CN1282525C - 形状记忆合金弹簧驱动的机械手控制系统 - Google Patents

Abstract

形状记忆合金弹簧驱动的机械手控制系统属于智能材料的应用技术领域，特别涉及到形状记忆合金的应用技术领域。其特征在于，它含有用于检测上述形状记忆合金弹簧温度的温度传感电路；用于检测形状记忆合金弹簧位移的位移传感器；用于处理输入的温度数据和位移数据，并输出控制信号到驱动电路和开关选择电路的数据处理模块，用于提供加在形状记忆合金弹簧上的电压，并以脉宽调制方式调节电压大小的驱动电路；用于控制加在形状记忆合金弹簧和风扇上电压的通断的开关选择电路。本发明可以有效控制形状记忆合金弹簧驱动机械手的开合状态。

Description

形状记忆合金弹簧驱动的机械手控制系统

技术领域：

形状记忆合金弹簧驱动的机械手控制系统属于智能材料的应用技术领域，特别涉及到形状记忆合金的应用技术领域。

背景技术：

形状记忆合金(SMA)是智能材料中的一种，这种材料经过高温定形后，冷却到低温，施加外力，使它产生残余变形，如果再对其加热到某一温度，即可使残余变形消失，恢复到高温下固有的形状，就如同记住了高温下的状态，具有形状记忆效应(SME，Shape MemoryEffect)。形状记忆合金的这一特性使其具有自感知、自诊断和自适应的功能，即具有传感器、控制器和驱动器的功能，相对其它智能材料来说，形状记忆合金(SMA)具有很大的优势，也逐步应用于各种制动器、航天器天线，管道连接件，医疗外科的矫正器，医用材料等领域。利用形状记忆合金的形状记忆效应，对其进行交替的升降温，能够使其产生缩短和伸长的往复运动，因此可以将其做成电驱动元件，替代传统的液压、马达或气动装置等。

清华大学于2004年1月16日提出的专利申请200400000722.3中提出了一种利用SMA弹簧驱动的机械手，如图1所示：图中机械手的驱动是使用差动式形状记忆合金弹簧组，该弹簧组主要由形状记忆合金弹簧10和形状记忆合金弹簧2，及滑块11组成。两个形状记忆合金弹簧通过一个滑块11连接，两个形状记忆合金弹簧相互绝缘，与滑块之间也绝缘。其中形状记忆合金弹簧10的一端固定在支架的顶座5上，形状记忆合金弹簧2的一端固定在支架的底座1上。滑块11上固定有一个拉杆9，在支架顶座5上开有一个孔，拉杆9与形状记忆合金弹簧10的中心轴平行，从该孔中伸出，并与机械手的手指6和连杆8形成复合铰链。整个支架相对于差动式形状记忆合金弹簧组来说是固定不动的，因此，当形状记忆合金弹簧中有电流流过时，滑块11会随着两个形状记忆合金弹簧的伸缩而上下移动，并带动拉杆9上下移动，从而拉动连杆8带动机械手的拇指6和食指7产生握、放动作。两个风扇4和3分别固定在支架的顶座5和底座1上，用于为形状记忆合金弹簧10和2降温。具体过程是，当弹簧10是通电状态时，弹簧10内有电流流过，其温度升高，此时弹簧10收缩；同时弹簧2是断电状态，并打开风扇给弹簧2降温，使弹簧2伸长；如此，即带动滑块11和拉杆9向上移动，机械手张开。反之，为弹簧10断电，并打开风扇4降温，同时为弹簧2通电，关闭风扇3，则弹簧10伸长，弹簧2缩短，滑块11向下移动，使机械手内握。但是该文件中并没有提出这种SMA驱动机械手的控制系统。

发明内容：

本发明的目的在于，提出了一种形状记忆合金弹簧驱动的机械手控制系统，该系统可以控制形状记忆合金弹簧驱动机械手的开合状态，通过计算机程序的控制，也可以使之运动到指定位移。

本发明的特征在于，它含有：

温度传感电路：用于检测形状记忆合金弹簧温度，并将温度信号传送到数据处理模块；

位移传感器：用于检测形状记忆合金弹簧的位移，并将位移信号传送到数据处理模块；

数据处理模块：用于处理输入的温度数据，并输出控制信号到驱动电路和开关选择电路；

驱动电路：用于提供加在上述形状记忆合金弹簧上的电压，并以脉宽调制方式调节电压的大小，脉宽调制信号来自数据处理模块，其输出电压通过开关选择电路加在形状记忆合金弹簧上；

开关选择电路：用于控制加在上述形状记忆合金弹簧和风扇上的电压的通断，控制信号来自数据处理模块，其输出信号传给状记忆合金弹簧和风扇。

所述位移传感器是一个滑线变阻器，其滑杆连接形状记忆合金弹簧的滑块，其信号输出端连接所述数据处理模块。

所述驱动电路含有功率开关管，和一个光耦及三极管，由上述数据处理模块输出的脉宽调制信号经过光耦隔离，并经过三极管放大后，加在所述功率开关管的栅极，该功率开关管的漏极接直流电源，其源极将输出信号输入到上述开关选择电路。

