專利名稱：形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的機(jī)械手控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的機(jī)械手控制系統(tǒng)屬于智能材料的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到形狀記憶合金的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
形狀記憶合金(SMA)是智能材料中的一種，這種材料經(jīng)過高溫定形后，冷卻到低溫，施加外力，使它產(chǎn)生殘余變形，如果再對其加熱到某一溫度，即可使殘余變形消失，恢復(fù)到高溫下固有的形狀，就如同記住了高溫下的狀態(tài)，具有形狀記憶效應(yīng)(SME，Shape MemoryEffect)。形狀記憶合金的這一特性使其具有自感知、自診斷和自適應(yīng)的功能，即具有傳感器、控制器和驅(qū)動器的功能，相對其它智能材料來說，形狀記憶合金(SMA)具有很大的優(yōu)勢，也逐步應(yīng)用于各種制動器、航天器天線，管道連接件，醫(yī)療外科的矯正器，醫(yī)用材料等領(lǐng)域。利用形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)，對其進(jìn)行交替的升降溫，能夠使其產(chǎn)生縮短和伸長的往復(fù)運(yùn)動，因此可以將其做成電驅(qū)動元件，替代傳統(tǒng)的液壓、馬達(dá)或氣動裝置等。
清華大學(xué)于2004年1月16日提出的專利申請200400000722.3中提出了一種利用SMA彈簧驅(qū)動的機(jī)械手，如圖1所示圖中機(jī)械手的驅(qū)動是使用差動式形狀記憶合金彈簧組，該彈簧組主要由形狀記憶合金彈簧10和形狀記憶合金彈簧12，及滑塊11組成。兩個形狀記憶合金彈簧通過一個滑塊11連接，兩個形狀記憶合金彈簧相互絕緣，與滑塊之間也絕緣。其中形狀記憶合金彈簧10的一端固定在支架的頂座5上，形狀記憶合金彈簧12的一端固定在支架的底座1上?；瑝K11上固定有一個拉桿9，在支架頂座5上開有一個孔，拉桿9與形狀記憶合金彈簧10的中心軸平行，從該孔中伸出，并與機(jī)械手的手指6和連桿8形成復(fù)合鉸鏈。整個支架相對于差動式形狀記憶合金彈簧組來說是固定不動的，因此，當(dāng)形狀記憶合金彈簧中有電流流過時，滑塊11會隨著兩個形狀記憶合金彈簧的伸縮而上下移動，并帶動拉桿9上下移動，從而拉動連桿8帶動機(jī)械手的拇指6和食指7產(chǎn)生握、放動作。兩個風(fēng)扇4和13分別固定在支架的頂座5和底座1上，用于為形狀記憶合金彈簧10和12降溫。具體過程是，當(dāng)彈簧10是通電狀態(tài)時，彈簧10內(nèi)有電流流過，其溫度升高，此時彈簧10收縮；同時彈簧12是斷電狀態(tài)，并打開風(fēng)扇給彈簧12降溫，使彈簧12伸長；如此，即帶動滑塊11和拉桿9向上移動，機(jī)械手張開。反之，為彈簧10斷電，并打開風(fēng)扇3降溫，同時為彈簧12通電，關(guān)閉風(fēng)扇13，則彈簧10伸長，彈簧12縮短，滑塊11向下移動，使機(jī)械手內(nèi)握。但是該文件中并沒有提出這種SMA驅(qū)動機(jī)械手的控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出了一種形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的機(jī)械手控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以控制形狀記憶合金彈簧驅(qū)動機(jī)械手的開合狀態(tài)，通過計(jì)算機(jī)程序的控制，也可以使之運(yùn)動到指定位移。
本發(fā)明的特征在于，它含有溫度傳感電路用于檢測形狀記憶合金彈簧溫度，并將溫度信號傳送到數(shù)據(jù)處理模塊；位移傳感器用于檢測形狀記憶合金彈簧的位移，并將位移信號傳送到數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊用于處理輸入的溫度數(shù)據(jù)，并輸出控制信號到驅(qū)動電路和開關(guān)選擇電路；驅(qū)動電路用于提供加在上述形狀記憶合金彈簧上的電壓，并以脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)電壓的大小，脈寬調(diào)制信號來自數(shù)據(jù)處理模塊，其輸出電壓通過開關(guān)選擇電路加在形狀記憶合金彈簧上；開關(guān)選擇電路用于控制加在上述形狀記憶合金彈簧和風(fēng)扇上的電壓的通斷，控制信號來自數(shù)據(jù)處理模塊，其輸出信號傳給SMA彈簧和風(fēng)扇。
所述位移傳感器是一個滑線變阻器，其滑桿連接形狀記憶合金彈簧的滑塊，其信號輸出端連接所述數(shù)據(jù)處理模塊。
所述驅(qū)動電路含有功率開關(guān)管，和一個光耦及三極管，由上述數(shù)據(jù)處理模塊輸出的脈寬調(diào)制信號經(jīng)過光耦隔離，并經(jīng)過三極管放大后，加在所述功率開關(guān)管的柵極，該功率開關(guān)管的漏極接直流電源，其源極將輸出信號輸入到上述開關(guān)選擇電路。
