形狀記憶合金在六足步行機器人中的應用

宋 杰,陰賀生，徐承凱，李曉高，宋現義，孔偉川

（青島工學院 機電工程學院，山東 青島 266300）

形狀記憶合金在六足步行機器人中的應用

宋 杰,陰賀生，徐承凱，李曉高，宋現義，孔偉川

（青島工學院 機電工程學院，山東 青島 266300）

論文利用形狀記憶合金(Shape Memory Alloys，簡稱SMA)作為驅動元件，并且通過單片機控制電流的通、斷來控制其動作，設計制作出六足步行機器人，給出了這種機器人的具體設計、制作方案，包括該機器人的運動原理、設計要點、結構組成和控制方式。

形狀記憶合金；步態機器人；驅動器

0 引言

近年來,基于形狀記憶合金記憶效應（Shape Memory Effect-SME）原理設計制作的驅動器或驅動元件在機器人領域中得到越來越多的應用[1～3]。合金的形狀記憶效應與合金中的馬氏體發生相變密切相關，溫度低于馬氏體轉變溫度（Ms）時，合金的母相發生馬氏體相變[4]，轉變為馬氏體組織，該過程中無明顯的宏觀變形。在Ms以下，對合金施加外力，馬氏體變體界面將發生移動，產生宏觀塑性變形，變形量可達數個百分點；當溫度再升高至馬氏體逆轉變終止溫度（Af）以上，馬氏體將逆向轉變回到母相，合金低溫下的 “塑性變形”消失，恢復原始形狀，表現出形狀記憶效應[5]。采用形狀記憶合金制作驅動器具有功率/質量比大，結構簡單、輕巧，無噪音、無污染等優點。本文以鎳鈦形狀記憶合金為驅動元件，設計制作了一款六足步行機器人，并對該機器人的步進模式、運動控制等進行了優化。

1 總體結構設計

1.1 NiTi記憶合金絲偏動驅動器設計

驅動器的運動原理是：對記憶合金絲進行通電時，由于電流的熱效應，使處于室溫的馬氏體發生相變，轉變為高溫母相，宏觀上表現為記憶合金絲收縮，進而拉動腿部結構抬起或者旋轉；斷電后，記憶合金絲冷卻，高溫母相隨溫度下降轉變為馬氏體相，體積膨脹，表現為記憶合金絲伸長，同時伴隨偏壓彈簧的作用，記憶合金絲長度恢復到原來未加熱前位置[6]。本文所采用的驅動器是以NiTi記憶合金絲（直徑Φ=0.1mm）為基礎的直線型偏動式電驅動器[7]，由NiTi記憶合金絲作驅動元件，采用普通彈簧提供偏置力，如圖1所示。

圖1 六足步行機器人鎳鈦記憶合金驅動器Fig.1 NiTi memory alloy drives of six-legged walking robot

本文優先選擇響應速度比較快的偏動驅動器，很大程度上提高了機器人的運動速度，有利于克服NiTi記憶合金絲響應慢的特點；其次，采用偏動器，偏動時彈簧為瞬時動作元件，機器人收腿所占用時間大大減少，進一步提高機器人的響應速度，相對于差動驅動器其控制難度要小得多，降低了控制電路的設計難度。

1.2 運動方式的設計

從1899年Muybridge用連續攝影法研究動物的行走開始，研究者對步行行走機構的步態進行了大量的研究工作，尤其是近二三十年來，關于步態研究的重要成果不斷涌現。本文中步行機器人采用仿昆蟲的結構，腿分布在身體的兩側，行進時采用撐地爬行的方式，身體重心距地面較近，平穩性好。采用三角步態運行[8～10]，使每一時刻至少有三條腿著地，確定一個支撐平面，實現機體在任何時刻都非常穩固的目的，具體步態運行方式如圖2所示。

圖2 三角步態運動示意圖Fig.2 Triangle gait motion diagram

通過圖解分析三角步態運動的原理，如圖2所示。機器人開始運動時，左側的2號腿和右側的4、6號腿抬起準備向前擺動，另外三條腿1、3、5處于支撐狀態，支撐機器人機體使機器人的原有重心位置處于三條支腿所構成的三角形內，從而使機器人處于平衡狀態，見圖2（a），擺動腿2、4、6向前跨步，見圖2（b），支撐腿1、3、5在支撐機器人本體的基礎上向后做一定角度的擺動，使機器人機體向前運動一個半步長S，見圖2（c）。當機器人機體剛好移動了長度S時，擺動腿2、4、6自動收縮放下，呈支撐狀態，使機器人的重心位置處于2、4、6三條支撐腿所構成的三角形穩定區內，原來的支撐腿1、3、5已抬起并準備向前跨步，見圖2（d），擺動腿1、3、5向前跨步，見圖2（e），支撐腿2、4、6在支撐機器人本體的基礎上向后做一定角度的擺動，使機器人機體向前運動一個半步長 S，見圖 2（f），如此不斷從步態（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（a）往復循環， 從而實現機器人向前運動。其實三角步態（或稱為交替三角步態），是p=2時的波形步態，運動時六腿呈兩組三角形交替支撐邁步前進。因為三角形的重心偏向兩腿落地的那一邊，所以行走時身體的實際軌跡可能并非是直線，而是呈 “之”字形的曲線前進。

