專利名稱：Sma絲差動驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種SMA絲差動驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂，可用于機(jī)器人中，也可用于人工假肢中，屬于機(jī)械工程類機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂廣泛用于機(jī)器人和人工假肢中，現(xiàn)有SMA絲驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂存在如下問題一是普遍采用SMA絲主動，普通彈簧偏動的驅(qū)動方式(稱之為SMA偏動驅(qū)動方式)，這種驅(qū)動方式在普通彈簧收縮，關(guān)節(jié)臂的小臂向普通彈簧一側(cè)擺動時，很難實現(xiàn)主動控制，偏動方式不符合仿生學(xué)原理，在動物轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂中，小臂向正反兩個方向的運(yùn)動都是可以主動控制的，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂實現(xiàn)兩個方向的主動控制是機(jī)器人和人工假肢所追求的目標(biāo)；二是結(jié)構(gòu)不緊湊，微小型化困難；三是SMA絲的布置方式不合理，所布置的SMA絲長度不足，SMA絲的可恢復(fù)變形量往往不能滿足轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂輸出角位移的要求。對于在有限活動空間中工作的微小型轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂這種不足尤顯突出。
本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，設(shè)計開發(fā)一種結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂，使之小臂向正反兩個方向都可主動運(yùn)動(稱之為SMA差動驅(qū)動方式)，并能滿足輸出角位移的需要。
為實現(xiàn)這樣的目的，本實用新型在設(shè)計中采用了一種臂面導(dǎo)向支撐滑輪和關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪，在臂面導(dǎo)向支撐滑輪和關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪的輔助下，采用新型的SMA絲盤繞方式，來增大SMA絲的長度，滿足大輸出角位移的要求。SMA絲與大、小臂平行并緊貼在它們的體表布置，使轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂的結(jié)構(gòu)緊湊。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂包括一個大臂和一個小臂，大臂和小臂用一個關(guān)節(jié)軸和軸承連接。在分別與關(guān)節(jié)軸軸線平行和垂直的兩對大臂臂面和兩對小臂臂面上，安裝有四對臂面導(dǎo)向支撐滑輪。大臂和小臂上還分別各安裝一對SMA絲夾頭，兩條SMA絲各以不同的方式繞過關(guān)節(jié)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂的差動驅(qū)動。
為更好地理解本實用新型的技術(shù)方案，
以下結(jié)合附圖，詳細(xì)闡述臂面導(dǎo)向支撐滑輪和關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪的作用及轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂SMA絲的盤繞方式。


圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)的正視示意圖。
圖2為
圖1所示結(jié)構(gòu)的俯視圖。
如
圖1所示，本實用新型的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂主要包括大臂1和小臂7，在大臂1的與關(guān)節(jié)軸軸線平行的兩個外表面上，安裝有一對臂面導(dǎo)向支撐滑輪2和13，二者對心安裝，以與關(guān)節(jié)軸軸線垂直的滑輪支撐軸3為中心定位；在小臂7的與關(guān)節(jié)軸軸線平行的兩個外表面上，安裝有一對臂面導(dǎo)向支撐滑輪5和10，二者偏心安裝，分別以與關(guān)節(jié)軸軸線垂直的滑輪支撐軸6和11為中心定位。小臂7上有一對SMA絲夾頭8和9，SMA絲4和12繞在滑輪上。臂面導(dǎo)向支撐滑輪5和10偏心安裝可以從結(jié)構(gòu)上保證兩根SMA絲不干涉、不發(fā)生電接觸。
在圖2中可以看到，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂的大臂1和小臂7通過關(guān)節(jié)軸21和軸承22相連，在大臂1的端部有一對SMA絲夾頭14和25。在大臂1的與關(guān)節(jié)軸軸線垂直的兩個外表面上，安裝有一對臂面導(dǎo)向支撐滑輪15和24，二者偏心安裝，分別以與關(guān)節(jié)軸軸線平行的滑輪支撐軸26和23為中心定位。在小臂7的與關(guān)節(jié)軸軸線垂直的兩個外表面上，安裝有一對臂面導(dǎo)向支撐滑輪17和18，二者對心安裝，以與關(guān)節(jié)軸軸線平行的滑輪支撐軸19為中心定位。臂面導(dǎo)向支撐滑輪15和24偏心安裝可以從結(jié)構(gòu)上保證兩根SMA絲不干涉、不發(fā)生電接觸。大臂1和小臂7的連接點安裝有關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪16和20。
