基于電阻反饋的SMA控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

張 健，陳 柏，耿令波，陳 筍，吳洪濤

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016；2.上海交通大學(xué)附屬新華醫(yī)院，上海200092；3.沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng)110016）

基于電阻反饋的SMA控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

張 健1，陳 柏1，耿令波3，陳 筍2，吳洪濤1

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016；2.上海交通大學(xué)附屬新華醫(yī)院，上海200092；3.沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng)110016）

形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動(dòng)器在生物醫(yī)療中得到了廣泛應(yīng)用。目前，SMA驅(qū)動(dòng)器的控制器多采用外部傳感反饋方式，體積大，應(yīng)用受到限制。提出一種基于SMA內(nèi)部電阻反饋的嵌入式控制電路。使用ATMEGA16單片機(jī)搭建了SMA驅(qū)動(dòng)器加熱控制電路及恒流源電橋方法的電阻測(cè)量采集電路。實(shí)驗(yàn)表明：該控制系統(tǒng)可以產(chǎn)生可控PWM，恒流源電橋方法測(cè)SMA電阻可以得到足夠的測(cè)量精度，系統(tǒng)可用于SMA驅(qū)動(dòng)器的控制。

SMA驅(qū)動(dòng)器；ATMEGA16單片機(jī)；電阻反饋；控制電路

1 引 言

形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）是一種新型功能材料。Ni-Ti記憶合金驅(qū)動(dòng)器具有其他記憶材料無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：抗腐蝕性能強(qiáng)，生物相容性好，力學(xué)性能優(yōu)良，抗疲勞、熱加工作性能好［1-2］，因此，成為目前生物醫(yī)用材料中的首選。同樣，在微型介入導(dǎo)管機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，SMA驅(qū)動(dòng)器也得到了廣泛應(yīng)用［3-4］。

設(shè)計(jì)了一種SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器控制的介入導(dǎo)管機(jī)器人，如圖1所示。導(dǎo)管由位于中心的骨架彈簧以及均勻布置在導(dǎo)管橫截面方向上的三個(gè)SMA驅(qū)動(dòng)器組成。介入導(dǎo)管機(jī)器人彎曲單元的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)控制其單元的驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)在任意方向上的彎曲與轉(zhuǎn)向。依據(jù)手術(shù)對(duì)象及環(huán)境的個(gè)體差異，可以通過(guò)多個(gè)彎曲單元的重構(gòu)增加其自由度，實(shí)現(xiàn)較大的彎曲角度。

2 反饋?zhàn)兞窟x擇

選擇合理的反饋?zhàn)兞渴荢MA驅(qū)動(dòng)器控制的關(guān)鍵所在。在SMA加熱動(dòng)作過(guò)程中存在四個(gè)反映其動(dòng)作特性的參數(shù)，分別是SMA驅(qū)動(dòng)器的輸出力、輸出位移、SMA的溫度和電阻。其中，輸出力和輸出位移為SMA的外部變量；溫度和電阻為SMA的內(nèi)部變量。

圖1 SMA驅(qū)動(dòng)器布置圖

目前，SMA驅(qū)動(dòng)器通常采用傳感器測(cè)量反饋的方式進(jìn)行控制［5］，但因結(jié)構(gòu)中需要設(shè)計(jì)傳感器的安裝，不利于系統(tǒng)的微型化，應(yīng)用受到限制。SMA具有自傳感特性，在發(fā)生應(yīng)變時(shí)，內(nèi)部電阻率發(fā)生改變。所以考慮到所設(shè)計(jì)微型導(dǎo)管機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境，在SMA驅(qū)動(dòng)器中采用內(nèi)部電阻反饋的方式對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以避免使用外部傳感器。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的介入導(dǎo)管機(jī)器人SMA驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與功能分析，為實(shí)現(xiàn)對(duì)SMA驅(qū)動(dòng)器有效控制，控制系統(tǒng)應(yīng)滿足：①控制電路輸出占空比可調(diào)的脈沖，可以控制SMA彈簧加熱電流的通斷；②在加熱間歇期可以對(duì)SMA彈簧的電阻進(jìn)行檢測(cè)；③輸出脈沖的占空比要有限制，防止SMA在加熱過(guò)程中記憶效應(yīng)惡化。此外，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要考慮到與上位機(jī)的通訊、加熱電路與測(cè)量電路的隔離、小電阻如何準(zhǔn)確測(cè)量等問(wèn)題?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 加熱控制電路

直接通電加熱方法由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且便于控制而得到廣泛應(yīng)用。由于SMA驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)熱慣性元件，可以通過(guò)脈沖調(diào)寬（PWM）的方法實(shí)現(xiàn)加熱功率的調(diào)節(jié)。單片機(jī)控制器輸出不同占空比的PWM方波，經(jīng)過(guò)光耦元件及功率放大電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)SMA驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)。采集的電阻反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)AD放大器，送到單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)電阻變化調(diào)節(jié)輸出PWM方波占空比的大小。

圖3為單個(gè)SMA驅(qū)動(dòng)器通過(guò)PWM加熱電路。Atmega16單片機(jī)［6］的T／C模塊，可以產(chǎn)生頻率及占空比可調(diào)的PWM。當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，SMA驅(qū)動(dòng)器處于加熱狀態(tài)；當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管截止，SMA驅(qū)動(dòng)器處于冷卻狀態(tài)。通過(guò)控制PWM占空比的大小可以調(diào)節(jié)SMA驅(qū)動(dòng)器兩端電流的通斷時(shí)間，從而控制施加在SMA驅(qū)動(dòng)器上的熱量，達(dá)到準(zhǔn)確的功率控制，實(shí)現(xiàn)控制介入導(dǎo)管的彎曲動(dòng)作。

