文摘
Stewart平台是一个并联机械手机器人能够执行三个线性运动,横向,纵向,和垂直,和三个旋转,音高,偏航和滚动。本文报告30毫米×30毫米×34毫米miniscale Stewart平台使用TiNiCu形状记忆合金(SMA)致动器。提出Stewart平台拥有各种优势,比如大的驱动力量和高鲁棒性与一个简单的机械结构。这个Stewart平台使用四个SMA弹簧和执行一个线性致动器和四个偏见z设在移动和倾斜运动。SMA致动器被激活,通过电流通过使用加热SMA电线电路产生一个脉冲宽度调制(PWM)信号。这个信号是不同的控制水平位移和倾斜角度的平台。倾斜的方向取决于激活SMA驱动器,而所有四个SMA实现线性致动器被激活z设在运动。每个SMA驱动器施加0.6 N的最大力量PWM占空比为100%。制造微型Stewart平台收益率12毫米的一个完整的驱动z设在55°C,最大30°角4 s倾斜。
1。介绍
Stewart平台是一个平行的机械手机器人利用控制对象的位置。典型的斯图尔特平台有一个平台,一个基础平台,和六个四肢可以提供六自由度(自由度)说明,三线性运动,横向、纵向和垂直(),和三个旋转、俯仰、偏航和滚。在过去的几十年中,Stewart平台吸引了许多研究者的关注特别是在机器人技术领域(1]。这种类型的并联机构具有高负载能力,精确定位,高刚性,减少对某些错误(2,3]。Stewart平台的有前途的领域之一是在飞行模拟器4]。Stewart平台的其他潜在应用生物医学应用程序包括显微外科工具,例如,眼科显微手术、冠状动脉搭桥手术(CABG),和脑部手术5),以及应用程序在计算机数控(CNC)机床结构,例如,放电加工(6)和射电望远镜定位系统(7]。
执行机构安装端到端顶部和底部平台上,分别。致动器转换一种能量运动的移动或控制机制。有许多类型的驱动器在斯图尔特平台中实现。当前Stewart平台使用传统的致动器,例如,液压执行器(4),气压传动装置(8),和伺服电机9]。液压执行器高功率重量比,有快速反应(10),并能发挥很大的力量。然而,这种传动装置规模大,流体可能发生泄漏,和维护成本是昂贵的。另一方面,气动执行机构提供快速响应和清洁操作而不需要石油或流体驱动。气压传动装置的缺点主要是由系统本身的非线性行为引起的。是不能够给恒速控制运动的身体,精度较低,难以执行速度慢。伺服电机提供了各种各样的优势其他驱动的方法。大多数机器人manipulator-like微型Stewart平台使用伺服电机作为执行机构。这样的致动器的优点是重量轻,但它可以在低电压产生较大的转矩和只需要较小的工作区提供了安静的操作相比其他类型的驱动器。事实上,他们可以提供一个更好的准确性和重复性工作的结果。然而,这种驱动器的成本很高。 These conventional actuators had made the model become large [11),笨重,昂贵的成本和拥有嘈杂的操作。形状记忆合金(SMA),拥有各种优势有可能解决问题的传统执行机构尤其是Stewart平台。
SMA一直得到广泛的研究在过去的几十年里由于其独特的“智能”属性。SMA是一种合金,能记得并返回到原来的或加热后“记得”形状12]。SMA可以存在于两个不同的温度依赖晶体结构(阶段),低温阶段被称为马氏体阶段和高温阶段称为奥氏体相(13]。图1显示了SMA的晶体结构在其相变循环。马氏体相的晶体结构可以很容易地变形所需的形状由于SMA在这个阶段有一个低的屈服强度。当加热SMA高于其相变温度指示已达到奥氏体阶段,它将返回其预定的形状。在这个阶段,晶体结构的变化高度有序的结构和原子粒子对称安排。这种装置具有高屈服强度(14]。SMA的独特行为表明增加趋势的要求在很多商业领域,如汽车、工程应用生物医学和机器人领域尤其是在各层或人造肌肉15,16]。
Stewart平台利用SMA驱动器的发展已被广泛报道由于SMA的巨大的特点17- - - - - -20.]。然而,他们是规模大,涉及复杂的设计,并提供非常有限的位移。这些因素限制小型Stewart平台的应用范围。事实上,还有一个缺乏表征微型Stewart平台的性能。例如,SMA丝的力,速度,和动态的移动平台和倾斜角度根据Stewart平台的肢体动作的数量不是很透彻了。
