一种具有速度调节功能的SMA致动器

一种具有速度调节功能的sma致动器
技术领域
1.本发明属于sma致动器技术领域，具体涉及一种具有速度调节功能的sma致动器。


背景技术：

2.机械系统中的传统致动采用伺服电机、液压或气压等方式，但是这些致动器具有体积大、重量大、传动结构复杂等缺点，已经无法满足机器人、微纳领域的需求。形状记忆合金是在特定条件下表现出记忆性质的一种材料，由它制成的致动器具有结构紧凑、高功率密度、低驱动电压、大应力、无噪音等优点，在新型致动器的开发中关注度极高。
3.sma致动器在实际应用中存在一些问题。由于受到非线性和滞后现象的影响，sma制动器驱动的设备在控制精度和响应速度方面存在着局限性。文献1“韦超,周小双,李明霞,等.自快速冷却鞘芯微纳结构的形状记忆合金致动器的研究[j].功能材料与器件学报,2022,28(03):280-286.”通过碳纳米管加热形状记忆合金或传递热量加速冷却，实现了sma致动器的快速响应，但存在无法精确控制相应位置与速度，只能采用限位的方式决定位置的问题，致动自由度低。
[0004]
另一方面，相对于位置控制，速度控制的意义在于能够更加精确地控制系统的运动轨迹和运动过程。尤其是在需要系统在特定时间内达到位置或速度，以及需要保持连续运动的场合，速度控制是必需的。然而，针对速度的控制要求致动器本身的动作精度与控制方法的控制精度都较高。文献2“h.jin,y.ouyang,h.chen,j.kong,w.li and s.zhang,"modeling and motion control of a soft sma planar actuator,"transactions on mechatronics,2022,27(02):916-927”采用闭环反馈控制的方式对sma致动器的扭转位移与角速度进行控制，但无法同时控制平动与转动。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是解决上述问题，提供一种具有较高的控制精度，稳定性和动态响应特性的具有速度调节功能的sma致动器。
[0006]
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有速度调节功能的sma致动器，包括导轨，导轨的端部安装有弹簧侧支架，导轨的另一端安装有负载侧支架，导轨上设有形状记忆合金弹簧和滑块，形状记忆合金弹簧的端部与弹簧侧支架相连，形状记忆合金弹簧的另一端与滑块的端部相连，滑块的另一端连接有细线，细线的端部连接有负载，负载侧支架的上端部安装有轴承，轴承内穿设有细圆杆，细圆杆上套设有滑轮，细线搭接在滑轮上，滑轮的外表面支撑细线。
[0007]
优选地，负载支架的顶部呈“凹”字型结构，轴承的数量为二且分别对称的分布在负载支架的顶部两端。
[0008]
优选地，所述负载侧支架上安装有光电编码器，细圆杆的端部与光电编码器的码盘相接。
[0009]
优选地，所述形状记忆合金弹簧的两端分别通过导线连接有供电电源，光电编码
器的信号端通过导线连接有驱动电路，供电电源与驱动电路相连并供电，驱动电路上连接有控制电路，控制电路上连接有控制设备。
[0010]
优选地，所述控制设备包括单片机和plc。
[0011]
本发明还公开了一种具有速度调节功能的sma致动器的控制方法，包括以下步骤：
[0012]
s1、光电编码器检测位置与速度信息；
[0013]
s2、通电加热使形状记忆合金弹簧收缩，控制电流大小从而控制速度与位移；
[0014]
s3、形状记忆合金弹簧通电收缩的模型是非线性的，通过非线性系统识别获得；
[0015]
s4、控制电流大小采用的是自适应pid控制。
[0016]
进一步地，所述光电编码器是增量式的，保证速度能通过ab相间单位时间内的脉冲数计算。
[0017]
进一步地，所述采用非线性系统辨识的方法获取形状记忆合金弹簧的通电收缩输入与输出关系，改善它的不稳定现象、非线性行为与滞后特性对控制精度造成影响，非线性系统识别采用的hammerstein-wiener模型，它在线性子系统前串联了一个非线性子系统，所述模型计算如下：
[0018][0019]
其中，w(t)是中间输入函数，f(x)是输入非线性环节对应的变换函数，u(t)是系统输入函数，x(t)是线性环节的输出函数，b/f是线性环节对应的传递函数，y(t)是系统输出函数，g(x)是输出非线性环节对应的变换函数。
[0020]