圖3 單個(gè)SMA驅(qū)動(dòng)器加熱電路

3.2 電阻測(cè)量電路

在SMA驅(qū)動(dòng)器的加熱過(guò)程中，其電阻值隨溫度的升高而發(fā)生變化，考慮到SMA彈簧的電阻很小，如果采用歐姆方法將很難測(cè)得電阻變化的精確值。因此采用恒流源電橋法測(cè)量SMA電阻的變化。電路原理圖如圖4所示。用一個(gè)30mA的恒流源通過(guò)電橋，可以產(chǎn)生mV級(jí)的電壓，電壓滿足關(guān)系式1，即當(dāng)電阻發(fā)生變化ΔR＝0.2Ω時(shí)，會(huì)產(chǎn)生約為1.5mV的電壓差值。

單片機(jī)通過(guò) I／O口選通多路模擬開(kāi)關(guān)MAX4051，當(dāng)SMA驅(qū)動(dòng)器處于電阻采集狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)會(huì)通過(guò)編碼選通其某一通道，電橋兩端的電壓信號(hào)分別經(jīng)過(guò)兩片MAX4051，再經(jīng)放大器的作用，之后傳送至單片機(jī)的ADC模塊。當(dāng)SMA驅(qū)動(dòng)器處于加熱狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)關(guān)斷模擬開(kāi)關(guān)，處于斷開(kāi)狀態(tài)，防止加熱電流過(guò)大，對(duì)模擬開(kāi)關(guān)造成沖擊進(jìn)而保護(hù)單片機(jī)芯片。當(dāng)單片機(jī)AD基準(zhǔn)電壓為2V，AD620增益500倍下，電阻測(cè)量電路的分辨率可達(dá)0.0002Ω。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

使用EDA工具軟件Proteus對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了電路分析與仿真。圖5為基于Atmega16單片機(jī)SMA驅(qū)動(dòng)器加熱電路的Proteus仿真原理圖。

圖4 電阻測(cè)量電路

圖5 仿真原理圖

根據(jù)電路仿真原理圖編寫(xiě)程序，仿真過(guò)程中，示波器輸出頻率20KHz、占空比為60%的PWM波形，如圖7所示。使用作者制作的控制板，如圖6所示，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，示波器產(chǎn)生的PWM波形，如圖8所示。

圖6 控制電路實(shí)驗(yàn)板

圖7 占空比60%PWM仿真波形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于SMA驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電阻反饋的控制系統(tǒng)。采用ATMEGA16單片機(jī)輸出PWM進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，以恒流源電阻橋的方式測(cè)量SMA驅(qū)動(dòng)器的電阻， 可以得到0.0002Ω的電阻分辨率。最后，通過(guò)仿真分析，使用制作的控制電路板，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的正確性，可以用于SMA驅(qū)動(dòng)器的控制。

圖8 占空比60%PWM實(shí)驗(yàn)波形圖

［1］Ho M，Desai J P.Characterization of SMA actuator for applications in robotic neurosurgery［C］.IEEE International Conference in Medicine and Biology Society，2009：6856-6859.

［2］趙連城，蔡偉，鄭玉峰.合金的形狀記憶效應(yīng)與超彈性［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

［3］Dupont PE，Lock J，Itkowitz B，et al.Design and control of concentric-tube robots［J］.IEEE Transactions on Robotics，2010，26（2）：209-225.

［4］付宜利，高安柱，劉浩，等.導(dǎo)管機(jī)器人系統(tǒng)的主從介入［J］.機(jī)器人，2011，33（5）：579-591.

［5］李愛(ài)華，楊凱，辜承林.基于內(nèi)嵌式SMA驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械手控制［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2006，10（3）：238-241.

［6］李曉鋒.AVR單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

Design of Control System for SMA Actuator Based on Resistance Feedback

ZHANG Jian1，CHEN Bai1，GENG Ling-bo3，CHEN Sun2，WU Hong-tao1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Xinhua Hospital，Medical School of Shanghai Jiaotong University，Shanghai200092，China；3.Shenyang Institute of Automation，Shenyang 110016，China）

SMA actuator has been widely applied in the biomedical treatment.Exterior sensor is often used for control system of SMA actuator.An embedded control circuit based on SMA resistance feedback is introduced in this paper.The drive heating control circuit and resistancemeasurement circuit are developed based on ATMEGA16.The experimental result shows that the constant current bridge can be applied to get enough precision in SMA resistance measuring and the system can be used for SMA actuator control.

SMA actuator；ATMEGA16；Resistance feedback；Control circuit

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.028

TH122；TP273

：B

：1002-2279（2014）04-0091-03

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2012798）；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金--前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY2012011）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.51075209）；南京市科委產(chǎn)學(xué)研計(jì)劃（201204014）；上海市科委科技計(jì)劃項(xiàng)（124119a3900）；上海交大醫(yī)工交叉項(xiàng)目（YG2011MS08）；國(guó)家863科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA041004）

張?。?988-），男，山東省泰安市寧陽(yáng)縣人，碩士研究生，主研方向：醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)，機(jī)電控制技術(shù)。

2013-12-13