所述開關(guān)選擇電路含有繼電器(T2)和(T3)分別控制形狀記憶合金彈簧(10)和(12)電源通斷，開關(guān)控制端分別連接所述數(shù)據(jù)處理模塊，電源輸入端共同連接所述驅(qū)動電路的輸出端，電源輸出端分別連接形狀記憶合金彈簧(10)和(12)的電源端；繼電器(T0)和(T1)分別控制兩個風(fēng)扇電源通斷；開關(guān)控制端分別連接所述數(shù)據(jù)處理模塊，兩個繼電器使用相同的電源輸入，電源輸出端分別連接風(fēng)扇(3)和(13)的電源端。
所述數(shù)據(jù)處理模塊含有A/D卡對上述溫度傳感電路傳來的溫度信號檢測值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；脈沖信號發(fā)生電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，并輸出到驅(qū)動電路；輸入/輸出接口將開關(guān)控制信號輸出到開關(guān)選擇電路中的各個繼電器的開關(guān)控制端；計(jì)算機(jī)通過總線與A/D卡、脈沖信號發(fā)生電路、輸入輸出接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理數(shù)據(jù)。
所述A/D卡、脈沖信號發(fā)生電路和輸入/輸出接口電路均集成在一個型號為IPC5432的多功能數(shù)據(jù)采集卡上，該數(shù)據(jù)采集卡插在所述計(jì)算機(jī)的ISA槽上。所述開關(guān)功率管是型號為2SK1280的MOSFET管。
實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明能有效控制形狀記憶合金彈簧驅(qū)動機(jī)械手的開合，達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖1是本發(fā)明的機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的控制系統(tǒng)原理框圖；圖3是本發(fā)明的控制電路原理圖，其中3(a)是驅(qū)動電路，3(b)是開關(guān)選擇電路，3(c)是數(shù)據(jù)處理模塊，3(d)是溫度和位移傳感電路，3(e)是總電源；圖4是本發(fā)明的控制界面圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
見圖2，溫度傳感器(分別采用AB膠粘貼在彈簧10和12上)和位移傳感器(本發(fā)明采用滑線變阻器，其滑桿與滑塊11相連)將檢測到的溫度和位移數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，數(shù)據(jù)處理模塊將輸出信號送入驅(qū)動電路和開關(guān)選擇電路。驅(qū)動電路的一個輸入端接數(shù)據(jù)處理模塊輸出的控制信號，另一端輸入220V的電網(wǎng)電壓，其輸出電流通過開關(guān)選擇電路而有選擇性加到彈簧10或12上。開關(guān)選擇電路接收數(shù)據(jù)處理模塊的開關(guān)信號，并用于選擇性的控制彈簧10或12的電流通斷，同時控制風(fēng)扇的開關(guān)。
見圖3，驅(qū)動電路(a)是通過脈寬調(diào)制方式來調(diào)節(jié)加在彈簧10和12上的電流大小，脈寬調(diào)制信號PWM來自數(shù)據(jù)處理模塊，脈寬調(diào)制信號加在功率管MOSFET管的門極，控制MOSFET管的通斷，MOSFET管漏極、源極兩端的電壓是電網(wǎng)電壓通過變壓器BYQ2，整流器KBPC306，和穩(wěn)壓電容C3后輸出的9V的直流電壓。由于電路中場效應(yīng)管MOSFET的斬?cái)嚯娏鬏^大，發(fā)熱很嚴(yán)重。如果解決不好，要用很大的散熱片對功率MOSFET散熱。要減小發(fā)熱，一方面要采用導(dǎo)通電阻小的MOSFET，另一方面打開和關(guān)斷MOSFET管的時間要短。電路采用的MOSFET管的型號為2SK1280，該管的導(dǎo)通電阻較小。該驅(qū)動電路中采用了由光耦(optrlac，型號為TIL113))和三極管Q1～Q3組成的PWM信號放大電路。當(dāng)PWM信號為低電平時，光耦導(dǎo)通，Q1、Q3不導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通，+12V電源通過Q2加到MOSFET管的門極上，使其打開；當(dāng)PWM信號為高電平時，光耦不導(dǎo)通，Q1、Q3導(dǎo)通，Q2不導(dǎo)通，功率MOSFET可以通過Q3快速放電。這樣增加了功率MOSFET管在由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止時的放電回路，提高了關(guān)斷速度，有效的降低了功率MOSFET的發(fā)熱功率。MOSFET管的射極HEAT連接到開關(guān)選擇電路。
