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，孔伟川

（青岛工学院 机电工程学院，山东 青岛 266300）

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，孔伟川

（青岛工学院 机电工程学院，山东 青岛 266300）

论文利用形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)作为驱动元件，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、设计要点、结构组成和控制方式。

形状记忆合金；步态机器人；驱动器

0 引言

近年来,基于形状记忆合金记忆效应（Shape Memory Effect-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[1～3]。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[4]，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（Af）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[5]。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。

1 总体结构设计

1.1 NiTi记忆合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[6]。本文所采用的驱动器是以NiTi记忆合金丝（直径Φ=0.1mm）为基础的直线型偏动式电驱动器[7]，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1所示。

图1 六足步行机器人镍钛记忆合金驱动器Fig.1 NiTi memory alloy drives of six-legged walking robot

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Muybridge用连续摄影法研究动物的行走开始，研究者对步行行走机构的步态进行了大量的研究工作，尤其是近二三十年来，关于步态研究的重要成果不断涌现。本文中步行机器人采用仿昆虫的结构，腿分布在身体的两侧，行进时采用撑地爬行的方式，身体重心距地面较近，平稳性好。采用三角步态运行[8～10]，使每一时刻至少有三条腿着地，确定一个支撑平面，实现机体在任何时刻都非常稳固的目的，具体步态运行方式如图2所示。

图2 三角步态运动示意图Fig.2 Triangle gait motion diagram

通过图解分析三角步态运动的原理，如图2所示。机器人开始运动时，左侧的2号腿和右侧的4、6号腿抬起准备向前摆动，另外三条腿1、3、5处于支撑状态，支撑机器人机体使机器人的原有重心位置处于三条支腿所构成的三角形内，从而使机器人处于平衡状态，见图2（a），摆动腿2、4、6向前跨步，见图2（b），支撑腿1、3、5在支撑机器人本体的基础上向后做一定角度的摆动，使机器人机体向前运动一个半步长S，见图2（c）。当机器人机体刚好移动了长度S时，摆动腿2、4、6自动收缩放下，呈支撑状态，使机器人的重心位置处于2、4、6三条支撑腿所构成的三角形稳定区内，原来的支撑腿1、3、5已抬起并准备向前跨步，见图2（d），摆动腿1、3、5向前跨步，见图2（e），支撑腿2、4、6在支撑机器人本体的基础上向后做一定角度的摆动，使机器人机体向前运动一个半步长 S，见图 2（f），如此不断从步态（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（a）往复循环， 从而实现机器人向前运动。其实三角步态（或称为交替三角步态），是p=2时的波形步态，运动时六腿呈两组三角形交替支撑迈步前进。因为三角形的重心偏向两腿落地的那一边，所以行走时身体的实际轨迹可能并非是直线，而是呈 “之”字形的曲线前进。

1.3 结构设计

（1）步行机器人主体部分设计。本文所设计的六足步行机器人的总体结构如图3所示。主体部分主要由两部分组成，两部分分别放置在两个板块上，上层板块主要放置电池部分，下层板块主要放置控制电路层部分。板块由厚度2.0mm的ABS塑料板做成。

上层板块与下层板块由螺栓进行连接，两层之间距离由腿部进行固定，腿部转动是以螺栓为转轴进行的。上层板块尺寸由单片机及电池部分尺寸决定，下层板块尺寸与上层板块相对应。下层主体部分外侧六个孔是与上层六个孔相对应的，组成转轴所需。内侧六个孔主要是装配螺栓，安装螺栓主要有两个目的。首先，用来固定NiTi合金丝及导线。其次，做为导体，连接导线及NiTi合金丝。

（2）步行机器人腿部结构设计。腿部连接状况由图1（a）所示，由 NiTi合金丝、偏置弹簧、转动轮构成，采用偏置驱动方式。如图3所示，该机器人有六条腿，各腿均布于主体两侧，腿部各部分之间是靠螺栓连接，每条腿的每个关节均采用了一组NiTi记忆合金丝驱动器。腿部与主体连接方式与腿部连接状况类似，但是形状记忆合金丝与弹簧并不处在同一平面内，分别位于主体的上下两层上，弹簧位于主体的上层，合金丝位于主体的下层，这种结构布置有利于减小空间，更有利于小型化。

