宋 杰,陰賀生，徐承凱，李曉高，宋現(xiàn)義，孔偉川

（青島工學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 青島 266300）

形狀記憶合金在六足步行機器人中的應(yīng)用

宋 杰,陰賀生，徐承凱，李曉高，宋現(xiàn)義，孔偉川

（青島工學(xué)院 機電工程學(xué)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(qū)動元件，并且通過單片機控制電流的通、斷來控制其動作，設(shè)計制作出六足步行機器人，給出了這種機器人的具體設(shè)計、制作方案，包括該機器人的運動原理、設(shè)計要點、結(jié)構(gòu)組成和控制方式。

形狀記憶合金；步態(tài)機器人；驅(qū)動器

0 引言

近年來,基于形狀記憶合金記憶效應(yīng)（Shape Memory Effect-SME）原理設(shè)計制作的驅(qū)動器或驅(qū)動元件在機器人領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用[1～3]。合金的形狀記憶效應(yīng)與合金中的馬氏體發(fā)生相變密切相關(guān)，溫度低于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（Ms）時，合金的母相發(fā)生馬氏體相變[4]，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R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(fā)生移動，產(chǎn)生宏觀塑性變形，變形量可達(dá)數(shù)個百分點；當(dāng)溫度再升高至馬氏體逆轉(zhuǎn)變終止溫度（Af）以上，馬氏體將逆向轉(zhuǎn)變回到母相，合金低溫下的 “塑性變形”消失，恢復(fù)原始形狀，表現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)[5]。采用形狀記憶合金制作驅(qū)動器具有功率/質(zhì)量比大，結(jié)構(gòu)簡單、輕巧，無噪音、無污染等優(yōu)點。本文以鎳鈦形狀記憶合金為驅(qū)動元件，設(shè)計制作了一款六足步行機器人，并對該機器人的步進(jìn)模式、運動控制等進(jìn)行了優(yōu)化。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 NiTi記憶合金絲偏動驅(qū)動器設(shè)計

驅(qū)動器的運動原理是：對記憶合金絲進(jìn)行通電時，由于電流的熱效應(yīng)，使處于室溫的馬氏體發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷啬赶啵暧^上表現(xiàn)為記憶合金絲收縮，進(jìn)而拉動腿部結(jié)構(gòu)抬起或者旋轉(zhuǎn)；斷電后，記憶合金絲冷卻，高溫母相隨溫度下降轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，體積膨脹，表現(xiàn)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(fù)到原來未加熱前位置[6]。本文所采用的驅(qū)動器是以NiTi記憶合金絲（直徑Φ=0.1mm）為基礎(chǔ)的直線型偏動式電驅(qū)動器[7]，由NiTi記憶合金絲作驅(qū)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(qū)動器Fig.1 NiTi memory alloy drives of six-legged walking robot

本文優(yōu)先選擇響應(yīng)速度比較快的偏動驅(qū)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(yīng)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(jìn)一步提高機器人的響應(yīng)速度，相對于差動驅(qū)動器其控制難度要小得多，降低了控制電路的設(shè)計難度。

1.2 運動方式的設(shè)計

從1899年Muybridge用連續(xù)攝影法研究動物的行走開始，研究者對步行行走機構(gòu)的步態(tài)進(jìn)行了大量的研究工作，尤其是近二三十年來，關(guān)于步態(tài)研究的重要成果不斷涌現(xiàn)。本文中步行機器人采用仿昆蟲的結(jié)構(gòu)，腿分布在身體的兩側(cè)，行進(jìn)時采用撐地爬行的方式，身體重心距地面較近，平穩(wěn)性好。采用三角步態(tài)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(xiàn)機體在任何時刻都非常穩(wěn)固的目的，具體步態(tài)運行方式如圖2所示。

