专利名称：一种回转关节的形状记忆合金驱动装置及其设计方法
技术领域：
本发明涉及机器人回转关节驱动领域，具体的说是一种回转关节的形状记忆合金驱动装置及其设计方法。
背景技术：
驱动技术是移动机器人的一项关键技术，是机器人移动特性和运动能力的一项重要影响因素。作为机器人运动实现的一种主要关节运动形式，回转关节在移动机器人的特定运动方式中扮演者十分重要的角色。随着现代驱动技术的发展，近年来，一种有别于传统电磁驱动技术的非电磁式驱动方式受到诸多研究人员的重视，并在一些微小型移动机器人特定的运动形式中得到了试用，其中形状记忆合金驱动技术既是其中的一种。形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的功能材料，形状记忆合金驱动器集传感、驱动和执行机构于一体，具有结构简单、控制方便、能耗低等优点，已经在机械、电子、化工、宇航、能源、医疗和机器人等领域得到广泛的应用。形状记忆合金驱动器其本质为利用形状记忆合金在形状记忆效应中输出的位移和力来对外界做功的机构，一般由形状记忆合金驱动元件和执行机构两部分组成。形状记忆合金驱动元件由形状记忆合金材料制成，常见的形式多为螺旋状、丝状、管状和片状，可根据不同需要选用不同形式和规格的材料。形状记忆合金驱动器从位移形式划分主要分为直线位移型和角位移型，其中回转关节的运动形式为角位移型，可通过设计形状记忆合金驱动器直接实现，也可利用传动机构将直线位移型转变为角位移型的方式间接实现。然而，现有的驱动装置存在空间适应性差，结构复杂，控制繁琐，在特定条件下不能满足应用等缺点，限制了驱动装置的应用空间和使用范围。
发明内容
针对现有技术中存在上述不足之处，回转角度在一定范围内且具有节律运动特点的机器人回转关节，本发明提供一种回转角度在一定范围内且具有节律运动特点的机器人回转关节的形状记忆合金驱动装置及其设计方法，该方法指导下的驱动装置具有结构灵活，控制简单，且对安装空间具有很好的适应性，即可通过调整自身结构实现与安装空间的匹配。通过如下的技术方案来实现本发明的目的一种回转关节的形状记忆合金驱动装置，包括传动机构和驱动器，传动机构包括末端执行件、曲柄、连杆和滑块，曲柄的一端通过旋转关节连接在末端执行件上，另一端通过旋转关节连接有一连杆，连杆的另一端活动连接有一滑块；驱动器包括导轨和弹性体；传动机构的滑块活动安装在驱动器的导轨上，可在导轨中自由滑动，导轨的两端分别固定连接有材料为形状记忆合金的第一弹簧和第二弹簧；第一弹簧和第二弹簧之间固定连接传动机构的滑块；第一弹簧和第二弹簧分别通过导线连接着反馈控制回路，反馈控制回路控制第一弹簧与第二弹簧的通断电状态。
第一弹性体在高温奥氏体状态下的弹性系数Kih与第二弹性体在低温马氏体下的弹性系数满足关系式Kih 彡 K2L+5. 29第二弹性体在高温奥氏体状态下的弹性系数K2h与第一弹性体在低温马氏体下的弹性系数Ku需满足关系式K2h ^ Kil+I. 04第一弹性体的压缩变形能力为第二弹性体的I. 5 I. 8倍；第二弹性体的伸长变形能力为第一弹性体的I. 5 L 8倍。所述反馈控制回路包括RS触发器，RS触发器的两输入端分别连接有第一行程开关Ksi与第二行程开关Ks2，通过第一行程开关Ksi与第二行程开关Ks2的开/关，控制RS触发器的输出信号，RS触发器的2输出端控制第二继电器II的开/关达到控制第二弹簧的通断电状态；RS触发器的Q输出端控制第一继电器I开/关达到控制第一弹簧的通断电状态，第一行程开关Ksi与第二行程开关Ks2固定于驱动装置上，末端执行件的回转角度不超出设定值。传动机构和驱动器的结构参数满足下列各式
权利要求
1.一种回转关节的形状记忆合金驱动装置，包括传动机构和驱动器，其特征在于■ 传动机构包括末端执行件、曲柄、连杆和滑块，曲柄的一端通过旋转关节连接在末端执行件上，另一端通过旋转关节连接有一连杆，连杆的另一端活动连接有一滑块； 驱动器包括导轨和弹性体；传动机构的滑块活动安装在驱动器的导轨上，可在导轨中自由滑动，导轨的两端分别固定连接有材料为形状记忆合金的第一弹簧和第二弹簧；第一弹簧和第二弹簧之间固定连接传动机构的滑块； 第一弹簧和第二弹簧分别通过导线连接着反馈控制回路，反馈控制回路控制第一弹簧与第二弹簧的通断电状态。
