專利名稱：基于形狀記憶合金的十字軸式機(jī)器人驅(qū)動關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動器具有功率/質(zhì)量比大、結(jié)構(gòu)簡單、無噪音、無污染、易于控制等特點(diǎn)，已在許多場合得到應(yīng)用；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近幾年來，基于SMA的機(jī)器人驅(qū)動關(guān)節(jié)也相繼出現(xiàn)。
經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，李明東等在《上海交通大學(xué)學(xué)報》(2001年10月，第33卷第10期，1284-1287頁)上發(fā)表的“形狀記憶合金絲驅(qū)動的仿生轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂”一文中提出了SMA絲驅(qū)動微型關(guān)節(jié)臂，該關(guān)節(jié)臂具有兩個自由度，每個自由度由兩條SMA絲采用差動方式驅(qū)動。該關(guān)節(jié)臂已被應(yīng)用于一種仿蟑螂的六足微機(jī)器人。其不足之處在于由于單根SMA絲的回復(fù)力限制，關(guān)節(jié)的輸出力矩很??；由于結(jié)構(gòu)限制，每個關(guān)節(jié)只有一個轉(zhuǎn)角運(yùn)動。
Safak等在《Robotics and Autonomous Systems》(2002年，第41卷第4期，225-243頁)發(fā)表的”Modeling and simulation of an artificial muscle and its application to biomimetic robotposture control”一文中也提出了一種SMA驅(qū)動的水底行走機(jī)器人關(guān)節(jié)，該驅(qū)動關(guān)節(jié)由滑輪、限位彈簧、關(guān)節(jié)連桿和一對推挽式布置的SMA絲組成，能實(shí)現(xiàn)彎曲-伸展運(yùn)動。Arena等在《INTERNATIONAL JOURNAL OF BIFURCATION AND CHAOS》(2006年，第16卷第1期，39-46頁)上發(fā)表的”A WAVE-BASED CNN GENERATOR FOR THE CONTROL ANDACTUATION OF A LAMPREY-LIKE ROBOT”一文中也提出了類似的驅(qū)動關(guān)節(jié)。兩者都由于結(jié)構(gòu)限制存在自由度少，抗拉強(qiáng)度低的不足。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)自由度少，抗拉強(qiáng)度低的不足，本發(fā)明提供一種基于形狀記憶合金的十字軸式機(jī)器人驅(qū)動關(guān)節(jié)，能夠簡化結(jié)構(gòu)和控制環(huán)節(jié)，減少誤差，提高關(guān)節(jié)自由度和剛度。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是結(jié)構(gòu)主體為胡克鉸機(jī)構(gòu)，由定鉸鏈架1、十字軸6、動鉸鏈架7組成，四個滑輪5分別固接在十字軸6的四個軸肩上，十字軸6的四個軸肩分別套接在定鉸鏈架1、動鉸鏈架7的側(cè)壁圓孔上，四根繩索4分別繞在四個滑輪5上，每根繩索4的兩端分別連接一根SMA彈簧3，SMA彈簧3的另一端連接在其所在一側(cè)的鉸鏈架上。
作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，十字軸6的四個軸肩與定鉸鏈架1、動鉸鏈架7的側(cè)壁圓孔連接處加裝滾動軸承，以減小摩擦。此時，十字軸6的四個軸肩與滾動軸承內(nèi)圈過盈配合，定鉸鏈架1、動鉸鏈架7的側(cè)壁圓孔與滾動軸承外圈過盈配合。
作為本發(fā)明的另一個優(yōu)選方案，SMA彈簧3的一端通過可調(diào)螺釘連接在鉸鏈架上，能夠通過旋轉(zhuǎn)螺釘調(diào)節(jié)彈簧的張緊程度，控制牽引力度。
胡克鉸的兩個鉸鏈架參數(shù)完全相同，固定的鉸鏈架稱為定鉸鏈架1，另一個稱為動鉸鏈架7；動鉸鏈架上的四根SMA彈簧參數(shù)完全相同，定鉸鏈架上的四根SMA彈簧參數(shù)完全相同；四個滑輪5的參數(shù)完全相同。