本文报道miniscale Stewart平台有四个自由度。微型Stewart平台利用SMA各层,确保设备具有很高的鲁棒性和简单的机械结构。该设备能够执行线性的设在移动和倾斜运动。设备的性能特征进行展示SMA微型Stewart平台的可靠性。
2。设计和工作原理
大小的微型Stewart平台开发的这一努力是30毫米×30毫米×34毫米尺寸有三个自由度,其中两个使Stewart平台旋转- - -设在而第三景深负责移动平台设在如图2。这个设备是一个平台,建设一个基础平台,四肢与相同的维度。每个肢体由一个偏压弹簧和一个SMA驱动器(图2)。
图3展示了微型Stewart平台的工作原理。驱动将利用计算机的用户界面控制。计算机然后连接到单片机。为驱动,单片机产生PWM信号被传送到加热电路的电压和电流源5 V和2,分别。这是确保足够的热量生成SMA驱动器和超过70°C的转变温度(奥氏体相温度)的驱动。PWM信号的周期性变化来控制驱动的水平而言,Stewart平台的高度位移和倾斜角度。偏见春天延伸SMA在马氏体阶段,而在奥氏体相,SMA驱动器将施加一个力然后把平台和压缩弹簧。图4描述了开发设计的三自由度的运动。同时通过执行一个肢体或两个相邻的四肢,两个或一个转动自由度- - -分别设在可以实现。倾斜方向及其角度取决于四肢被激活和PWM信号的工作周期(图4(一)),这样工作周期越高,越倾斜。此外,激活四肢导致第三景深设在。同样,的位移设在方向也是由PWM信号(图的工作周期4 (b))。
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3所示。制造
TiNiCu类型SMA丝(斜、Memry Corp .)、德国),厚度为170µm是Stewart平台作为执行机构。SMA电线被训练记忆充满春天的形状(图5(一个)在400°C)退火预定义的形状为一个小时,然后用冷水处理。偏压弹簧的外径9.2毫米的线厚度0.2毫米和25毫米的高度(图制作的5 (b))。顶部和使用CAD软件基础平台的设计和使用快速原型制造的过程。然后,四肢他们每个人组成的SMA驱动器和偏压弹簧被附加到斯图尔特平台(图的基础6(一))。两端的每个SMA驱动器连接到加热电路用导电胶。四肢被连接到顶部平台,形成一个完整的原型(图6 (b))。螺丝是用来确保公司附件和SMA线和线之间的连接,连接到加热电路。生成PWM信号,从加热电路是用来控制电流的四SMA各层。微控制器是连接到加热电路控制PWM信号,因此控制SMA驱动的纯。
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4所示。实验结果和讨论
实验特征开发设备进行使用设置见图7。激光位移传感器(美国LK-G32日本基恩士,IL)和红外热成像系统(d - 07739, Jenoptic,耶拿,德国)被用来测量的位移范围Stewart平台和SMA驱动器的温度,分别。测力计(IPM650 Futek、钙、美国)被用来测量力的SMA驱动器时激活(测力计不是如图7)。
4.1。位移的变化与不同价值观的工作周期
这个实验的目的是评估的时间响应SMA驱动器对不同工作周期的脉宽调制信号产生的微控制器。时间响应的测量过程的原型如图8。只有一个肢体的SMA驱动。SMA将对15秒(驱动)和关闭(不是驱动)另一个15秒,以确保一致性在整个实验过程。位移的变化记录每200毫秒。实验使用不同的值进行PWM由占空比为50%,75%,100%。时间响应图绘制如图9。
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从图可以看出SMA驱动器的响应的时间充分发挥驱动是8 s, 4 s,和2.6年代责任周期的50%,75%,和100%,分别。同时,SMA驱动器的响应时间为2.519毫米/秒,4.71 mm / s,和6.05 mm / s工作周期的50%,75%,和100%,分别。工作周期值的差异控制驱动速度的一个重要因素。给定的工作周期是高,动作时间达到充分驱动将会较小。最大位移每个工作循环图所示的不同是由于初始值的设置不同的事实。计算的初始值添加到从传感器获得的位移值,原型可以搬到12毫米的最大位移。可以看出微型Stewart平台原型能够倾斜一个角度~ 30°。结果如图所示10。
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4.2。温度的变化与不同价值观的工作周期