2.按权利要求I所述的回转关节的形状记忆合金驱动装置，其特征在于第一弹性体在高温奥氏体状态下的弹性系数Kih与第二弹性体在低温马氏体下的弹性系数Ka满足关系式 Kih 彡 K2L+5. 29 第二弹性体在高温奥氏体状态下的弹性系数K2h与第一弹性体在低温马氏体下的弹性系数Ku需满足关系式 K2h 彡 K1L+1. 04
3.按权利要求I所述的回转关节的形状记忆合金驱动装置，其特征在于第一弹性体的压缩变形能力为第二弹性体的I. 5 I. 8倍；第二弹性体的伸长变形能力为第一弹性体的I. 5 I. 8倍。
4.按权利要求I所述的回转关节的形状记忆合金驱动装置，其特征在于所述反馈控制回路包括RS触发器，RS触发器的两输入端分别连接有第一行程开关Ksi与第二行程开关Ks2，通过第一行程开关Ksi与第二行程开关Ks2的开/关，控制RS触发器的输出信号，RS触发器的2输出端控制第二继电器II的开/关达到控制第二弹簧的通断电状态；RS触发器的Q输出端控制第一继电器I开/关达到控制第一弹簧的通断电状态，第一行程开关Ksi与第二行程开关Ks2固定于驱动装置上，末端执行件的回转角度不超出设定值。
5.按权利要求I所述的回转关节的形状记忆合金驱动装置，其特征在于传动机构和驱动器的结构参数满足下列各式 上式中，S为滑块在导轨中的行程，Zb1 , Zfi2分别为滑块在导轨上的两个极限位置，R为曲柄的长度，a为初始时刻曲柄与X轴的夹角，识为曲柄摆动的最大角度值，L为连杆的长度，e为偏心距，U为滑块与导轨之间的动摩擦系数；FX形状记忆合金驱动装置所产生驱动力在X轴方向的合力，Fb为第一弹性体和第二弹性体对滑块的合力，Fn为滑块受到的摩擦力，M代表驱动器需克服的回转关节摩擦力矩；Fq为驱动装置所产生的驱动力，k为加权系数，根据工作环境的温度取值，T为弹簧的弹性模量，Dtl为形状记忆合金弹簧的中径；，d为形状记忆合金弹簧的丝径。
6.按权利要求I所述回转关节的形状记忆合金驱动装置的设计方法，其特征在于具体过程如下 (1)根据驱动器及传动机构的几何关系，建立滑块行程S与各结构参数之间的关系式
7.按权利要求6所述回转关节的形状记忆合金驱动装置的设计方法，其特征在于还包括通过仿真模拟实验确定第一弹性体的压缩变形能力以及伸长变形能力与第二弹性体的压缩变形能力以及伸长变形能力之间的关系。
8.按权利要求7所述回转关节的形状记忆合金驱动装置的设计方法，其特征在于 第一弹性体的压缩变形能力为第二弹性体的I. 5 I. 8倍；第二弹性体的伸长变形能力为第一弹性体的I. 5 I. 8倍。
9.按权利要求6所述回转关节的形状记忆合金驱动装置的设计方法，其特征在于，还包括通过仿真模拟实验确定第一弹性体在高温奥氏体状态下的弹性系数Kih与第二弹性体在低温马氏体下的弹性系数Ka的关系式以及第二弹性体在高温奥氏体状态下的弹性系数K2h与第一弹性体在低温马氏体下的弹性系数Ka的关系式。
10.按权利要求9所述回转关节的形状记忆合金驱动装置的设计方法，其特征在于第一弹性体在高温奥氏体状态下的弹性系数Kih与第二弹性体在低温马氏体下的弹性系数的关系式为Kih ^ K2L+5. 29 ;第二弹性体在高温奥氏体状态下的弹性系数K2h与第一弹性体在低温马氏体下的弹性系数Ku的关 系式为K2h彡K1L+1. 04。
全文摘要
本发明涉及机器人回转关节驱动领域，为一种回转关节的形状记忆合金驱动装置和设计方法，包括传动机构和驱动器，传动机构包括末端执行件、曲柄、连杆和滑块，曲柄的一端通过旋转关节连接在末端执行件上，另一端通过旋转关节连接有一连杆，连杆的另一端活动连接有一滑块；驱动器包括导轨和弹性体；传动机构的滑块活动安装在驱动器的导轨上，可在导轨中自由滑动，导轨的两端分别固定连接有材料为形状记忆合金的第一弹簧和第二弹簧；第一弹簧和第二弹簧之间固定连接传动机构的滑块；第一弹簧和第二弹簧分别通过导线连接着反馈控制回路，反馈控制回路控制第一弹簧与第二弹簧的通断电状态，本发明对安装空间的适应性强，与安装空间的匹配可调。
文档编号F03G7/06GK102748260SQ201110101019
公开日2012年10月24日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者唐元贵 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所