開關(guān)選擇電路(b)是一組繼電器T0～T3，其中T0和T1用于控制兩個風(fēng)扇的開關(guān)，T2和T3用于控制兩個彈簧的電源通斷，所有繼電器的控制信號(D0～D3)均來自數(shù)據(jù)處理模塊。對于每一個繼電器來說，當(dāng)接到數(shù)據(jù)處理模塊輸出的信號為高電平時，繼電器的接通，它就為所控制的相應(yīng)的風(fēng)扇(或彈簧)加上電壓；當(dāng)輸出信號為低電平時，繼電器斷開，它就為所控制的相應(yīng)的風(fēng)扇(或彈簧)斷開電壓。繼電器T0和T1為風(fēng)扇接通的是總電源輸出的12V電壓，繼電器T2和T3為彈簧接通的是由驅(qū)動電路輸出的加熱電壓(HEAT)。
數(shù)據(jù)處理模塊(c)，含有將溫度傳感器傳來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的A/D卡，用于產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號的時鐘發(fā)生電路JP1，以及用于輸出繼電器開關(guān)控制信號的輸入/輸出接口JP2，和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)。本發(fā)明采用了一個多功能數(shù)據(jù)采集卡，其型號為IPC5432，該采集卡集合A/D卡，時鐘發(fā)生電路(TIMER)，輸入/輸出接口(DI/DO)于一體，使用時，將該卡插入計(jì)算機(jī)的ISA槽中，通過總線與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
溫度和位移傳感電路(d)，溫度傳感電路電路采用電橋測量溫敏電阻的阻值變化，得出溫度數(shù)據(jù)；位移傳感電路電路采用滑線變阻器的阻值變化，得到相應(yīng)的的位移數(shù)據(jù)。溫度傳感器和位移傳感器在使用前都需要進(jìn)行標(biāo)定。其中，溫敏電阻R19用于測量彈簧10的溫度，溫敏電阻R20用于測量彈簧12的溫度，滑線變阻器R21用于測量差動彈簧組的位移。測量的電壓信號送往IPC5432的A/D卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(見圖3c)，然后進(jìn)行處理。
總電源(e)用于為風(fēng)扇和該控制電路中的相關(guān)元器件提供直流電壓，將220V交流電轉(zhuǎn)換為裝置中各個有源器件需要的+12V或+5V直流電壓(除MOSFET管之外)，如開關(guān)選擇電路的各個繼電器需要+5V電源來驅(qū)動，+12V電源主要用于驅(qū)動風(fēng)扇，其它的在圖中已明確標(biāo)出。為防止干擾，+12V電源和+5V電源分開設(shè)計(jì)，采用一個雙端輸出的變壓器BYQ1，兩路輸出分別用各自的整流電路、穩(wěn)壓電容，V1、V2、V3是三端穩(wěn)壓器。
見圖4，手動控制時，點(diǎn)擊“抓住”按鈕，程序控制用最大加熱電流加熱SMA彈簧，另外一個彈簧用風(fēng)扇冷卻，機(jī)械手以最大速度抓取物體；點(diǎn)擊“松開”按鈕，機(jī)械手以最大速度松開物體；點(diǎn)擊“保持”按鈕，程序測量輸出位移，用PID算法調(diào)節(jié)加熱電流，維持機(jī)械手在某個固定位置。
自動控制時，用戶可以任意選擇需要加熱的SMA彈簧；選擇是否使用風(fēng)扇冷卻；設(shè)定加熱電流大??；設(shè)定動作周期；設(shè)定完成，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，機(jī)械手自動動作；點(diǎn)擊“暫?！卑粹o，停止加熱和風(fēng)扇供電，繼續(xù)采樣溫度數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)并顯示；點(diǎn)擊“停止”按鈕，程序停止加熱、風(fēng)扇供電和數(shù)據(jù)采樣。
當(dāng)按照用戶指定位移運(yùn)動時，程序自動判斷機(jī)械手的運(yùn)動狀態(tài)，然后設(shè)定合理的加熱電流，打開相應(yīng)的風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，采用PID算法反饋控制機(jī)械手的輸出位移，使機(jī)械手開或合。
程序運(yùn)行過程中，自動采樣溫度數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成溫度和位移顯示在界面上。如果用戶選擇“記錄動作過程”，則程序自動記錄機(jī)械手的動作過程和溫度、位移數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的機(jī)械手控制系統(tǒng)，其特征在于，它含有溫度傳感電路用于檢測形狀記憶合金彈簧溫度，并將溫度信號傳送到數(shù)據(jù)處理模塊；位移傳感器 用于檢測形狀記憶合金彈簧的位移，并將位移信號傳送到數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊用于處理輸入的溫度數(shù)據(jù)，并輸出控制信號到驅(qū)動電路和開關(guān)選擇電路；驅(qū)動電路用于提供加在上述形狀記憶合金彈簧上的電壓，并以脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)電壓的大小，脈寬調(diào)制信號來自數(shù)據(jù)處理模塊，其輸出電壓通過開關(guān)選擇電路加在形狀記憶合金彈簧上；開關(guān)選擇電路用于控制加在上述形狀記憶合金彈簧和風(fēng)扇上的電壓的通斷，控制信號來自數(shù)據(jù)處理模塊，其輸出信號傳給SMA彈簧和風(fēng)扇。
