领域，具体的说，它涉及一种空间弯曲形状记忆合金驱动器及其驱动控制装置。

背景技术

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)是功能材料的一种，它具有形状记忆效应(Shape Memory Effect，SME)，即将SMA经过高温定形处理后，冷却到常温或低温，并施加外力，使SMA产生塑性变形，如果再将该SMA加热至某一温度，可使其塑性变形消失，并恢复到高温定形后所记忆的形状。利用SMA的SME，可制成各式形状记忆合金驱动器(Shape Memory AlloyActuator，SMAA)。

SMAA与传统的电磁式驱动器相比，存在诸多优点，如输出力-重量比高、结构简易、运行柔顺性好等。华中科技大学于2006年4月14日提出的专利申请200610018786.5中提出了一种基于内嵌式SMAA的组合式拟人机械手，该机械手布置了六台可实现平面弯曲的内嵌式SMAA，该SMAA既解决了传统结构中重复进行预变形的偏动元件与实现回复功能的致动元件空间上彼此分离的缺点，也成功的将SMAA本体与动作执行部分集成于一体，具有机构紧凑、自重轻、动作柔顺、控制灵活等优点。但该内嵌式SMAA只能实现平面运动，在具有空间运行要求的领域，使用受到一定限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间弯曲形状记忆合金驱动器，该驱动器不仅具有机构紧凑、自重轻、输出力-重量比高、动作柔顺、控制灵活和制造成本低的优点，并且能够实现多方向弯曲，具备空间运行能力；本发明还提供了该驱动器的驱动控制装置，该驱动控制装置具有结构简单，运行可靠和成本低的优点。

本发明提供的空间弯曲形状记忆合金驱动器的驱动控制装置，其特征在于：该装置包括检测电路、选择放大电路、数字信号处理器和功率驱动电路；其中，检测电路用于对形状记忆合金驱动器弯曲信号进行检测，并将所获得的各方向的弯曲信号传送给选择放大电路，经选择放大后传送给数字信号处理器，数字信号处理器根据期望信号与实际信号的误差，计算决定形状记忆合金丝的加热脉冲时间，输出控制电信号到功率驱动电路，功率驱动电路通过导通与截止对形状记忆合金丝进行加热，控制形状记忆合金驱动器的运行状态。检测电路为电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6组成的三路电桥桥臂，三路电桥共地；选择放大电路包括三选一开关K1、电阻R7、R8和信号放大器A1，三选一开关K1的三端输入是三路桥臂的中点，三选一开关K1的输出连接到信号放大器A1的输入端，精密电阻R7、R8构成电压基准桥臂，其中点直接连接到信号放大器A1的输入端，信号放大器A1的输出端连接到数字信号处理器；功率驱动电路包括光耦隔离器T1、限流电阻R9、放大器A2、电力场效应管M1；数字信号处理器的输出脉冲口经由电阻R9连接到光耦隔离器T1的输入端，光耦隔离器T1的输出经过放大器A2连接到电力场效应管M1的控制端，电力场效应管M1与形状记忆合金丝串联；电力场效应管M1的源极、放大器A2的负输入端和光耦隔离器T1的输出端共地，光耦隔离器T1的输入端与数字信号处理器共地。

本发明利用形状记忆合金随温度变化具有形状记忆效应的特点，采用“U”形记忆SMA丝，对驱动器本体结构进行优化设计，实现了驱动器的空间自由弯曲运动；控制装置中利用数字信号处理器采样曲率传感器信号，针对处理运算结果选取合适控制策略，使驱动器的弯曲更加精确、快速、柔顺。本发明具有诸多优点：驱动器机构紧凑、自重轻、输出力-重量比高、动作柔顺、控制灵活、制造成本低、能够实现多方向弯曲，具备空间运行能力等。本发明的动作不受温度以外的环境影响，可在真空、强污染、高辐射等特殊环境中使用，具有较好的适应能力；该驱动器采用电流驱动控制，控制方式简单，易于集成化，小型化。本发明满足微型化、精密定位与柔性传动的综合要求，在拟人机械手、医用假肢与内窥镜等领域，具有明显技术优势与潜在广泛的应用前景。

附图说明

图1为空间弯曲SMAA外观结构图。

图2为空间弯曲SMAA的剖视图。

图3为模具胶圆柱体的截面示意图。

图4为SMA丝固定片的结构示意图。

图5为SMA丝定位片的结构示意图。

图6为空间弯曲SMAA驱动控制装置原理框图。

图7为空间弯曲SMAA驱动控制装置电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，空间弯曲SMAA包括末端固定部分1、运动执行部分2和前端连接部分3。