进一步地，所述采用自适应pid控制方式，根据形状记忆合金弹簧的长度变化改变控制参数，从而实现精确的控制，pid算法采用位置式算法，所述算法计算如下：
[0021][0022]
其中，u(t)受控对象的输入与时间的函数，输入可以是位置或速度；kp、ki、kd分别是比例系数、积分系数、微分系数，它们的值会在控制过程中发生变化，从而适应当前的形状记忆合金弹簧的状态；e(t)是输出与参考值或设定值的偏差与时间的函数。
[0023]
本发明的有益效果是：
[0024]
1、本发明所提供的一种具有速度调节功能的sma致动器，其中的增量式编码器、系统识别的模型、自适应控制方法的共同作用下，形状记忆合金弹簧的回复位置与速度能够被精确地控制，从而实现致动器的位置控制与速度调节。
[0025]
2、本发明的sma致动器及控制方法，采用了系统辨识和自适应pid控制的方法改善了致动器的不稳定、非线性和滞后现象，具有较高的控制精度，稳定性和动态响应特性，可以应用于工业自动化和机器人等领域。
附图说明
[0026]
图1是本发明一种具有速度调节功能的sma致动器实施例一的结构示意图；
[0027]
图2是本发明sma致动器的实施例二的负载侧支架的结构示意图；
[0028]
图3是本发明sma致动器的电路连接与信号传输示意图；
[0029]
图4使本发明sma致动器控制方法的自适应pid控制流程示意图；
[0030]
图5是本发明sma致动器及控制方法的实施例一的位移跟踪控制结果；
[0031]
图6是本发明sma致动器及控制方法的实施例一的速度调节控制结果。
[0032]
附图标记说明：1、细圆杆；2、细线3、形状记忆合金弹簧；4、弹簧侧支架；5、滑块；6、导轨；7、负载；8、负载侧支架；9、轴承10、滑轮。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
[0034]
实施例一
[0035]
如图1到图6所示，本发明提供的一种具有速度调节功能的sma致动器，包括导轨6，导轨6的端部安装有弹簧侧支架4，导轨6的另一端安装有负载侧支架8，导轨6上设有形状记忆合金弹簧3和滑块5，形状记忆合金弹簧3的端部与弹簧侧支架4相连，形状记忆合金弹簧3的另一端与滑块5的端部相连，滑块5的另一端连接有细线2，细线2的端部连接有负载7，负载侧支架8的上端部安装有轴承9，轴承9内穿设有细圆杆1，细圆杆1上套设有滑轮10，细线2搭接在滑轮10上，滑轮10的外表面支撑细线2。
[0036]
本实施例的sma致动器被用于包括但不限于工业生产中的提起或放下物体。
[0037]
负载支架8的顶部呈“凹”字型结构，轴承9的数量为二且分别对称的分布在负载支架8的顶部两端。负载侧支架8上安装有光电编码器，细圆杆1的端部与光电编码器的码盘相接。
[0038]
形状记忆合金弹簧3的两端分别通过导线连接有供电电源，光电编码器的信号端通过导线连接有驱动电路，供电电源与驱动电路相连并供电，驱动电路上连接有控制电路，控制电路上连接有控制设备。
[0039]
控制设备包括单片机和plc。在本实施例中，形状记忆合金弹簧3的两端分别通过导线2接供电电源的正负极，光电编码器的信号端输出端接arduino单片机，同时由arduino单片机供电，驱动电路的信号输入端与arduino单片机相连，由供电电源供电，采用arduino单片机对驱动电路的输出电流进行控制，单片机由供电电源供电，并接收光电编码器的反馈信息。
[0040]
本发明还提供了一种具有速度调节功能的sma致动器的控制方法，包括以下步骤：
[0041]
s1、光电编码器检测位置与速度信息。
[0042]
步骤s1中的光电编码器是增量式的，保证速度能通过ab相间单位时间内的脉冲数计算。
[0043]
s2、通电加热使形状记忆合金弹簧3收缩，控制电流大小从而控制速度与位移。
[0044]
s3、形状记忆合金弹簧3通电收缩的模型是非线性的，通过非线性系统识别获得。
[0045]
采用非线性系统辨识的方法获取形状记忆合金弹簧的通电收缩输入与输出关系，改善它的不稳定现象、非线性行为与滞后特性对控制精度造成影响，非线性系统识别采用的hammerstein-wiener模型，它在线性子系统前串联了一个非线性子系统，所述模型计算如下：
[0046][0047]
其中，w(t)是中间输入函数，f(x)是输入非线性环节对应的变换函数，u(t)是系统输入函数，x(t)是线性环节的输出函数，b/f是线性环节对应的传递函数，y(t)是系统输出函数，g(x)是输出非线性环节对应的变换函数。