2.如權(quán)利要求1所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的機(jī)械手控制系統(tǒng)，其特征在于，所述位移傳感器是一個滑線變阻器，其滑桿連接形狀記憶合金彈簧的滑塊，其信號輸出端連接所述數(shù)據(jù)處理模塊。
3.如權(quán)利要求1所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的機(jī)械手控制系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動電路含有功率開關(guān)管，和一個光耦及三極管，由上述數(shù)據(jù)處理模塊輸出的脈寬調(diào)制信號經(jīng)過光耦隔離，并經(jīng)過三極管放大后，加在所述功率開關(guān)管的柵極，該功率開關(guān)管的漏極接直流電源，其源極將輸出信號輸入到上述開關(guān)選擇電路。
4.如權(quán)利要求1所述形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的機(jī)械手控制系統(tǒng)，其特征在于，所述開關(guān)選擇電路含有繼電器(T2)和(T3)分別控制形狀記憶合金彈簧(10)和(12)電源通斷，開關(guān)控制端分別連接所述數(shù)據(jù)處理模塊，電源輸入端共同連接所述驅(qū)動電路的輸出端，電源輸出端分別連接形狀記憶合金彈簧(10)和(12)的電源端；繼電器(T0)和(T1)分別控制兩個風(fēng)扇電源通斷；開關(guān)控制端分別連接所述數(shù)據(jù)處理模塊，兩個繼電器使用相同的電源輸入，電源輸出端分別連接風(fēng)扇(3)和(13)的電源端。
5.如權(quán)利要求1所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的機(jī)械手控制系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊含有A/D卡對上述溫度傳感電路傳來的溫度信號檢測值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；脈沖信號發(fā)生電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，并輸出到驅(qū)動電路；輸入/輸出接口將開關(guān)控制信號輸出到開關(guān)選擇電路中的各個繼電器的開關(guān)控制端；計(jì)算機(jī)通過總線與A/D卡、脈沖信號發(fā)生電路、輸入輸出接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求5所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的機(jī)械手控制系統(tǒng)，其特征在于，所述A/D卡、脈沖信號發(fā)生電路和輸入/輸出接口電路均集成在一個型號為IPC5432的多功能數(shù)據(jù)采集卡上，該數(shù)據(jù)采集卡插在所述計(jì)算機(jī)的ISA槽上。
7.如權(quán)利要求2所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的機(jī)械手控制系統(tǒng)，其特征在于，所述開關(guān)功率管是型號為2SK1280的MOSFET管。
全文摘要
形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的機(jī)械手控制系統(tǒng)屬于智能材料的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到形狀記憶合金的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，它含有用于檢測上述形狀記憶合金彈簧溫度的溫度傳感電路；用于檢測形狀記憶合金彈簧位移的位移傳感器；用于處理輸入的溫度數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)，并輸出控制信號到驅(qū)動電路和開關(guān)選擇電路的數(shù)據(jù)處理模塊，用于提供加在形狀記憶合金彈簧上的電壓，并以脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)電壓大小的驅(qū)動電路；用于控制加在形狀記憶合金彈簧和風(fēng)扇上電壓的通斷的開關(guān)選擇電路。本發(fā)明可以有效控制形狀記憶合金彈簧驅(qū)動機(jī)械手的開合狀態(tài)。
文檔編號B25J13/00GK1593862SQ200410009218
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日
發(fā)明者閻紹澤, 徐峰, 劉夏杰, 王金輝 申請人:清華大學(xué)