[发明专利]基于形状记忆合金的十字轴式机器人驱动关节

说明书

技术领域

本发明涉及机械技术领域。

背景技术

形状记忆合金(SMA)驱动器具有功率/质量比大、结构简单、无噪音、无污染、易于控制等特点，已在许多场合得到应用；随着科学技术的发展，近几年来，基于SMA的机器人驱动关节也相继出现。

经过对现有技术的文献检索发现，李明东等在《上海交通大学学报》(2001年10月，第33卷第10期，1284-1287页)上发表的“形状记忆合金丝驱动的仿生转动关节臂”一文中提出了SMA丝驱动微型关节臂，该关节臂具有两个自由度，每个自由度由两条SMA丝采用差动方式驱动。该关节臂已被应用于一种仿蟑螂的六足微机器人。其不足之处在于：由于单根SMA丝的回复力限制，关节的输出力矩很小；由于结构限制，每个关节只有一个转角运动。

Safak等在《Robotics and Autonomous Systems》(2002年，第41卷第4期，225-243页)发表的”Modeling and simulation of an artificial muscle and its application to biomimetic robotposture control”一文中也提出了一种SMA驱动的水底行走机器人关节，该驱动关节由滑轮、限位弹簧、关节连杆和一对推挽式布置的SMA丝组成，能实现弯曲-伸展运动。Arena等在《INTERNATIONAL JOURNAL OF BIFURCATION AND CHAOS》(2006年，第16卷第1期，39-46页)上发表的”A WAVE-BASED CNN GENERATOR FOR THE CONTROL ANDACTUATION OF A LAMPREY-LIKE ROBOT”一文中也提出了类似的驱动关节。两者都由于结构限制存在自由度少，抗拉强度低的不足。

发明内容

为了克服现有技术自由度少，抗拉强度低的不足，本发明提供一种基于形状记忆合金的十字轴式机器人驱动关节，能够简化结构和控制环节，减少误差，提高关节自由度和刚度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：结构主体为胡克铰机构，由定铰链架1、十字轴6、动铰链架7组成，四个滑轮5分别固接在十字轴6的四个轴肩上，十字轴6的四个轴肩分别套接在定铰链架1、动铰链架7的侧壁圆孔上，四根绳索4分别绕在四个滑轮5上，每根绳索4的两端分别连接一根SMA弹簧3，SMA弹簧3的另一端连接在其所在一侧的铰链架上。

作为本发明的一个优选方案，十字轴6的四个轴肩与定铰链架1、动铰链架7的侧壁圆孔连接处加装滚动轴承，以减小摩擦。此时，十字轴6的四个轴肩与滚动轴承内圈过盈配合，定铰链架1、动铰链架7的侧壁圆孔与滚动轴承外圈过盈配合。

作为本发明的另一个优选方案，SMA弹簧3的一端通过可调螺钉连接在铰链架上，能够通过旋转螺钉调节弹簧的张紧程度，控制牵引力度。

胡克铰的定铰链架1与动铰链架7参数完全相同，固定的铰链架称为定铰链架1，???另一个称为动铰链架7；动铰链架上的四根SMA弹簧参数完全相同，定铰链架上的四根SMA弹簧参数完全相同；四个滑轮5的参数完全相同。

室温状态下，八根SMA弹簧3处于拉伸状态，通电加热后刚度系数显著增加，冷却后其刚度系数恢复至初始状态。

定铰链架1或者动铰链架7上的四根SMA弹簧3同时加热、冷却时，在SMA弹簧3的作用下，定铰链架1或者动铰链架7达到受力平衡，驱动关节静止。

若定铰链架1竖直安装，即其两个侧壁圆孔的空间位置成上下关系，当其左侧或者右侧的两根SMA弹簧3同时加热或冷却时，在SMA弹簧3、绳索4和滑轮5的联合作用下，十字轴6做左右转动，带动动铰链架7绕着定铰链架1的侧壁圆孔中心线转动。此时，动铰链架7相对于定铰链架1作关节关节侧摆(yaw)运动。

若定铰链架1竖直安装，即其两个侧壁圆孔的空间位置成上下关系；此时动铰链架7的两个侧壁圆孔的空间位置成左右关系，当动铰链架7的上侧或者下侧的的两根SMA弹簧3同时加热或冷却时，在SMA弹簧3、绳索4、滑轮5和定铰链架1的联合作用下，十字轴静止，动铰链架7绕着其自身的侧壁圆孔中心线转动。此时，动铰链架7相对于定铰链架1作关节俯仰(pitch)运动。