本實用新型的結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂由大臂1和小臂7通過關(guān)節(jié)軸21和軸承22裝配而成，SMA絲4和SMA絲12為驅(qū)動元件，驅(qū)動小臂7上下動作，臂面導(dǎo)向支撐滑輪2、5、10、13、15、17、18、24輔助SMA絲改變盤繞方向和所附著的臂面，增大SMA絲的盤繞長度。滑輪支撐軸3、6、11、19、23、26可提高滑輪承受拉力的能力。以SMA絲12為例，它的一端通過夾頭8固定在小臂上，通過繞過固定在同一臂面(小臂上臂面)上的臂面導(dǎo)向支撐滑輪5改變在小臂上臂面上的布置方向，通過繞過固定在相鄰臂面(小臂側(cè)臂面)上的臂面導(dǎo)向支撐滑輪17將SMA絲布置到相鄰臂面(小臂側(cè)臂面)上，并改變方向。它的另一端通過夾頭25固定在大臂上，通過繞過固定在同一臂面(大臂側(cè)臂面)上的臂面導(dǎo)向支撐滑輪24改變在大臂側(cè)臂面上的布置方向，通過繞過固定在相鄰臂面(大臂下臂面)上的臂面導(dǎo)向支撐滑輪13將SMA絲布置到相鄰臂面(大臂下臂面)上，并改變方向。除在關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪處外，SMA絲4的盤繞方式與SMA絲12類似。
關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪16和20有兩個作用一是輔助SMA絲改變盤繞方向和附著臂，增大SMA絲的盤繞長度；二是將SMA絲的軸向變形轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂的角位移。兩根SMA絲的一端固定并附著在關(guān)節(jié)臂的大臂1上，另一端分別繞過關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪16和20，改變盤繞方向后，固定并附著在關(guān)節(jié)臂的小臂7上。SMA絲同時附著在關(guān)節(jié)臂的大臂和小臂上，增大了SMA絲的長度。SMA絲4的一端固定在關(guān)節(jié)臂的大臂上，另一端從關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪20的上面繞過關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪20后沿小臂表面布置，最后固定在小臂上，SMA絲收縮時，驅(qū)動小臂向上運(yùn)動；SMA絲12的一端固定在關(guān)節(jié)臂的大臂上，另一端從關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪16的下方向前、向上、向后、再向下，繞關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪16一圈，然后沿小臂表面布置，最后固定在小臂上，SMA絲收縮時，驅(qū)動小臂向下運(yùn)動。這種SMA絲盤繞方式實現(xiàn)了兩根SMA絲對轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂的差動驅(qū)動。
四對臂面導(dǎo)向支撐滑輪為SMA絲起導(dǎo)向和支撐的作用。滑輪中導(dǎo)向槽的大小應(yīng)保證能容納一根SMA絲，并保證SMA絲不會從導(dǎo)向槽中脫出。在保證導(dǎo)向槽的兩翼有足夠強(qiáng)度的前提下，滑輪不宜太厚，以免增大滑輪的重量和體積?；嗇^薄時，導(dǎo)向槽的截面形狀可以是弧形或梯形，滑輪較厚時，其導(dǎo)向槽的截面形狀一般為直角四邊形。確定滑輪槽的回轉(zhuǎn)半徑時應(yīng)綜合考慮如下因素滑輪槽的回轉(zhuǎn)半徑大，SMA絲盤繞半徑大，SMA絲的彎曲應(yīng)力就小，SMA絲的使用壽命就長。但滑輪槽的回轉(zhuǎn)半徑大，滑輪大，一只滑輪在關(guān)節(jié)臂上所占據(jù)的面積越大，關(guān)節(jié)臂上可能容納的滑輪的數(shù)量就少，SMA絲的盤繞次數(shù)就少，SMA絲的長度就可能有限。當(dāng)滑輪直徑足夠大時，可采用將滑輪粘接在關(guān)節(jié)臂上的方式固定滑輪，這時滑輪與關(guān)節(jié)臂之間的粘接力即可承受SMA絲對滑輪的拉力。當(dāng)滑輪直徑不夠大時，滑輪與關(guān)節(jié)臂之間的粘接力不能承受SMA絲對滑輪的拉力，可以在滑輪的中間打一個小孔，把一根滑輪支撐軸穿過滑輪的小孔后固定在關(guān)節(jié)臂上，用滑輪支撐軸提高滑輪承受拉力的能力。
滑輪與關(guān)節(jié)臂之間固定連接，SMA絲與滑輪之間為滑動接觸。
關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪的結(jié)構(gòu)與臂面導(dǎo)向支撐滑輪的結(jié)構(gòu)相同，關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪槽的回轉(zhuǎn)半徑?jīng)Q定了轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂將SMA絲的軸向變形轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂的角位移的能力。關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪槽的回轉(zhuǎn)半徑越小，相同的SMA絲的軸向變形下所獲得的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂的角位移越大，但依靠減小關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪槽的回轉(zhuǎn)半徑來獲得較大的輸出角位移是以犧牲轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂輸出力為代價的。