末端固定部分1包括末端套头5和SMA丝固定片6，SMA丝固定片6固定于末端套头5中。如图4所示，SMA丝固定片6上开有第一中心通孔16和n个定位孔15，其中，3≤n≤6，n个定位孔15以第一中心通孔16为中心、在SMA丝固定片6上对称分布。

运动执行部分2由模具胶圆柱体7、“U”形记忆SMA丝10和曲率传感器4构成。

如图3所示，模具胶圆柱体7上开有第二中心通孔14和n个嵌丝通孔13，n个嵌丝通孔13并以第二中心通孔14为中心、在模具胶圆柱体7内对称分布。

前端连接部分3包括前端套头9和SMA丝定位片8，SMA丝定位片8固定于前端套头9中。如图5所示，SMA丝定位片8上开有第三中心通孔18和n个限位孔17，其中，3≤n≤6，n个限位孔17以第三中心通孔18为中心、在SMA丝定位片8上对称分布。

第一、第二和第三中心通孔16、14和18为直径相等的同心孔，各定位孔15、嵌丝通孔13和限位孔17为同心孔。末端套头5和前端套头9中至少有一个上开有与中心通孔直径相等的同心孔，另一个套头的底部可以制成中空，也可以制成实心。

模具胶圆柱体7的一端伸入并固定于前端套头9上，与SMA丝定位片8紧密相连；其另一端伸入并固定于末端套头5中，与SMA丝固定片6之间留有间隙，该间隙为SMA丝10的焊接及引线12提供空间。

各嵌丝通孔13内均设置有“U”形记忆SMA丝10，“U”形记忆SMA丝10的一端通过胶粘固定在SMA丝固定片6的定位孔15上。“U”形记忆SMA丝10的固定端上设有焊接点11，焊接点11位于模具胶圆柱体7与SMA丝固定片6之间，并非末端套头5底部与SMA丝固定片6之间，这样SMA丝10的固定端没有电流流过，仅因热传导而提升较少的温度，有利于胶粘固定的稳定性。

“U”形记忆SMA丝10的另一端穿过SMA丝定位片8的限位圆孔17，但并未固定于限位圆孔17之上。嵌丝通孔13的直径略大于SMA丝10的直径，可使SMA丝10在嵌丝通孔13中穿梭自如，只受很小的阻力。这种单端固定的结构，与双端固定相比，消除了因驱动器弯曲运动产生的对SMA丝10的拉伸力作用，从而提高了驱动器的弯曲曲率，加快了驱动器的响应速度。而这种单端固定的结构也带来了非固定端处SMA丝的边缘压迫力增大问题，而SMA丝定位片8的限位圆孔17正是为解决这一问题而设置，限位圆孔17承担并分散了几乎所有的边缘压迫力，进一步提高了驱动器的弯曲曲率。

2n个曲率传感器4均匀分布于模具胶圆柱体7表面，且任意一对曲率传感器与其对应的嵌丝通孔13以及第三中心通孔18位于同一直线上。如图3中所示的曲率传感器4a、4b、4c、4d、4e和4f。

SMA丝固定片6、模具胶圆柱体7、SMA丝定位片8和前端套头9或/和末端套头5均采用中空结构，一方面用于穿接导线，另一方面有利于驱动器散热，加速SMA丝的回复。SMA丝固定片6和SMA丝定位片8虽功能不同，但具有相同结构，末端套头5和前端套头9内表面结构可相同，而外表面则根据需要制成各种形状以方便固定和连接。

SMA丝固定片6、SMA丝定位片8和前端套头9均采用具有B级绝缘等级，且耐150℃高温的轻型树脂材料。

如图6所示，驱动控制装置包括检测电路19、选择放大电路20、数字信号处理器21和功率驱动电路22。检测电路19用于对SMAA弯曲信号进行检测的检测电路19，并将所获得的各方向的弯曲信号传送给选择放大电路20，经选择放大后传送给数字信号处理器(DSP)21，数字信号处理器21根据期望信号与实际信号的误差，计算决定SMA的加热脉冲时间，输出控制电信号到功率驱动电路22，功率驱动电路22通过导通与截止对SMA丝进行加热，控制SMAA的运行状态。