[0048]
s4、控制电流大小采用的是自适应pid控制。
[0049]
采用自适应pid控制方式，根据形状记忆合金弹簧的长度变化改变控制参数，从而实现精确的控制，pid算法采用位置式算法，所述算法计算如下：
[0050][0051]
其中，u(t)受控对象的输入与时间的函数，输入可以是位置或速度；k
p
、ki、kd分别是比例系数、积分系数、微分系数，它们的值会在控制过程中发生变化，从而适应当前的形状记忆合金弹簧的状态；e(t)是输出与参考值或设定值的偏差与时间的函数。
[0052]
本发明中控制致动器位移与速度的步骤如下：
[0053]
s11、非线性系统识别。对形状记忆合金弹簧3通入5a以内大小不同的电流，记录一段时间内形状记忆合金弹簧3的位移时间数据，将数据输入到hammerstein-wiener模型中，得到形状记忆合金弹簧3的输入输出模型。
[0054]
s12、反馈信息的获取。参考图5，打开电源后，被负载7拉伸过的弹簧开始收缩，带动滑块5滑动，滑块5拉动细线2，带动滑轮10转动，滑轮10的转动带动细圆杠1的转动，弹簧3的平动量至此被转换为细圆杆7的转动量，细圆杆7的转动量又通过固定其上的码盘被光电编码器检测，以时间间隔不同的脉冲的形式，传递到arduino单片机的信号接收端。
[0055]
s13、位移量与速度量的计算。arduino单片机接收到脉冲后，根据脉冲个数计算位移，根据固定时间内接收到的脉冲个数计算速度，速度的计算公式如下：
[0056]
v＝f0*m0/(f1*m1)*c
[0057]
其中，v为弹簧的回弹速度；f0是高频脉冲的频率；m0是在一定时间内计算到的脉冲数；f1是码盘每转过一圈后编码器计算到的脉冲数；m1是当前脉冲总数；c是滑轮10内侧圆的周长。
[0058]
将计算得到的当前位移值与速度值与设定值做比较，得到偏差值。
[0059]
s14、输出电流的控制。参考图4，自适应pid控制算法通过偏差值计算下一时刻要减小偏差所需的电流值，计算公式如下：
[0060][0061]
其中，u(t)受控对象的输入与时间的函数，输入可以是位置或速度；k
p
、ki、kd分别是比例系数、积分系数、微分系数；e(t)是输出与参考值或设定值的偏差与时间的函数。
[0062]
同时算法还会随着控制进程的进行改变自身的控制参数，使输出电流能使控制量迅速增大到设定值附近，又不至于在之后超过设定值太多，最终让控制量最终能更高效、精准地达到设定值。由于arduino单片机本身的驱动电压不足以为形状记忆合金弹簧供电，电
流值信息以pwm波的形式送到驱动电路中。
[0063]
s15、形状记忆合金弹簧的回弹控制。驱动电路在pwm波的占空比作用下，电流发生受控的连续变化。该电流被输出到形状记忆合金弹簧3两端，在它的作用下，形状记忆合金弹簧3受热升温，发生相变，产生回复力与位移，同时光电编码器不断检测形状记忆合金弹簧3滑块一侧末端的位置与移动速度，使后续运动能被控制。
[0064]
s16、参考图5，每隔15s，依次设置参考位移为15mm，30mm，45mm，60mm，按步骤1～5进行位移控制，得到位移的跟踪控制结果。由图可知，本发明的sma致动器在位移跟踪控制中响应迅速，控制精度高。
[0065]
s17、参考图6，设置参考速度为3mm/s，重复步骤s12～s15，得到速度的跟踪调节结果。由图可知，本发明的sma致动器能较快地响应控制，在达到预定值后，也能比较稳定地将速度维持在参考值附近，不会出现速度剧烈变化后发散的情况，系统表现出较好的稳定性。
[0066]
本发明可在多种设备中替代传统电致动器，适用于包括但不限于以下设备：机器人、无人机、汽车、工业机器、电动玩具、解锁器、锁定装置、各类电子设备。
[0067]
实施例二
[0068]
本实施例是将sma致动器用于机械臂的关节部分，替代舵机为机械臂的扭转提供动力。本实施例的大多数部分与实施例一一致，不同的部分表述如下：
[0069]
参考图2，机械臂根据需求的扭转方向，安装于细圆杆9的一侧，另一侧的空间用于安装码盘与光电编码器。滑轮10上不再搭接细线，而是缠绕一根细线，圈数由需求的转动最大行程决定，细线的一端固定在滑轮内部，另一端固定在图1的滑块5上。
[0070]
arduino单片机根据脉冲数计算转过的圈数，根据单位时间内的脉冲数计算转速，计算公式如下：
[0071][0072]
