專(zhuān)利名稱(chēng)：一種回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
驅(qū)動(dòng)技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，是機(jī)器人移動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)能力的一項(xiàng)重要影響因素。作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的一種主要關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在移動(dòng)機(jī)器人的特定運(yùn)動(dòng)方式中扮演者十分重要的角色。隨著現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)，一種有別于傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)的非電磁式驅(qū)動(dòng)方式受到諸多研究人員的重視，并在一些微小型移動(dòng)機(jī)器人特定的運(yùn)動(dòng)形式中得到了試用，其中形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)技術(shù)既是其中的一種。形狀記憶合金是一種具有形狀記憶效應(yīng)的功能材料，形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器集傳感、驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)于一體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在機(jī)械、電子、化工、宇航、能源、醫(yī)療和機(jī)器人等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器其本質(zhì)為利用形狀記憶合金在形狀記憶效應(yīng)中輸出的位移和力來(lái)對(duì)外界做功的機(jī)構(gòu)，一般由形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)元件由形狀記憶合金材料制成，常見(jiàn)的形式多為螺旋狀、絲狀、管狀和片狀，可根據(jù)不同需要選用不同形式和規(guī)格的材料。形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器從位移形式劃分主要分為直線位移型和角位移型，其中回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式為角位移型，可通過(guò)設(shè)計(jì)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器直接實(shí)現(xiàn)，也可利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將直線位移型轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰菩偷姆绞介g接實(shí)現(xiàn)。然而，現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)裝置存在空間適應(yīng)性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制繁瑣，在特定條件下不能滿(mǎn)足應(yīng)用等缺點(diǎn)，限制了驅(qū)動(dòng)裝置的應(yīng)用空間和使用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在上述不足之處，回轉(zhuǎn)角度在一定范圍內(nèi)且具有節(jié)律運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的機(jī)器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，本發(fā)明提供一種回轉(zhuǎn)角度在一定范圍內(nèi)且具有節(jié)律運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的機(jī)器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置及其設(shè)計(jì)方法，該方法指導(dǎo)下的驅(qū)動(dòng)裝置具有結(jié)構(gòu)靈活，控制簡(jiǎn)單，且對(duì)安裝空間具有很好的適應(yīng)性，即可通過(guò)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與安裝空間的匹配。通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的一種回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置，包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括末端執(zhí)行件、曲柄、連桿和滑塊，曲柄的一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接在末端執(zhí)行件上，另一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接有一連桿，連桿的另一端活動(dòng)連接有一滑塊；驅(qū)動(dòng)器包括導(dǎo)軌和彈性體；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊活動(dòng)安裝在驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)軌上，可在導(dǎo)軌中自由滑動(dòng)，導(dǎo)軌的兩端分別固定連接有材料為形狀記憶合金的第一彈簧和第二彈簧；第一彈簧和第二彈簧之間固定連接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊；第一彈簧和第二彈簧分別通過(guò)導(dǎo)線連接著反饋控制回路，反饋控制回路控制第一彈簧與第二彈簧的通斷電狀態(tài)。
第一彈性體在高溫奧氏體狀態(tài)下的彈性系數(shù)Kih與第二彈性體在低溫馬氏體下的彈性系數(shù)滿(mǎn)足關(guān)系式Kih 彡 K2L+5. 29第二彈性體在高溫奧氏體狀態(tài)下的彈性系數(shù)K2h與第一彈性體在低溫馬氏體下的彈性系數(shù)Ku需滿(mǎn)足關(guān)系式K2h ^ Kil+I. 04第一彈性體的壓縮變形能力為第二彈性體的I. 5 I. 8倍；第二彈性體的伸長(zhǎng)變形能力為第一彈性體的I. 5 L 8倍。所述反饋控制回路包括RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器的兩輸入端分別連接有第一行程開(kāi)關(guān)Ksi與第二行程開(kāi)關(guān)Ks2，通過(guò)第一行程開(kāi)關(guān)Ksi與第二行程開(kāi)關(guān)Ks2的開(kāi)/關(guān)，控制RS觸發(fā)器的輸出信號(hào)，RS觸發(fā)器的2輸出端控制第二繼電器II的開(kāi)/關(guān)達(dá)到控制第二彈簧的通斷電狀態(tài)；RS觸發(fā)器的Q輸出端控制第一繼電器I開(kāi)/關(guān)達(dá)到控制第一彈簧的通斷電狀態(tài)，第一行程開(kāi)關(guān)Ksi與第二行程開(kāi)關(guān)Ks2固定于驅(qū)動(dòng)裝置上，末端執(zhí)行件的回轉(zhuǎn)角度不超出設(shè)定值。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)滿(mǎn)足下列各式
權(quán)利要求