图3 总体结构Fig.3 Overall structure

2 控制系统设计

2.1 控制器的选择

控制器选择由单片机输出控制信号，通过放大电路控制NiTi记忆合金丝的形态。控制型电子电路集成度高，需要进行特殊设计。并且设计本身要求具有非常良好的可更改性，适合通用型或总线型和具有开发功能的单片机产品。C51类单片机既适合通用型又适合总线型，不但可控性能和抗干扰性能强，价格便宜，应用广泛，而且以C语言作为基本的编程语言，是非常好的选择。

2.2 放大电路的设计

放大电路[11～13]的本质是实现能量的控制，即能量的转换：用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。之所以选择放大电路，因为单片机输出的电流非常微弱，不能满足用于给NiTi形状记忆合金进行加热，只能通过控制器端口控制放大电路来给它通电加热。

放大电路部分其中一组如图4所示，其余部分是由六组同样的电路构成。三角步态运行需要将十八根NiTi形状记忆合金丝分为六组， 所以需要六个放大电路分别进行控制。

各部分元件的名称及作用如下：①定值电阻均为5Ω；②可调电阻均为100Ω可调，4号电阻调节至50Ω, 1、2、3端口处电阻调节至5Ω；③三极管分两种：一种是小功率的S9013，另一种是大功率的TIP122。

图4 运算放大电路Fig.4 Operation Amplifier circuit

2.3 组装与调试

将各个零件进行组装，对形状记忆合金进行相应的固定，电路中各接线按照设计要求安装连接，将电池连接到主体中，实物如图5所示。

NiTi丝加热断电后采用自然冷却方法降温，冷却速度较慢，高温母相转变为马氏体相变过程明显延迟，从而使得该六足机器人的行进速度仅为1.31mm/s（平均每步用时 36.3s，每步行进6.0cm），若采用小风扇对加热后NiTi丝进行强制风冷，将有助于提高响应速度，进而提高机器人的行进速度。需要对部分电阻进行细微的调节和根据形状记忆合金温度的高低及变化的快慢进行相应程序调试,从而达到理想状况。

图5 实物图Fig.5 The picture of real products

3 结论

本文对NiTi形状记忆合金丝驱动的六足步态机器人进行了设计研究，制作的形状记忆合金驱动器来驱动六足步态机器人能达到设计的技术要求。六足步态机器人在结构和驱动器的控制上，沿用了已经完善的控制理论，对于后续的开发工作带来了便利。其结构紧凑、小巧。在控制系统方面，采用了C51单片机芯片作为核心，而且抗干扰能力强，对环境适应性好，可根据不同的工作需要，编写适当的程序，完成预定的动作。

[1]杨凯，辜承林.形状记忆合金的研究与应用[J].金属功能材料，2000.

[2]肖恩忠.形状记忆合金的应用现状与发展趋势[J].工具技术，2005.

[3]战卫侠.形状记忆合金驱动六足步行机器人的研究[D].辽宁工程技术大学，2000.

[4]刘宗昌，任慧平，安胜利.马氏体相变[M].科学技术出版社，2012.

[5]吴承建，等.金属材料学[M].冶金工业出版社，2000.

[6]刘志强，李惠.TiNi形状记忆合金在电流激励下的驱动性能研究[A].第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ，2004.

[7]任秉银，陈本清.偏动式形状记忆合金驱动器系统建模与仿真[C].哈尔滨工业大学机电工程学院，2009.

[8]韩建海，赵书尚，李济顺.六足机器人行走步态的协调控制[J].机电工程，2004，4.

[9]陈学东，孙诩，贾文川.多足步行机器人运动规划与控制[M].华中科技大学出版社，2006.

[10]徐小云，颜国正，丁国清.微型六足仿生机器人及其三角步态的研究[J].光学精密工程，2002，4.

[11]苏军，陈学东，田文罡.六足机器人全方位步态的研究[M].机械与电子，2004.

[12]Donald A.Neamen.电子电路分析与设计—模拟电子技术[M].清华大学出版社，2009.

[13]何敏，孙峥，闵锐，等.模拟电子电路中差分放大电路的分析[A].电子高等教育学2008年学术年会论文集，2008.

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

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）

宋杰（1975-），男，讲师。