室溫狀態(tài)下，八根SMA彈簧3處于拉伸狀態(tài)，通電加熱后剛度系數(shù)顯著增加，冷卻后其剛度系數(shù)恢復(fù)至初始狀態(tài)。
定鉸鏈架1或者動鉸鏈架7上的四根SMA彈簧3同時加熱、冷卻時，在SMA彈簧3的作用下，定鉸鏈架1或者動鉸鏈架7達(dá)到受力平衡，驅(qū)動關(guān)節(jié)靜止。
若定鉸鏈架1豎直安裝，即其兩個側(cè)壁圓孔的空間位置成上下關(guān)系，當(dāng)其左側(cè)或者右側(cè)的兩根SMA彈簧3同時加熱或冷卻時，在SMA彈簧3、繩索4和滑輪5的聯(lián)合作用下，十字軸6做左右轉(zhuǎn)動，帶動動鉸鏈架7繞著定鉸鏈架1的側(cè)壁圓孔中心線轉(zhuǎn)動。此時，動鉸鏈架7相對于定鉸鏈架1作關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)側(cè)擺(yaw)運(yùn)動。
若定鉸鏈架1豎直安裝，即其兩個側(cè)壁圓孔的空間位置成上下關(guān)系；此時動鉸鏈架7的兩個側(cè)壁圓孔的空間位置成左右關(guān)系，當(dāng)動鉸鏈架7的上側(cè)或者下側(cè)的的兩根SMA彈簧3同時加熱或冷卻時，在SMA彈簧3、繩索4、滑輪5和定鉸鏈架1的聯(lián)合作用下，十字軸靜止，動鉸鏈架7繞著其自身的側(cè)壁圓孔中心線轉(zhuǎn)動。此時，動鉸鏈架7相對于定鉸鏈架1作關(guān)節(jié)俯仰(pitch)運(yùn)動。
若定鉸鏈架1豎直安裝，即其兩個側(cè)壁圓孔的空間位置成上下關(guān)系，當(dāng)其左側(cè)或右側(cè)的兩根SMA彈簧3以及動鉸鏈架7上側(cè)或下側(cè)的兩根SMA彈簧3同時加熱或冷卻時，在SMA彈簧3、繩索4、滑輪5和定鉸鏈架1的聯(lián)合作用下，十字軸6和動鉸鏈架7繞著定鉸鏈架1側(cè)壁圓孔中心線轉(zhuǎn)動、動鉸鏈架7繞著其自身的側(cè)壁圓孔中心線轉(zhuǎn)動，兩個運(yùn)動同時進(jìn)行，且運(yùn)動解耦。動鉸鏈架7相對于定鉸鏈架1作關(guān)節(jié)側(cè)擺(yaw)運(yùn)動、俯仰(pitch)的復(fù)合運(yùn)動。
本發(fā)明的有益效果是由于采用形狀記憶合金提供關(guān)節(jié)驅(qū)動力，簡化了結(jié)構(gòu)和控制環(huán)節(jié)，減少了誤差；由于采用胡克鉸作為關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的主體框架，本發(fā)明提高了關(guān)節(jié)自由度和剛度；結(jié)合兩者進(jìn)行驅(qū)動關(guān)節(jié)的一體化設(shè)計，提高了機(jī)器人的綜合性能。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。


圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，1-定鉸鏈架，2-螺釘，3-SMA彈簧，4-繩索，5-滑輪，6-十字軸，7-動鉸鏈架。
圖2是本發(fā)明應(yīng)用的四足機(jī)器人的設(shè)計示意圖。
圖3是本發(fā)明應(yīng)用的四足機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)設(shè)計局部放大示意圖。
具體實(shí)施例方式
裝置實(shí)施例參照圖2，以某四足機(jī)器人為例，采用本發(fā)明設(shè)計髖關(guān)節(jié)。四足機(jī)器人對髖關(guān)節(jié)的設(shè)計要求見表1。
表1驅(qū)動關(guān)節(jié)設(shè)計要求

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主體為胡克鉸機(jī)構(gòu)，由定鉸鏈架1、十字軸6、動鉸鏈架7組成，四個滑輪5分別固接在十字軸6的四個軸肩上，十字軸6的四個軸肩分別套接在定鉸鏈架1、動鉸鏈架7的側(cè)壁圓孔上，軸肩與側(cè)壁圓孔連接處加裝滾動軸承，四根繩索4分別繞在四個滑輪5上，每根繩索4的兩端分別連接一根SMA彈簧3，SMA彈簧3的另一端通過可調(diào)螺釘連接在其所在一側(cè)的鉸鏈架上。