下面以n＝3，“U”形记忆的SMA丝23采用任意丝为例，说明具体的驱动控制装置的电路结构。

检测电路19是R1-R6组成三路电桥桥臂，三路桥臂的中点由导线连接到选择放大电路20，三路电桥共地，且此地为控制部分信号地，如图7所示。选择放大电路20中，三选一开关K1的三端输入是三路桥臂的中点，输出连接到信号放大器A1的输入端。精密电阻R7、R8构成电压基准桥臂，其中点直接连接到信号放大器A1的输入端。放大器输出端连接到数字信号处理器21。数字信号处理器21的输出脉冲经由电阻R9连接到光耦隔离器T1，光耦隔离器T1的输出经过放大器A2连接到电力场效晶体管M1。电力场效晶体管M1与SMA丝9串联接到直流电路中。

电路工作时，选择放大电路20中，三选一开关K1对三路信号进行选择，选择控制由数字信号处理器21实施。当选择切换足够快时，三路信号进入数字信号处理器21的时间是几乎同时的。数字信号处理器21根据期望信号与实际信号的误差来决定SMA的加热脉冲时间。功率驱动电路22中，由于驱动部分电路干扰较大，因此需对来自数字信号处理器的脉冲信号进行光耦隔离，以避免驱动电源干扰数字信号处理器的正常运行。光耦隔离器T1将整个驱动设备隔离成不同电源的两部分。数字信号处理器产生的脉冲信号经由限流电阻R9输入到光耦隔离器T1的输入端，限流电阻使光耦的驱动电流小于最大电流，对光耦隔离器T1进行保护。光耦的输出需由放大器A2放大后驱动电力场效晶体管M1。电力场效晶体管导通时电流形成通路对SMA丝加热，电力场效晶体管截止时没有电流通路，SMA丝温度下降。

本发明的工作原理如下：通过调节通入三根SMA丝的加热电流，控制三根SMA丝的弯曲变形，从而实现本驱动器的空间运动。当空间弯曲SMAA朝某方向弯曲时，三个互差120度的曲率传感器电桥将输出一定的电压，在数字信号处理程序中，循环输出不同的开关选择信号选择3对传感器中一对，与基准电压进行比较。在数字信号处理中，通过对三路与曲率相关的电压信号进行分析处理，来判断此事空间弯曲SMAA的弯曲方向和弯曲大小，与设定值相比较。如果偏离设定值，则通过改变各路PWM脉宽以便协调控制三根SMA丝，使其达到设定值。

本发明实例可以采用型号IRF3710的电力场效晶体管，型号为6N137的光耦隔离器，型号分别为AD622和TPS2812的放大器，作为本装置的组成部件。

以上示意性的对发明及其实施例进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种空间弯曲形状记忆合金驱动器的驱动控制装置，其特征在于：该装置包括检测电路（19）、选择放大电路（20）、数字信号处理器（21）和功率驱动电路（22）；其中，检测电路（19）用于对形状记忆合金驱动器弯曲信号进行检测，并将所获得的各方向的弯曲信号传送给选择放大电路（20），经选择放大后传送给数字信号处理器（21），数字信号处理器（21）根据期望信号与实际信号的误差，计算决定形状记忆合金丝的加热脉冲时间，输出控制电信号到功率驱动电路（22），功率驱动电路（22）通过导通与截止对形状记忆合金丝进行加热，控制形状记忆合金驱动器的运行状态；

其中，检测电路（19）为电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6组成的三路电桥桥臂，三路电桥共地；

选择放大电路（20）包括三选一开关K1、电阻R7、R8和信号放大器A1，三选一开关K1的三端输入是三路桥臂的中点，三选一开关K1的输出连接到信号放大器A1的负输入端，精密电阻R7、R8构成电压基准桥臂，其中点直接连接到信号放大器A1的正输入端，信号放大器A1的输出端连接到数字信号处理器（21）；

功率驱动电路（22）包括光耦隔离器T1、限流电阻R9、放大器A2、电力场效应管M1； 

数字信号处理器（21）的输出脉冲口经由电阻R9连接到光耦隔离器T1的输入端，光耦隔离器T1的输出经过放大器A2连接到电力场效应管M1的控制端，电力场效应管M1与形状记忆合金丝（23）串联；电力场效应管M1的源极、放大器A2的负输入端和光耦隔离器T1的输出端共地，光耦隔离器T1的输入端与数字信号处理器（21）共地。

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