所述开关选择电路含有：

继电器(T2，T3)：

分别控制形状记忆合金弹簧(10，2)电源通断，开关控制端分别连接所述数据处理模块，电源输入端共同连接所述驱动电路的输出端，电源输出端分别连接形状记忆合金弹簧(10，2)的电源端；

继电器(T0，T1)：

分别控制两个风扇电源通断；开关控制端分别连接所述数据处理模块，两个继电器使用相同的电源输入，电源输出端分别连接风扇(4，3)的电源端。

所述数据处理模块含有：

A/D卡：对上述温度传感电路传来的温度信号检测值进行模数转换；

脉冲信号发生电路：产生脉宽调制信号，并输出到驱动电路；

输入/输出接口：将开关控制信号输出到开关选择电路中的各个继电器的开关控制端；

计算机：通过总线与A/D卡、脉冲信号发生电路、输入输出接口进行数据传输和处理数据。

所述A/D卡、脉冲信号发生电路和输入/输出接口电路均集成在一个型号为IPC5432的多功能数据采集卡上，该数据采集卡插在所述计算机的ISA槽上。所述开关功率管是型号为2SK1280的MOSFET管。

实验证明：本发明能有效控制形状记忆合金弹簧驱动机械手的开合，达到了预期的目的。

附图说明：

图1是本发明的机械手结构示意图；

图2是本发明的控制系统原理框图；

图3是本发明的控制电路原理图，其中3(a)是驱动电路，3(b)是开关选择电路，3(c)是数据处理模块，3(d)是温度和位移传感电路，3(e)是总电源；

图4是本发明的控制界面图。

具体实施方式：

结合附图说明本发明的具体实施方式。

见图2，温度传感器(分别采用AB胶粘贴在弹簧10和2上)和位移传感器(本发明采用滑线变阻器，其滑杆与滑块11相连)将检测到的温度和位移数据送入数据处理模块，进行数据处理后，数据处理模块将输出信号送入驱动电路和开关选择电路。驱动电路的一个输入端接数据处理模块输出的控制信号，另一端输入220V的电网电压，其输出电流通过开关选择电路而有选择性加到弹簧10或2上。开关选择电路接收数据处理模块的开关信号，并用于选择性的控制弹簧10或2的电流通断，同时控制风扇的开关。

见图3，驱动电路(a)是通过脉宽调制方式来调节加在弹簧10和2上的电流大小，脉宽调制信号PWM来自数据处理模块，脉宽调制信号加在功率管MOSFET管的门极，控制MOSFET管的通断，MOSFET管漏极、源极两端的电压是电网电压通过变压器BYQ2，整流器KBPC306，和稳压电容C3后输出的9V的直流电压。由于电路中场效应管MOSFET的斩断电流较大，发热很严重。如果解决不好，要用很大的散热片对功率MOSFET散热。要减小发热，一方面要采用导通电阻小的MOSFET，另一方面打开和关断MOSFET管的时间要短。电路采用的MOSFET管的型号为2SK1280，该管的导通电阻较小。该驱动电路中采用了由光耦(optrlac，型号为TIL113))和三极管Q1～Q3组成的PWM信号放大电路。当PWM信号为低电平时，光耦导通，Q1、Q3不导通，Q2导通，+12V电源通过Q2加到MOSFET管的门极上，使其打开；当PWM信号为高电平时，光耦不导通，Q1、Q3导通，Q2不导通，功率MOSFET可以通过Q3快速放电。这样增加了功率MOSFET管在由导通转为截止时的放电回路，提高了关断速度，有效的降低了功率MOSFET的发热功率。MOSFET管的射极HEAT连接到开关选择电路。

开关选择电路(b)是一组继电器T0～T3，其中T0和T1用于控制两个风扇的开关，T2和T3用于控制两个弹簧的电源通断，所有继电器的控制信号(D0～D3)均来自数据处理模块。对于每一个继电器来说，当接到数据处理模块输出的信号为高电平时，继电器的接通，它就为所控制的相应的风扇(或弹簧)加上电压；当输出信号为低电平时，继电器断开，它就为所控制的相应的风扇(或弹簧)断开电压。继电器T0和T1为风扇接通的是总电源输出的12V电压，继电器T2和T3为弹簧接通的是由驱动电路输出的加热电压(HEAT)。

数据处理模块(c)，含有将温度传感器传来的模拟信号转换为数字信号的A/D卡，用于产生脉冲调制信号的时钟发生电路JP1，以及用于输出继电器开关控制信号的输入/输出接口JP2，和进行数据处理的计算机。本发明采用了一个多功能数据采集卡，其型号为IPC5432，该采集卡集合A/D卡，时钟发生电路(TIMER)，输入/输出接口(DI/DO)于一体，使用时，将该卡插入计算机的ISA槽中，通过总线与CPU进行数据传输。

