形状记忆合金在六足步行机器人中的应用.pdf

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1、第27卷第3期机电产品开发与刨新V01．27，No．32014年5月Development＆InnovationofMachinery＆ElectricalProductsMay．，2014文章编号：1002--6673(2014)03-023-03形状记忆合金在六足步行机器人中的应用宋杰，阴贺生，徐承凯，李晓高，宋现义，孔伟J(青岛工学院机电工程学院，山东青岛266300)擒要：论文利用形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，简称sMA)4乍驱动元件，并且通过单片机控制电流的通、断来控制其动作。设计制作出六足步行机器人，给出了这种机器人的具体设计、制作方案，包括该机器人的运动原理

2、、设计要点、结构组成和控制方式。关键词：形状记忆合金；步态机器人；驱动器中图分类号：TP242文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1002-6673．2014．03．009ShapeMemoryAlloysintheApplicationofSix-leggedWalkingRobotSONGJie，YINlte-Sheng，XUCheng-Kai，LIXioo-Gao，SONGXian-Yi，KONGWei-Chuan(ElectromechanicEngineeringCollege，QingdaoUniversityofTechnology，QingdaoShangdo

3、ng266300，China)Abstract：TakingShapeMemoryAlloy(ShapeMemoryAlloys，SMA)asadrivingelementandutilizingsingle—chipcomputertOcontrolcurrent7spassingandbreakingSO越tOcontrolitsactions，thesix—leggedwalkingrobot讪bedesigned．Thispaperprovidesthespecificdesignandmanufacturingplanofthiskindofrobot，involvingthero

4、botmovementprinciple，designfocuses，structuresandcontr01．Keywords：shapememoryaUoy(SMA)；walkingrobot；actuator0引言近年来，基于形状记忆合金记忆效应(ShapeMemoryE珏ect—SME)原理设计制作的驱动器或驱动元件在机器人领域中得到越来越多的应用Il-31。合金的形状记忆效应与合金中的马氏体发生相变密切相关，温度低于马氏体转变温度(Ms)时，合金的母相发生马氏体相变[41，转变为马氏体组织。该过程中无明显的宏观变形。在Ms以下，对合金施加外力，马氏体变体界面将发生移动，产生宏观塑性

5、变形。变形量可达数个百分点；当温度再升高至马氏体逆转变终止温度(时)以上，马氏体将逆向转变回到母相．合金低温下的“塑性变形”消失，恢复原始形状，表现出形状记忆效应阁。采用形状记忆合金制作驱动器具有功率／质量比大，结构简单、轻巧，无噪音、无污染等优点。本文以镍钛形状记忆合金为驱动元件，设计制作了一款六足步行机器人。并对该机器人的步进模式、运动控制等进行了优化。修稿日期：2014—04—03项目来源：山东省高等学校科技计划项目(J12LA55)，青岛工学院2013年度董事长基金项目(2013KY001，2013CX010)作者简介：宋杰(1975-)，男，讲师。1总体结构设计1．1NiTi记忆合

6、金丝偏动驱动器设计驱动器的运动原理是：对记忆合金丝进行通电时，由于电流的热效应，使处于室温的马氏体发生相变，转变为高温母相，宏观上表现为记忆合金丝收缩，进而拉动腿部结构抬起或者旋转；断电后，记忆合金丝冷却，高温母相随温度下降转变为马氏体相，体积膨胀。表现为记忆合金丝伸长，同时伴随偏压弹簧的作用，记忆合金丝长度恢复到原来未加热前位置同。本文所采用的驱动器是以NiTi记忆合金丝(直径中：0．1mm)为基础的直线型偏动式电驱动器门。由NiTi记忆合金丝作驱动元件，采用普通弹簧提供偏置力，如图l所示。FI恤1(a)驱动器原理图(b)驱动器实物图图l六足步行机器人镶钛记忆合金驱动器Hg．1NiTime

7、mory枷oydrivesofsix-leggedwslHngrobot·开发与创新·本文优先选择响应速度比较快的偏动驱动器．很大程度上提高了机器人的运动速度．有利于克服NiTi记忆合金丝响应慢的特点；其次，采用偏动器，偏动时弹簧为瞬时动作元件，机器人收腿所占用时间大大减少，进一步提高机器人的响应速度．相对于差动驱动器其控制难度要小得多。降低了控制电路的设计难度。1．2运动方式的设计从1899年Muybrid