本实验的目的是确定SMA驱动器的驱动温度(热响应)对不同占空比的PWM信号。SMA驱动器的热响应的测量过程如图11。对于这个实验,只有一个SMA驱动器驱动,每秒钟记录温度的变化。如图11,温度在7 s增加到82°C,可以通过调整不同的PWM信号。为了确保一致性,SMA的动作时间是一样的时间响应的致动器的测量是在国家15和关闭15年代。实验进行了使用不同的PWM信号,由占空比为50%,75%,100%。实验结果记录和SMA驱动器的热响应图绘制如图12。
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热响应图表明,SMA驱动器的时候达到奥氏体相的占空比为50%,75%,和100%是9,6 s,分别和5 s。结束时的最大温度驱动104°C, 142.3°C, 162°C,占空比为50%,75%,和100%,分别。最高温度的差异是由于提供的平均电压在SMA应用不同的工作周期值的结果。另一方面,温度越高,反应越快的SMA变换从马氏体向奥氏体阶段。至于冷却过程,奥氏体马氏体的变化阶段,工作周期的50%,SMA驱动器了30年代,而在一个工作周期的75%和100%,SMA驱动器花了超过30年代达到室温。当SMA驱动器达到马氏体阶段,任何外力容易变形,在这种情况下拉弹簧的力。
4.3。时间响应和热响应的微型Stewart平台
本节讨论的时间响应和热响应微型Stewart平台原型在PWM占空比为75%。时间响应和热响应的图形工作周期的75%的总和。制造微型Stewart平台收益率一个完整的驱动在55°C和能够倾斜最多30°角4 s的时间响应4.71毫米/秒当PWM占空比设置为75%(图13)。
开发微型Stewart平台原型可以执行一些动作。当一个原型的SMA的肢体动作,会施加一个力大于弹簧的力量,最终把平台侧在SMA驱动。这将产生一个倾斜的影响原型如图14。当四肢SMA材料的同时驱动,该平台将把四个SMA驱动器,它会产生一个线性的设在运动如图15。
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4.4。讨论
结果证明显示可行性发展Stewart平台之上,通过相对简单的制造步骤,低成本和容易控制方法(相比21])。此外,SMA驱动器的使用,在介绍,解释了几个优点;它提供了高工作密度允许生成高力比其他类似的平台如平台这几年会报告等。22]。此外,shape-memorizing能力提供了所需的力和方向开动四肢。开发这个设计的另一个优点是实现三自由度运动,这是高于其他先前的工作,利用SMA在斯图尔特平台等报道的哈迪et al。23只有两个自由度。除此之外,这个平台是小型的大小,同时保持较高的位移比其他更大的大小SMA-based Stewart平台(19,24]。
小尺寸特性促进了几个可能的应用程序为这个平台如铣床技术,在生物医学应用显微手术工具和机器人系统的机械手臂。此外,一系列的这个平台可以被附加到形式灵活的机器人手臂。最后但并非最不重要,这种设计可以用作微型光或激光反射器通过附加镜平台顶部表面。
5。结论
miniscale Stewart平台,使用四个SMA弹簧执行线性致动器和四个偏见设在移动和倾斜运动已成功开发和特点。每个驱动器是由加热电路操作通过PWM信号驱动,电压和电流源的5 V和2,分别。PWM信号作为驱动信号的使用使位移控制而不需要物理改性的加热电路。PWM信号变化来控制驱动的水平设在位移和倾斜。每个SMA驱动器施加0.6 N的最大力量PWM占空比为100%。制造微型Stewart平台产生一个完整的驱动在55°C和最大倾斜角度为30°的时间响应4.71毫米/秒,当PWM占空比设置为75%。的位移设在有12毫米的范围。预计未来几个工作要做改善当前开发微型Stewart平台的性能。这包括改进的硬件,如添加更多肢体实现驱动方向和更高的自由度。另一个关键增强优化响应时间的致动器可以通过采用SMA奥氏体相温度较低(25,26]。此外,正向和反向运动也是很重要的元素。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作由教育部支持马来西亚在原型开发研究资助计划(PRGS)和科技部马来西亚项目基金。作者也谢谢布拉德Bycraft帮助他在准备论文。