圖2 三角步態(tài)運動示意圖Fig.2 Triangle gait motion diagram

通過圖解分析三角步態(tài)運動的原理，如圖2所示。機器人開始運動時，左側(cè)的2號腿和右側(cè)的4、6號腿抬起準(zhǔn)備向前擺動，另外三條腿1、3、5處于支撐狀態(tài)，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(gòu)成的三角形內(nèi)，從而使機器人處于平衡狀態(tài)，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(chǔ)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(dāng)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(tài)，使機器人的重心位置處于2、4、6三條支撐腿所構(gòu)成的三角形穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，原來的支撐腿1、3、5已抬起并準(zhǔn)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(chǔ)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(tài)（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（a）往復(fù)循環(huán)， 從而實現(xiàn)機器人向前運動。其實三角步態(tài)（或稱為交替三角步態(tài)），是p=2時的波形步態(tài)，運動時六腿呈兩組三角形交替支撐邁步前進(jìn)。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(jìn)。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）步行機器人主體部分設(shè)計。本文所設(shè)計的六足步行機器人的總體結(jié)構(gòu)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(jìn)行連接，兩層之間距離由腿部進(jìn)行固定，腿部轉(zhuǎn)動是以螺栓為轉(zhuǎn)軸進(jìn)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(yīng)。下層主體部分外側(cè)六個孔是與上層六個孔相對應(yīng)的，組成轉(zhuǎn)軸所需。內(nèi)側(cè)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(dǎo)線。其次，做為導(dǎo)體，連接導(dǎo)線及NiTi合金絲。

（2）步行機器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計。腿部連接狀況由圖1（a）所示，由 NiTi合金絲、偏置彈簧、轉(zhuǎn)動輪構(gòu)成，采用偏置驅(qū)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(cè)，腿部各部分之間是靠螺栓連接，每條腿的每個關(guān)節(jié)均采用了一組NiTi記憶合金絲驅(qū)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(nèi)，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(jié)構(gòu)布置有利于減小空間，更有利于小型化。

圖3 總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure

2 控制系統(tǒng)設(shè)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(tài)?？刂菩碗娮与娐芳啥雀撸枰M(jìn)行特殊設(shè)計。并且設(shè)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(fā)功能的單片機產(chǎn)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(yīng)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(shè)計

放大電路[11～13]的本質(zhì)是實現(xiàn)能量的控制，即能量的轉(zhuǎn)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(fù)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(jìn)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(gòu)成。三角步態(tài)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(jìn)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(diào)電阻均為100Ω可調(diào)，4號電阻調(diào)節(jié)至50Ω, 1、2、3端口處電阻調(diào)節(jié)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(diào)試

將各個零件進(jìn)行組裝，對形狀記憶合金進(jìn)行相應(yīng)的固定，電路中各接線按照設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相變過程明顯延遲，從而使得該六足機器人的行進(jìn)速度僅為1.31mm/s（平均每步用時 36.3s，每步行進(jìn)6.0cm），若采用小風(fēng)扇對加熱后NiTi絲進(jìn)行強制風(fēng)冷，將有助于提高響應(yīng)速度，進(jìn)而提高機器人的行進(jìn)速度。需要對部分電阻進(jìn)行細(xì)微的調(diào)節(jié)和根據(jù)形狀記憶合金溫度的高低及變化的快慢進(jìn)行相應(yīng)程序調(diào)試,從而達(dá)到理想狀況。

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

3 結(jié)論

本文對NiTi形狀記憶合金絲驅(qū)動的六足步態(tài)機器人進(jìn)行了設(shè)計研究，制作的形狀記憶合金驅(qū)動器來驅(qū)動六足步態(tài)機器人能達(dá)到設(shè)計的技術(shù)要求。六足步態(tài)機器人在結(jié)構(gòu)和驅(qū)動器的控制上，沿用了已經(jīng)完善的控制理論，對于后續(xù)的開發(fā)工作帶來了便利。其結(jié)構(gòu)緊湊、小巧。在控制系統(tǒng)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(huán)境適應(yīng)性好，可根據(jù)不同的工作需要，編寫適當(dāng)?shù)某绦?，完成預(yù)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(xué)校科技計劃項目（J12LA55），青島工學(xué)院2013年度董事長基金項目（2013KY001，2013CX010）

宋杰（1975-），男，講師。