下面是本實用新型的一個實施例一個兩自由度的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂，用于一個12自由度的仿蟑螂式六足機(jī)器人中。驅(qū)動小臂上下擺動的兩根SMA絲各通過一個關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪和兩個臂面導(dǎo)向支撐滑輪平行附著在大臂的上臂面和小臂的上下、前后四個臂面上。驅(qū)動大臂前后擺動的兩根SMA絲各通過一個關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪和三個臂面導(dǎo)向支撐滑輪平行附著在機(jī)器人脊椎的上下表面和大臂的前后兩個臂面上。利用這種SMA絲盤繞方式，在保持機(jī)器人整體尺寸只有25mm*25mm*25mm的條件下，驅(qū)動小臂的兩根SMA絲的長度分別達(dá)到70mm和65mm，驅(qū)動大臂的兩根SMA絲的長度達(dá)到53mm。髖關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪槽和膝關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪槽的回轉(zhuǎn)半徑都為1.2mm。所有臂面導(dǎo)向支撐滑輪槽的回轉(zhuǎn)半徑都為1.2mm。實驗表明，機(jī)器人運(yùn)動過程中，小臂上下擺動和大臂前后擺動的幅度都超過了45°。
本實用新型的結(jié)構(gòu)有著明顯的優(yōu)點，利用導(dǎo)向支撐滑輪改變SMA絲的盤繞方向和盤繞臂面，實現(xiàn)了SMA絲在關(guān)節(jié)臂多個臂面上多股排列，有效的增大了SMA絲的長度。SMA絲平行緊貼在關(guān)節(jié)臂的各個臂面上布置，使得整個關(guān)節(jié)臂結(jié)構(gòu)緊湊，幾乎不占用額外的空間，利于關(guān)節(jié)臂的微小型化，也減小了關(guān)節(jié)臂之間干涉的可能性。
權(quán)利要求1.一種SMA絲差動驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂，大臂1和小臂7通過關(guān)節(jié)軸21和軸承22相連，其特征在于大臂1與關(guān)節(jié)軸21軸線平行的兩個外表面上，對心安裝有一對臂面導(dǎo)向支撐滑輪2和13，與關(guān)節(jié)軸21軸線垂直的兩個外表面上，偏心安裝有一對臂面導(dǎo)向支撐滑輪15和24；小臂7與關(guān)節(jié)軸21軸線平行的兩個外表面上，偏心安裝有一對臂面導(dǎo)向支撐滑輪5和10，與關(guān)節(jié)軸軸線垂直的兩個外表面上，對心安裝有一對臂面導(dǎo)向支撐滑輪17和18；大臂1和小臂7的連接點安裝有關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪16和20，大臂1上有一對SMA絲夾頭14和25，小臂7上有一對SMA絲夾頭8和9，SMA絲4和12的兩端分別用夾頭固定在大臂1和小臂7上，并通過滑輪改變盤繞方向和附著臂。
2.如權(quán)利要求1所說的SMA絲差動驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂，其特征在于大臂1上對心安裝的一對臂面導(dǎo)向支撐滑輪2和13，以與關(guān)節(jié)軸21軸線垂直的滑輪支撐軸3為中心定位，偏心安裝的一對臂面導(dǎo)向支撐滑輪15和24，分別以與關(guān)節(jié)軸21軸線平行的滑輪支撐軸26和23為中心定位，小臂7上偏心安裝的一對臂面導(dǎo)向支撐滑輪5和10，分別以與關(guān)節(jié)軸21軸線垂直的滑輪支撐軸6和11為中心定位，對心安裝的一對臂面導(dǎo)向支撐滑輪17和18，以與關(guān)節(jié)軸21軸線平行的滑輪支撐軸19為中心定位。
3.如權(quán)利要求1所說的SMA絲差動驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂，其特征在于關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪16、20與大臂1之間固定連接，SMA絲與關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪16、20之間為滑動接觸，四對臂面導(dǎo)向支撐滑輪與關(guān)節(jié)臂之間固定連接，SMA絲與臂面導(dǎo)向支撐滑輪之間為滑動接觸。
專利摘要一種SMA絲差動驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂,在與關(guān)節(jié)軸軸線平行和垂直的兩對大臂臂面和兩對小臂臂面上,分別對心安裝和偏心安裝有四對臂面導(dǎo)向支撐滑輪,大臂和小臂上分別安裝一對SMA絲夾頭,兩條SMA絲各以不同的方式繞過關(guān)節(jié)導(dǎo)向支撐滑輪,實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂的差動驅(qū)動;在臂面導(dǎo)向支撐滑輪的輔助下,采用新型的SMA絲盤繞方式,增大SMA絲的長度,滿足大輸出角位移的要求,結(jié)構(gòu)緊湊,輕巧,利于微小型化,也減小了關(guān)節(jié)臂之間干涉的可能性。
文檔編號B25J18/04GK2389046SQ9923980
公開日2000年7月26日 申請日期1999年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月30日
發(fā)明者李明東 申請人:上海交通大學(xué)