本發(fā)明所屬的繩索4采用美國杜邦公司的高強(qiáng)尼龍細(xì)繩，胡克鉸的定鉸鏈架1、十字軸6、動鉸鏈架7材料均采用45#鋼；SMA彈簧提供的動力相當(dāng)于100根美國Dynalloy，Inc.的形狀記憶合金絲，其參數(shù)見表2。設(shè)計得到的驅(qū)動關(guān)節(jié)如圖3所示，其結(jié)構(gòu)尺寸見表3；表2形狀記憶合金參數(shù)

表3驅(qū)動關(guān)節(jié)主要結(jié)構(gòu)尺寸

計算得關(guān)節(jié)最大輸出角位移59.799°、最大輸出力矩60.3216N·m；髖關(guān)節(jié)的工作空間、輸出力矩均滿足四足機(jī)器人運(yùn)動要求。
四足機(jī)器人自重為25kg，載重為30kg，肌肉回復(fù)質(zhì)量(0.33+0.062)×100×2kg，則每個髖關(guān)節(jié)最多能承受(4216.5÷9.8-(0.33+0.062)×100×2)÷(25+30)＝6.4(倍)于四足機(jī)器人自重加載重的負(fù)荷。
實(shí)施例結(jié)果表明，對比電機(jī)、液壓氣動等提供動力的機(jī)器人關(guān)節(jié)，本發(fā)明采用形狀記憶合金提供動力，提高了功率/質(zhì)量比，且結(jié)構(gòu)簡單，控制方便；對比現(xiàn)有的形狀記憶合金驅(qū)動的機(jī)器人關(guān)節(jié)，本發(fā)明在保證驅(qū)動關(guān)節(jié)剛度的前提下，提高了自由度、關(guān)節(jié)輸出力矩和角位移。
權(quán)利要求
1.基于形狀記憶合金的十字軸式機(jī)器人驅(qū)動關(guān)節(jié)，包括由定鉸鏈架(1)、十字軸(6)、動鉸鏈架(7)組成的胡克鉸機(jī)構(gòu)，其特征在于四個滑輪(5)分別固接在十字軸(6)的四個軸肩上，十字軸(6)的四個軸肩分別套接在定鉸鏈架(1)、動鉸鏈架(7)的側(cè)壁圓孔上，四根繩索(4)分別繞在四個滑輪(5)上，每根繩索(4)的兩端分別連接一根SMA彈簧(3)，SMA彈簧(3)的另一端連接在其所在一側(cè)的鉸鏈架上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金的十字軸式機(jī)器人驅(qū)動關(guān)節(jié)，其特征在于所述的十字軸(6)的四個軸肩與定鉸鏈架(1)、動鉸鏈架(7)的側(cè)壁圓孔連接處加裝滾動軸承，十字軸(6)的四個軸肩與滾動軸承內(nèi)圈過盈配合，定鉸鏈架(1)、動鉸鏈架(7)的側(cè)壁圓孔與滾動軸承外圈過盈配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金的十字軸式機(jī)器人驅(qū)動關(guān)節(jié)，其特征在于所述的SMA彈簧(3)的一端通過可調(diào)螺釘(2)連接在鉸鏈架上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金的十字軸式機(jī)器人驅(qū)動關(guān)節(jié)，其特征在于所述兩個鉸鏈架參數(shù)完全相同；動鉸鏈架(7)上的四根SMA彈簧(3)參數(shù)完全相同，定鉸鏈架(1)上的四根SMA彈簧(3)參數(shù)完全相同；四個滑輪(5)的參數(shù)完全相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于形狀記憶合金的十字軸式機(jī)器人驅(qū)動關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)主體為胡克鉸機(jī)構(gòu)，由定鉸鏈架1、十字軸6、動鉸鏈架7組成，四個滑輪5分別固接在十字軸6的四個軸肩上，十字軸6的四個軸肩分別套接在定鉸鏈架1、動鉸鏈架7的側(cè)壁圓孔上，四根繩索4分別繞在四個滑輪5上，每根繩索4的兩端分別連接一根SMA彈簧3，SMA彈簧3的另一端連接在其所在一側(cè)的鉸鏈架上。本發(fā)明簡化了結(jié)構(gòu)和控制環(huán)節(jié)，減少了誤差，提高了關(guān)節(jié)自由度和剛度，提高了機(jī)器人的綜合性能。
文檔編號B25J17/00GK101053956SQ20071001792
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者應(yīng)申舜, 秦現(xiàn)生 申請人:西北工業(yè)大學(xué)