基于内嵌式SMA电机的多指手驱动控制系统

1 硬件系统

    现有的多指拟人机械手，存在体积庞大、机构复杂、控制困难、缺乏柔性等缺陷。直接将内嵌式SMA电机(ESMAA)作为指节。HT构造带手掌多自由度拟人机械手。

    驱动与控制系统包括DSP最小系统、驱动模块和检测模块。DSP最小系统一核心CPU+时钟和复位电路+外围存储器扩展；驱动模块=波形发生+信号放大+功率驱动；传感器模块一测量电桥+信号放大+信号滤波。框图见图1。

图1驱动与控制系统框图 

1.1 驱动模块

    驱动模块见图2，由DSP事件管理器输出占空比可调的方波信号。由于该方波信号高电平范围在0～5V，为保证MOSFET可靠开通和关断，需要对该信号进行放大，因此采用电平转换芯片CD40109。方波信号经过放大后由集成芯片TPS2812驱动MOSFET，进而控制流经SMA丝的电流脉冲，对SMA丝进行可控驱动目的。

图2驱动模块

   R₃和C₁支路构成防止MOSFET管关断时承受过电压的吸收电路；在栅极并联稳压二极管D，防止过电压击穿栅源问的氧化层；在栅极串联一个小电阻R₁，对开关瞬间引起的振荡起到阻尼作用。

1.2 检测模块

    基于应变反馈的曲率检测模块由电桥电路、放大电路和滤波电路组成。

    以平面弯曲ESMAA曲率传感为例(图3)，两根相同半径的SMA丝平行弹性棒轴线嵌入，丝与棒的半径分别为r_s与R_r。其中，w₁为回复丝，与棒轴线重合，记忆为“U”形。w₂为恢复丝，偏心矩为d₁，记忆为直线态。电机运行方向是确定的，可按图示方法配置两片应变片G₁和G₂。当电机运行时，G₁受压，而G₂受拉，因G₁和G₂对称粘贴，故二者电阻变化量相等，极性相反，由1／2电桥得到输出电压，经放大滤波后送人DSP，通过软件处理输出一定占空比的PWM波。电桥电路如图4所示。

图3平面弯曲内嵌式SMA电机

图4电桥电路 

2 软件系统

    软件流程图见图5。初始化工作包括：初始化时钟寄存器，与通用定时器相关的寄存器，A／D转换模块，串口通信模块，以及关闭看门狗等。

图5主程序流程图

    中断事件包括：通过定时器T2中断采集应变片信息及实现控制算法；通过T1和T3中断产生PWM输出，产生对ESMAA加热电流进行控制的脉冲；通过外部中断实现键盘输入，便于人机交换，完成各ESMAA单元电机的启停及占空比增减等功能。机械手位置传感器的电压输入通过放大、滤波后接人F2407片内A／D转换通道。在T2中断发生后，A／D转换模块分别采集拟人手各指节的位置信息，采用分段多模式PI控制算法调整输出加热脉冲占空比。

    TMS320F2407芯片工作时，在定时器连续增计数模式下，使能定时器的比较操作，通过设置定时器周期中断，定时周期寄存器就可以产生连续的周期信号，再通过改变定时比较寄存器的值控制脉宽。即可产生任意调制的PWM波形。通过定时器Tl与T3的周期中断，产生6路PWM波形。在定时器周期中断服务子程序内，改变比较寄存器的值，从而改变PWM波形的占空比。在相关硬件配置条件下，初始化DSP的CPUCLK为10MHz，将定时器T1的周期寄存器T1PR设置为F000h。定时器T3的周期寄存，器T3PR设置为F024h。T1产生的PWM信号的频率等于40 kHz， T3产生的刚信号的频率接近40 kHz，使得在定时器T1和T3产生的PWM频率在满足设计要求前提下，不会同时产生中断，导致冲突。

    由于定时器T1周期中断和定时器T3周期中断共用了内核的INT2第3级中断。因此，在INT3中断服务子程序中，先根据中断向量偏移地址来判断究竟是定时器T1／T3哪一个产生了中断(即确定定时器中断号)，再转入相应的子程序。并且。须编写中断保护和恢复代码，在进入ISR时，要对这些寄存器变量进行堆栈保护；在ISR完成时。要对这些寄存器变量进行堆栈恢复。否则，2路通道的PWM输出会出现紊乱的情况。这部分的中断程序流程图如图6所示。

图6多路PwM输出程序流程图 

3 实验结果

    图7为单指节的分段多模式PI阶跃响应结果。参数勾：误差阈值ξ=2 m^-1，比例系数K_p=0.05，积分系数K₁=0.006，目标曲率为18 m^-1，Umax为0.8，采样周期T=15.4 ms。超调量<2.0％，稳态误差小于0.5 m^-1。曲率误差大于ξ时，输出最大加热电流占空比，电机快速达到设定曲率，上升时间为0.55 s。

图7阶跃响应买验

    机械手由六台单元样机构成，考虑到系统对响应速度、稳定性、定位精度有较高要求，经操作与轨迹规划后，对六指节同时控制，实现机械手协调运行与精确定位。试验表明，机械手(限于篇幅，拟人手形图略)基本能够按照预期轨迹运动，但由于模型构建与制作工艺上存在误差，表现出指尖不完全到位或超过预定位置。且不能严格保证各指节在同一时刻到达预定位置等等，尚须通过进一步的理论与实验研究加以改进。

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