温度和位移传感电路(d)，温度传感电路：电路采用电桥测量温敏电阻的阻值变化，得出温度数据；位移传感电路：电路采用滑线变阻器的阻值变化，得到相应的的位移数据。温度传感器和位移传感器在使用前都需要进行标定。其中，温敏电阻R19用于测量弹簧10的温度，温敏电阻R20用于测量弹簧2的温度，滑线变阻器R21用于测量差动弹簧组的位移。测量的电压信号送往IPC5432的A/D卡进行模数转换(见图3c)，然后进行处理。

总电源(e)用于为风扇和该控制电路中的相关元器件提供直流电压，将220V交流电转换为装置中各个有源器件需要的+12V或+5V直流电压(除MOSFET管之外)，如开关选择电路的各个继电器需要+5V电源来驱动，+12V电源主要用于驱动风扇，其它的在图中已明确标出。为防止干扰，+12V电源和+5V电源分开设计，采用一个双端输出的变压器BYQ1，两路输出分别用各自的整流电路、稳压电容，V1、V2、V3是三端稳压器。

见图4，手动控制时，点击“抓住”按钮，程序控制用最大加热电流加热SMA弹簧，另外一个弹簧用风扇冷却，机械手以最大速度抓取物体；点击“松开”按钮，机械手以最大速度松开物体；点击“保持”按钮，程序测量输出位移，用PID算法调节加热电流，维持机械手在某个固定位置。

自动控制时，用户可以任意选择需要加热的SMA弹簧；选择是否使用风扇冷却；设定加热电流大小；设定动作周期；设定完成，点击“运行”按钮，机械手自动动作；点击“暂停”按钮，停止加热和风扇供电，继续采样温度数据和位移数据并显示；点击“停止”按钮，程序停止加热、风扇供电和数据采样。

当按照用户指定位移运动时，程序自动判断机械手的运动状态，然后设定合理的加热电流，打开相应的风扇进行冷却，采用PID算法反馈控制机械手的输出位移，使机械手开或合。

程序运行过程中，自动采样温度数据和位移数据，并转换成温度和位移显示在界面上。如果用户选择“记录动作过程”，则程序自动记录机械手的动作过程和温度、位移数据。

Claims (7)

1、一种形状记忆合金弹簧驱动的机械手控制系统，其特征在于，它含有：

温度传感电路：用于检测形状记忆合金弹簧温度，并将温度信号传送到数据处理模块；

位移传感器：用于检测形状记忆合金弹簧的位移，并将位移信号传送到数据处理模块；

数据处理模块：用于处理输入的温度数据，并输出控制信号到驱动电路和开关选择电路；

驱动电路：用于提供加在上述形状记忆合金弹簧上的电压，并以脉宽调制方式调节电压的大小，脉宽调制信号来自数据处理模块，其输出电压通过开关选择电路加在形状记忆合金弹簧上；

开关选择电路：用于控制加在上述形状记忆合金弹簧和风扇上的电压的通断，控制信号来自数据处理模块，其输出信号传给形状记忆合金弹簧和风扇。

2、如权利要求1所述的形状记忆合金弹簧驱动的机械手控制系统，其特征在于，所述位移传感器是一个滑线变阻器，其滑杆连接形状记忆合金弹簧的滑块，其信号输出端连接所述数据处理模块。

3、如权利要求1所述的形状记忆合金弹簧驱动的机械手控制系统，其特征在于，所述驱动电路含有功率开关管，和一个光耦及三极管，由上述数据处理模块输出的脉宽调制信号经过光耦隔离，并经过三极管放大后，加在所述功率开关管的栅极，该功率开关管的漏极接直流电源，其源极将输出信号输入到上述开关选择电路。

4、如权利要求1所述形状记忆合金弹簧驱动的机械手控制系统，其特征在于，所述开关选择电路含有：

继电器(T2，T3)：

分别控制形状记忆合金弹簧(10，2)电源通断，开关控制端分别连接所述数据处理模块，电源输入端共同连接所述驱动电路的输出端，电源输出端分别连接形状记忆合金弹簧(10，2)的电源端；

继电器(T0，T1)：

分别控制两个风扇电源通断；开关控制端分别连接所述数据处理模块，两个继电器使用相同的电源输入，电源输出端分别连接风扇(4，3)的电源端。

5、如权利要求1所述的形状记忆合金弹簧驱动的机械手控制系统，其特征在于，所述数据处理模块含有：

A/D卡：对上述温度传感电路传来的温度信号检测值进行模数转换；

脉冲信号发生电路：产生脉宽调制信号，并输出到驱动电路；

输入/输出接口：将开关控制信号输出到开关选择电路中的各个继电器的开关控制端；计算机：通过总线与A/D卡、脉冲信号发生电路、输入输出接口进行数据传输和处理数据。

6、如权利要求5所述的形状记忆合金弹簧驱动的机械手控制系统，其特征在于，所述A/D卡、脉冲信号发生电路和输入/输出接口电路均集成在一个型号为IPC5432的多功能数据采集卡上，该数据采集卡插在所述计算机的ISA槽上。

7、如权利要求2所述的形状记忆合金弹簧驱动的机械手控制系统，其特征在于，所述开关功率管是型号为2SK1280的MOSFET管。

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