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1、综述微特电机2006年第11期TechnicalreviewSMA驱动的仿生机器人研究现状及其展望杭观荣,曹国辉,王振龙,赵万生(哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001)PresentStateandProspectofSMAActuatedBionicRobotsHANGGuan-rong,CAOGuo-hui,WANGZhen-long,ZHAOWan-sheng(HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)摘要:论述SMA动作机理及其驱动方式,包括分段二效应是指材料在发生塑性变形后,加热到某一温度进制控制方法和燃料驱动的SMA致
2、动器。然后对近年来典之上,能够回复到变形前形状的现象,是马氏体逆相型的、采用SMA驱动的仿生机器人进行了综述。合理利用变过程中体心立方的马氏体转变为面心立方的奥氏SMA的优点,SMA必定能在仿生机器人方面获得更多更好[1]体而引起的。的应用。SMA致动器可制成螺旋弹簧、丝状、扭簧、薄关键词:仿生机器人;形状记忆合金;分段二进制控制方板、碟状等多种形状,也可以和其它元件如偏压弹簧法;燃料驱动的SMA致动器+等组成致动器,有直线运动型和转动型,结构简单,中图分类号:TG139.6文献标识码:A文章编号:1004-7018(2006)11-0004-05动作迅速,工作时无噪声,可代替电机、液
3、压、气动等Abstract:TheprincipleofSMA,thecontrolmethodsof执行装置。在微小型机器人方面,SMA有明显优SMAarediscussedfirstly,includingthesegmentedbinarycon-势,与电机、内燃机等相比,当致动器质量小于100g[2]trolmethodandfuel-poweredSMAcompactactuatorsystem.时,SMA的功率密度最高,如图1所示。ThenareviewofnewlytypicalSMAactuatedbionicrobotsisgiven.Becauseofitsouts
4、tandingadvantages,SMAwillbeap-pliedmoreandmoreinbionicrobots.Keywords:bionicrobot;shapememoryalloy;segmentedbinarycontro;lfuel-poweredSMAcompactactuatorsystem1前言图1SMA与电机、内燃机等的功率密度比较[2]SMA的电阻等特性随温度变化,可以利用其特仿生机器人的不断发展,对其支柱之一的致动性变化感知环境的变化,实现传感功能。但也正是器提出了越来越高的要求,如功率密度高,结构简由于SMA存在着应力滞后,相变与温度、应力、动作单,噪
5、声低等。形状记忆合金(简称SMA)作为一种方向有关等问题,使得其驱动较为困难。对于热弹集传感、驱动和执行功能于一体的智能材料,近年来性马氏体相变的SMA,采用电流加热、热传导等热在仿生机器人中应用较广泛。实用的SMA中,TiNiS基合金和CuZnAl合金已进入工业阶段,CuAlNi和驱动方式。电流加热较为普遍,为实现最佳驱动性MAFeMnSi合金已进入市场引入阶段。TiNi基合金虽能,可使用脉宽、脉间或幅值可调的脉冲电流。在脉驱动然价格高、工艺复杂,但由于其电阻率高、疲劳寿命冲间隔检测出SMA的特征值如电阻变化,根据变化的设定下一个脉冲电流的脉宽、脉间或幅值。但对载仿高、形变回复量大、
6、形状回复应力大、能量密度高等生优点,应用最为广泛。本文论述SMA动作机理及其荷变化,SMA尚有未知参数或者需要步进动作的情机器驱动方式,包括新颖的分段二进制控制(简称SBC)况,这种方法应用有较大难度。人研方法和燃料驱动的SMA致动器,并综述近年来SMA针对上述问题,美国麻省理工大学H.Asada提究[3]现驱动的仿生机器人,如仿生机器鱼、仿生爬行机器人出了分段二进制控制方法。其原理是:将SMA丝状和仿生手。分成等长或不等长的多个段,对每段单独驱动,一段及其加热动作时实现一个步距,多段同时动作实现不同展2SMA动作机理及其驱动方式的步距。每段在加热时充分加热,在冷却时充分冷望SMA利用
7、形状记忆效应实现致动。形状记忆却,从而只有高温的奥氏体相和低温的马氏体相两种状态,如同计算机中的0、1二进制数据表示方法。4收稿日期:2006-05-17图2为传统驱动方法和等长分段二进制控制方法的综述微特电机2006年第11期Technicalreview比较,传统驱动方法同时加热整段SMA,产生$L形功能;(6)对温度和力具有传感功能。这使得SMA变,而等长分段二进制控制将SMA等分成N段,同在仿生结构中有着电动机等传统驱动器所不具备的n突
