形状记忆合金(SMA)作为驱动材料时具有结构简单、功率密度大、工作可靠等优点,在工程中已经广泛使用。其中应用较多的是NiTi细丝,它在加热时可以产生收缩运动。但NiTi细丝有一个明显的缺点,即它的可恢复应变只有4%左右,这使得它的行程有限。另一种驱动形式是形状记忆材料制成的弹簧,NiTi弹簧应变较大,但是相比相同丝径的驱动型NiTi细丝驱动器,力输出能力下降明显。为了解决NiTi细丝应变小的问题,本课题设计了一种新的驱动器,该驱动器由NiTi丝在特定的夹具上绕制并热处理而成,变形原理为NiTi丝在弯曲和直线之间变形而产生的长度方向尺寸的变化。该驱动器应变较驱动型NiTi丝的可恢复应变有明显的提升,同时力输出能力与其几乎相同。本课题利用材料力学知识对驱动器进行了准静态数学模型的建立,构造了位移与力之间的函数关系,获得了驱动器的刚度曲线,该模型可以为设计过程提供参考依据。SMA的控制具有很大的挑战性,本文以单关节为实验平台对驱动器进行了控制方法研究。实验发现本课题设计的驱动器在进行位置阶跃响应时,使用PI控制具有良好的效果。但是PI控制适应性较差,当位移曲线在初始阶段变化较小时,例如斜坡曲线与正弦曲线,PI控制不能让关节很好地跟随位置曲线。本课题构造了一个曲线为“S”形的电阻反馈函数,与PI控制器并联,该函数能够根据电阻值判断SMA所处状态,并调节控制输入,使系统对SMA有最快的加热速度。具有电阻反馈环节的控制器在斜坡输入和正弦输入曲线实验中表现出了良好的性能。为了使关节能够往复运动,本文构造了SMA-SMA的关节结构,并加入了风冷装置,加速负载驱动器的冷却速度,使关节能够快速地往返运动。同时为了解决驱动器在带载情况下行程下降的问题,本文在驱动器末端串联了位移放大机构,使行程放大了3倍。由于SMA驱动器使用中为了加快响应速度,需要增大加热功率,有时还会出现运动指令大于驱动器行程的情况,这两种情况都会造成SMA过热,降低驱动器性能和疲劳寿命。本文在控制器的基础上增加了温度控制开关,利用电阻反馈使温度保持在奥氏体相变结束温度附近。仿真结果显示该控制逻辑使得温度升高后,控制器有一个频繁的开关动作,避免了温度过高。