其中，除n表示转速外，其他变量的意义与实施例1中一致。
[0073]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种具有速度调节功能的sma致动器，其特征在于：包括导轨(6)，导轨(6)的端部安装有弹簧侧支架(4)，导轨(6)的另一端安装有负载侧支架(8)，导轨(6)上设有形状记忆合金弹簧(3)和滑块(5)，形状记忆合金弹簧(3)的端部与弹簧侧支架(4)相连，形状记忆合金弹簧(3)的另一端与滑块(5)的端部相连，滑块(5)的另一端连接有细线(2)，细线(2)的端部连接有负载(7)，负载侧支架(8)的上端部安装有轴承(9)，轴承(9)内穿设有细圆杆(1)，细圆杆(1)上套设有滑轮(10)，细线(2)搭接在滑轮(10)上，滑轮(10)的外表面支撑细线(2)。2.根据权利要求1所述的一种具有速度调节功能的sma致动器，其特征在于：所述负载支架(8)的顶部呈“凹”字型结构，轴承(9)的数量为二且分别对称的分布在负载支架(8)的顶部两端。3.根据权利要求1所述的一种具有速度调节功能的sma致动器，其特征在于：所述负载侧支架(8)上安装有光电编码器，细圆杆(1)的端部与光电编码器的码盘相接。4.根据权利要求1所述的一种具有速度调节功能的sma致动器，其特征在于：所述形状记忆合金弹簧(3)的两端分别通过导线连接有供电电源，光电编码器的信号端通过导线连接有驱动电路，供电电源与驱动电路相连并供电，驱动电路上连接有控制电路，控制电路上连接有控制设备。5.根据权利要求4所述的一种具有速度调节功能的sma致动器，其特征在于：所述控制设备包括单片机和plc。6.一种具有速度调节功能的sma致动器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、光电编码器检测位置与速度信息；s2、通电加热使形状记忆合金弹簧(3)收缩，控制电流大小从而控制速度与位移；s3、形状记忆合金弹簧(3)通电收缩的模型是非线性的，通过非线性系统识别获得；s4、控制电流大小采用的是自适应pid控制。7.根据权利要求6所述的一种具有速度调节功能的sma致动器的控制方法，其特征在于：所述光电编码器是增量式的，保证速度能通过ab相间单位时间内的脉冲数计算。8.根据权利要求6所述的一种具有速度调节功能的sma致动器的控制方法，其特征在于：所述采用非线性系统辨识的方法获取形状记忆合金弹簧的通电收缩输入与输出关系，改善它的不稳定现象、非线性行为与滞后特性对控制精度造成影响，非线性系统识别采用的hammerstein-wiener模型，它在线性子系统前串联了一个非线性子系统，所述模型计算如下：其中，w(t)是中间输入函数，f(x)是输入非线性环节对应的变换函数，u(t)是系统输入函数，x(t)是线性环节的输出函数，b/f是线性环节对应的传递函数，y(t)是系统输出函数，g(x)是输出非线性环节对应的变换函数。9.根据权利要求1所述的一种具有速度调节功能的sma致动器，其特征在于：所述采用自适应pid控制方式，根据形状记忆合金弹簧的长度变化改变控制参数，从而实现精确的控
制，pid算法采用位置式算法，所述算法计算如下：其中，u(t)受控对象的输入与时间的函数，输入可以是位置或速度；k
p
、k
i
、k
d
分别是比例系数、积分系数、微分系数，它们的值会在控制过程中发生变化，从而适应当前的形状记忆合金弹簧的状态；e(t)是输出与参考值或设定值的偏差与时间的函数。

技术总结
本发明公开了一种具有速度调节功能的SMA致动器，包括导轨，导轨的端部安装有弹簧侧支架，导轨的另一端安装有负载侧支架，导轨上设有形状记忆合金弹簧和滑块，形状记忆合金弹簧的端部与弹簧侧支架相连，形状记忆合金弹簧的另一端与滑块的端部相连，滑块的另一端连接有细线，细线的端部连接有负载，负载侧支架的上端部安装有轴承，轴承内穿设有细圆杆，细圆杆上套设有滑轮，细线搭接在滑轮上，滑轮的外表面支撑细线。本发明所提供的一种具有速度调节功能的SMA致动器，其中的增量式编码器、系统识别的模型、自适应控制方法的共同作用下，形状记忆合金弹簧的回复位置与速度能够被精确地控制，从而实现致动器的位置控制与速度调节。从而实现致动器的位置控制与速度调节。从而实现致动器的位置控制与速度调节。


技术研发人员：曾志 庞嵩 严玺 柯文超 陈文畅 高瀚文 彭倍
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/20