CN101053956A - 基于形状记忆合金的十字轴式机器人驱动关节 - Google Patents

基于形状记忆合金的十字轴式机器人驱动关节 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金的十字轴式机器人驱动关节，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。本发明简化了结构和控制环节，减少了误差，提高了关节自由度和刚度，提高了机器人的综合性能。

Description

基于形状记忆合金的十字轴式机器人驱动关节
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。
胡克铰的两个铰链架参数完全相同，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。
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，当其左侧或右侧的两根SMA弹簧3以及动铰链架7上侧或下侧的两根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6和动铰链架7绕着定铰链架1侧壁圆孔中心线转动、动铰链架7绕着其自身的侧壁圆孔中心线转动，两个运动同时进行，且运动解耦。动铰链架7相对于定铰链架1作关节侧摆(yaw)运动、俯仰(pitch)的复合运动。
本发明的有益效果是：由于采用形状记忆合金提供关节驱动力，简化了结构和控制环节，减少了误差；由于采用胡克铰作为关节结构的主体框架，本发明提高了关节自由度和刚度；结合两者进行驱动关节的一体化设计，提高了机器人的综合性能。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图，
图中，1-定铰链架，2-螺钉，3-SMA弹簧，4-绳索，5-滑轮，6-十字轴，7-动铰链架。
图2是本发明应用的四足机器人的设计示意图。
图3是本发明应用的四足机器人的髋关节设计局部放大示意图。
具体实施方式
装置实施例：参照图2，以某四足机器人为例，采用本发明设计髋关节。四足机器人对髋关节的设计要求见表1。
                            表1驱动关节设计要求
  单自由度角位移/°   输出力矩/N·m   载重能力/kg   机器人自重/kg   结构尺寸L/mm
  -60～60   30～60   25～40   25～30   L≤150
本发明的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，轴肩与侧壁圆孔连接处加装滚动轴承，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的另一端通过可调螺钉连接在其所在一侧的铰链架上。
本发明所属的绳索4采用美国杜邦公司的高强尼龙细绳，胡克铰的定铰链架1、十字轴6、动铰链架7材料均采用45#钢；SMA弹簧提供的动力相当于100根美国Dynalloy，Inc.的形状记忆合金丝，其参数见表2。设计得到的驱动关节如图3所示，其结构尺寸见表3；
                      表2形状记忆合金参数
  直径/μm   横截面积/μm2   肌肉最大回复重量/kg   张紧状态回复重量/kg   松弛状态回复重量/kg   杨氏模量Ea/GPa
  150   17700   1.056   0.33   0.062   48
        表3驱动关节主要结构尺寸
  L/mm   r/mm   d/mm   h1/mm   h2/mm
  148.2   7.1   32   38   66
计算得关节最大输出角位移59.799°、最大输出力矩60.3216N·m；髋关节的工作空间、输出力矩均满足四足机器人运动要求。
四足机器人自重为25kg，载重为30kg，肌肉回复质量(0.33+0.062)×100×2kg，则每个髋关节最多能承受(4216.5÷9.8-(0.33+0.062)×100×2)÷(25+30)＝6.4(倍)于四足机器人自重加载重的负荷。
实施例结果表明，对比电机、液压气动等提供动力的机器人关节，本发明采用形状记忆合金提供动力，提高了功率/质量比，且结构简单，控制方便；对比现有的形状记忆合金驱动的机器人关节，本发明在保证驱动关节刚度的前提下，提高了自由度、关节输出力矩和角位移。

Claims (4)

1、基于形状记忆合金的十字轴式机器人驱动关节，包括由定铰链架(1)、十字轴(6)、动铰链架(7)组成的胡克铰机构，其特征在于：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。
2、根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的十字轴式机器人驱动关节，其特征在于：
所述的十字轴(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，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。
3、根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的十字轴式机器人驱动关节，其特征在于：
所述的SMA弹簧(3)的一端通过可调螺钉(2)连接在铰链架上。
4、根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的十字轴式机器人驱动关节，其特征在于：
所述两个铰链架参数完全相同；动铰链架(7)上的四根SMA弹簧(3)参数完全相同，定铰链架(1)上的四根SMA弹簧(3)参数完全相同；四个滑轮(5)的参数完全相同。
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