1.3 結構設計

（1）步行機器人主體部分設計。本文所設計的六足步行機器人的總體結構如圖3所示。主體部分主要由兩部分組成，兩部分分別放置在兩個板塊上，上層板塊主要放置電池部分，下層板塊主要放置控制電路層部分。板塊由厚度2.0mm的ABS塑料板做成。

上層板塊與下層板塊由螺栓進行連接，兩層之間距離由腿部進行固定，腿部轉動是以螺栓為轉軸進行的。上層板塊尺寸由單片機及電池部分尺寸決定，下層板塊尺寸與上層板塊相對應。下層主體部分外側六個孔是與上層六個孔相對應的，組成轉軸所需。內側六個孔主要是裝配螺栓，安裝螺栓主要有兩個目的。首先，用來固定NiTi合金絲及導線。其次，做為導體，連接導線及NiTi合金絲。

（2）步行機器人腿部結構設計。腿部連接狀況由圖1（a）所示，由 NiTi合金絲、偏置彈簧、轉動輪構成，采用偏置驅動方式。如圖3所示，該機器人有六條腿，各腿均布于主體兩側，腿部各部分之間是靠螺栓連接，每條腿的每個關節均采用了一組NiTi記憶合金絲驅動器。腿部與主體連接方式與腿部連接狀況類似，但是形狀記憶合金絲與彈簧并不處在同一平面內，分別位于主體的上下兩層上，彈簧位于主體的上層，合金絲位于主體的下層，這種結構布置有利于減小空間，更有利于小型化。

圖3 總體結構Fig.3 Overall structure

2 控制系統設計

2.1 控制器的選擇

控制器選擇由單片機輸出控制信號，通過放大電路控制NiTi記憶合金絲的形態。控制型電子電路集成度高，需要進行特殊設計。并且設計本身要求具有非常良好的可更改性，適合通用型或總線型和具有開發功能的單片機產品。C51類單片機既適合通用型又適合總線型，不但可控性能和抗干擾性能強，價格便宜，應用廣泛，而且以C語言作為基本的編程語言，是非常好的選擇。

2.2 放大電路的設計

放大電路[11～13]的本質是實現能量的控制，即能量的轉換：用能量比較小的輸入信號來控制另一個能源，使輸出端的負載上得到能量比較大的信號。之所以選擇放大電路，因為單片機輸出的電流非常微弱，不能滿足用于給NiTi形狀記憶合金進行加熱，只能通過控制器端口控制放大電路來給它通電加熱。

放大電路部分其中一組如圖4所示，其余部分是由六組同樣的電路構成。三角步態運行需要將十八根NiTi形狀記憶合金絲分為六組， 所以需要六個放大電路分別進行控制。

各部分元件的名稱及作用如下：①定值電阻均為5Ω；②可調電阻均為100Ω可調，4號電阻調節至50Ω, 1、2、3端口處電阻調節至5Ω；③三極管分兩種：一種是小功率的S9013，另一種是大功率的TIP122。

圖4 運算放大電路Fig.4 Operation Amplifier circuit

2.3 組裝與調試

將各個零件進行組裝，對形狀記憶合金進行相應的固定，電路中各接線按照設計要求安裝連接，將電池連接到主體中，實物如圖5所示。

NiTi絲加熱斷電后采用自然冷卻方法降溫，冷卻速度較慢，高溫母相轉變為馬氏體相變過程明顯延遲，從而使得該六足機器人的行進速度僅為1.31mm/s（平均每步用時 36.3s，每步行進6.0cm），若采用小風扇對加熱后NiTi絲進行強制風冷，將有助于提高響應速度，進而提高機器人的行進速度。需要對部分電阻進行細微的調節和根據形狀記憶合金溫度的高低及變化的快慢進行相應程序調試,從而達到理想狀況。

圖5 實物圖Fig.5 The picture of real products

3 結論

本文對NiTi形狀記憶合金絲驅動的六足步態機器人進行了設計研究，制作的形狀記憶合金驅動器來驅動六足步態機器人能達到設計的技術要求。六足步態機器人在結構和驅動器的控制上，沿用了已經完善的控制理論，對于后續的開發工作帶來了便利。其結構緊湊、小巧。在控制系統方面，采用了C51單片機芯片作為核心，而且抗干擾能力強，對環境適應性好，可根據不同的工作需要，編寫適當的程序，完成預定的動作。

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Shape Memory Alloys in the Application of Six-legged Walking Robot

SONG Jie，YIN He-Sheng，XU Cheng-Kai，LI Xiao-Gao，SONG Xian-Yi，KONG Wei-Chuan
（Electromechanic Engineering College,Qingdao University of Technology,Qingdao Shangdong 266300，China）

Taking Shape Memory Alloy (Shape Memory Alloys,SMA)as a driving element and utilizing single-chip computer to control current's passing and breaking so as to control its actions,the six-legged walking robot will be designed.This paper provides the specific design and manufacturing plan of this kind of robot,involving the robot movement principle,design focuses,structures and control.

shape memory alloy(SMA)；walking robot；actuator

TP242

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.009

1002－6673（2014）03－023－03

2014－04－03

項目來源：山東省高等學校科技計劃項目（J12LA55），青島工學院2013年度董事長基金項目（2013KY001，2013CX010）

宋杰（1975-），男，講師。