1.一種回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置，包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器，其特征在于■ 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括末端執(zhí)行件、曲柄、連桿和滑塊，曲柄的一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接在末端執(zhí)行件上，另一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接有一連桿，連桿的另一端活動(dòng)連接有一滑塊； 驅(qū)動(dòng)器包括導(dǎo)軌和彈性體；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊活動(dòng)安裝在驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)軌上，可在導(dǎo)軌中自由滑動(dòng)，導(dǎo)軌的兩端分別固定連接有材料為形狀記憶合金的第一彈簧和第二彈簧；第一彈簧和第二彈簧之間固定連接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊； 第一彈簧和第二彈簧分別通過(guò)導(dǎo)線連接著反饋控制回路，反饋控制回路控制第一彈簧與第二彈簧的通斷電狀態(tài)。
2.按權(quán)利要求I所述的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于第一彈性體在高溫奧氏體狀態(tài)下的彈性系數(shù)Kih與第二彈性體在低溫馬氏體下的彈性系數(shù)Ka滿(mǎn)足關(guān)系式 Kih 彡 K2L+5. 29 第二彈性體在高溫奧氏體狀態(tài)下的彈性系數(shù)K2h與第一彈性體在低溫馬氏體下的彈性系數(shù)Ku需滿(mǎn)足關(guān)系式 K2h 彡 K1L+1. 04
3.按權(quán)利要求I所述的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于第一彈性體的壓縮變形能力為第二彈性體的I. 5 I. 8倍；第二彈性體的伸長(zhǎng)變形能力為第一彈性體的I. 5 I. 8倍。
4.按權(quán)利要求I所述的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述反饋控制回路包括RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器的兩輸入端分別連接有第一行程開(kāi)關(guān)Ksi與第二行程開(kāi)關(guān)Ks2，通過(guò)第一行程開(kāi)關(guān)Ksi與第二行程開(kāi)關(guān)Ks2的開(kāi)/關(guān)，控制RS觸發(fā)器的輸出信號(hào)，RS觸發(fā)器的2輸出端控制第二繼電器II的開(kāi)/關(guān)達(dá)到控制第二彈簧的通斷電狀態(tài)；RS觸發(fā)器的Q輸出端控制第一繼電器I開(kāi)/關(guān)達(dá)到控制第一彈簧的通斷電狀態(tài)，第一行程開(kāi)關(guān)Ksi與第二行程開(kāi)關(guān)Ks2固定于驅(qū)動(dòng)裝置上，末端執(zhí)行件的回轉(zhuǎn)角度不超出設(shè)定值。
5.按權(quán)利要求I所述的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)滿(mǎn)足下列各式 上式中，S為滑塊在導(dǎo)軌中的行程，Zb1 , Zfi2分別為滑塊在導(dǎo)軌上的兩個(gè)極限位置，R為曲柄的長(zhǎng)度，a為初始時(shí)刻曲柄與X軸的夾角，識(shí)為曲柄擺動(dòng)的最大角度值，L為連桿的長(zhǎng)度，e為偏心距，U為滑塊與導(dǎo)軌之間的動(dòng)摩擦系數(shù)；FX形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置所產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力在X軸方向的合力，F(xiàn)b為第一彈性體和第二彈性體對(duì)滑塊的合力，F(xiàn)n為滑塊受到的摩擦力，M代表驅(qū)動(dòng)器需克服的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)摩擦力矩；Fq為驅(qū)動(dòng)裝置所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，k為加權(quán)系數(shù)，根據(jù)工作環(huán)境的溫度取值，T為彈簧的彈性模量，Dtl為形狀記憶合金彈簧的中徑；，d為形狀記憶合金彈簧的絲徑。
6.按權(quán)利要求I所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方法，其特征在于具體過(guò)程如下 (1)根據(jù)驅(qū)動(dòng)器及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系，建立滑塊行程S與各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系式
7.按權(quán)利要求6所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方法，其特征在于還包括通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)確定第一彈性體的壓縮變形能力以及伸長(zhǎng)變形能力與第二彈性體的壓縮變形能力以及伸長(zhǎng)變形能力之間的關(guān)系。
8.按權(quán)利要求7所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方法，其特征在于 第一彈性體的壓縮變形能力為第二彈性體的I. 5 I. 8倍；第二彈性體的伸長(zhǎng)變形能力為第一彈性體的I. 5 I. 8倍。
9.按權(quán)利要求6所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，還包括通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)確定第一彈性體在高溫奧氏體狀態(tài)下的彈性系數(shù)Kih與第二彈性體在低溫馬氏體下的彈性系數(shù)Ka的關(guān)系式以及第二彈性體在高溫奧氏體狀態(tài)下的彈性系數(shù)K2h與第一彈性體在低溫馬氏體下的彈性系數(shù)Ka的關(guān)系式。
10.按權(quán)利要求9所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方法，其特征在于第一彈性體在高溫奧氏體狀態(tài)下的彈性系數(shù)Kih與第二彈性體在低溫馬氏體下的彈性系數(shù)的關(guān)系式為Kih ^ K2L+5. 29 ;第二彈性體在高溫奧氏體狀態(tài)下的彈性系數(shù)K2h與第一彈性體在低溫馬氏體下的彈性系數(shù)Ku的關(guān) 系式為K2h彡K1L+1. 04。
全文摘要
本發(fā)明涉及機(jī)器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，為一種回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置和設(shè)計(jì)方法，包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括末端執(zhí)行件、曲柄、連桿和滑塊，曲柄的一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接在末端執(zhí)行件上，另一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接有一連桿，連桿的另一端活動(dòng)連接有一滑塊；驅(qū)動(dòng)器包括導(dǎo)軌和彈性體；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊活動(dòng)安裝在驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)軌上，可在導(dǎo)軌中自由滑動(dòng)，導(dǎo)軌的兩端分別固定連接有材料為形狀記憶合金的第一彈簧和第二彈簧；第一彈簧和第二彈簧之間固定連接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑塊；第一彈簧和第二彈簧分別通過(guò)導(dǎo)線連接著反饋控制回路，反饋控制回路控制第一彈簧與第二彈簧的通斷電狀態(tài)，本發(fā)明對(duì)安裝空間的適應(yīng)性強(qiáng)，與安裝空間的匹配可調(diào)。
文檔編號(hào)F03G7/06GK102748260SQ201110101019
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者唐元貴 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所