CN103934830B - 一种基于智能材料直线驱动的多自由度机械臂关节 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于智能材料直线驱动的多自由度机械臂关节，在信号的激励下，SMA驱动丝拉动移动滑块进而带动对开叉运动拉动关节连接架的转动，实现关节连接架以肩端支撑为中心绕垂直平面进行摆动；在上一个关节驱动位置处，由SMA驱动丝拉动移动滑块进而拉动对开叉的转动，带动关节连接架以关节连接架垂直板侧的轴孔为中心绕水平面进行摆动；在前两个关节驱动位置处，关节连接架上的SMA驱动丝驱动移动滑块带动对开叉绕关节连接架的外侧轴孔转动，从而驱动轴向关节连接架的沿轴线方向进行转动，最终实现机械臂关节的多自由度运动。本发明采用SMA丝可直接实现动力驱动的直线输出，改变传统电机轴向驱动使用中间机构引起的能耗及噪声的缺陷。

Description

一种基于智能材料直线驱动的多自由度机械臂关节

技术领域

本发明涉及的是一种机器人，具体地说是机械臂。

背景技术

目前，伴随工业文明的进步，自动化的工业流水线成为工业文明的重要象征，在工业文明的背后，工业机械手扮演着越来越重要的角色，现阶段，国内外相关学者对工业机械手进行了广泛深入的理论探索及应用研究，并成功地在多方面取得了较为显著的进展。一方面，工业机械手可以取代人力劳动，提高工业产值；另一方面，一些微型机械手在医疗、机器人制造领域具有重要应用潜能，所以工业机械手的研究一直受到各国专家学者的关注。当前，工业机械手的设计中普遍采用电机进行驱动，由于电机驱动是一种轴向动力输出形式，故需要一种中间机构实行其动力的转化，来实现轴向力矩的直线输出，这种设计思路增加机械手的重量，增大了其工作能耗，同时，不可避免的存在工作噪声的缺陷，是制约现阶段工业机械手发展的关键问题；形状记忆金属(SMA)是一种新型的电制动智能材料，在电激励下能够提供较大输出力，与电机驱动不同，SMA可以直接实现力的线性输出，这种驱动方式去除了中间机构的设计，相对于电机传动来说是一种显著的创新，然而，当前利用SMA材料应用于机械手的开发研究较少，主要集中于微小型器件的研究阶段，而且均未涉及机械手多自由度的开发。为了拓宽SMA材料的多自由度机械手领域的应用，同时，克服传统中间机构传动的直线输出的局限性，因此，基于SMA智能材料设计一种直线驱动、多自由度机械手结构，具有重要的研究价值。

发明内容

本发明的目的在于提供简化结构、绿色的一种基于智能材料直线驱动的多自由度机械臂关节。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于智能材料直线驱动的多自由度机械臂关节，其特征是：包括平面垂直驱动关节、平面水平驱动关节、平面圆周驱动关节；平面垂直驱动关节包括肩端支撑、第一驱动单元，第一驱动单元包括SMA驱动丝、对开叉、关节连接架、移动滑块，肩端支撑上安装滑动轴，SMA驱动丝和移动滑块安装在滑动轴上，SMA驱动丝驱动移动滑块沿滑动轴移动，对开叉第一端连接移动滑块，关节连接架包括连接端、连接板、支撑板，连接端上设置前端轴孔、后端轴孔，支撑板安装在连接端的两侧，连接板与一侧的支撑板相连，前端轴孔通过第一轴与肩端支撑装配，后端轴孔通过第二轴与对开叉第二端装配；平面水平驱动关节包括关节连接支架、第二驱动单元，第二驱动单元与第一驱动单元结构相同，第二驱动单元的滑动轴安装在第一驱动单元的支撑板上，第二驱动单元的关节连接架的支撑板处设置凸台轴孔，第一驱动单元的连接板上的轴孔通过第三轴与第二驱动单元的关节连接架的前端轴孔装配；平面圆周驱动关节包括第三驱动单元，第三驱动单元的结构域第一驱动单元的结构相同，第二驱动单元的凸台轴孔通过第四轴与第三驱动单元的关节连接架装配，第三驱动单元的滑动轴安装在第三驱动单元的关节连接架上。

本发明还可以包括：

1、所述的对开叉的两端为U型叉，对开叉的中部为直线型，两端的U型叉通过中部的直线型相连，两端的U型叉开口方向相反。

2、平面垂直驱动关节、平面水平驱动关节、平面圆周驱动关节的滑动轴均为四根。

本发明的优势在于：本发明改变传统电机轴向驱动使用中间机构引起的能耗及噪声的缺陷，采用SMA丝可直接实现动力驱动的直线输出；拓宽SMA材料的多自由度机械手领域的应用，增加其在实践应用中的使用价值；采用SMA智能材料，使得机械关节的设计具有复合绿色节能的设计理念；采用了多自由度设计，使得机械手可以满足各个空间要求，较传统机械手明显提高其运动的灵活性；方便安装与维护，造价成本低。

附图说明

图1a是平面垂直驱动关节I主视图，图1b是平面垂直驱动关节I俯视图；

图2a是对开叉零件图a，图2b是对开叉零件图b；

图3a是关节连接架零件图a，图3b是关节连接架零件图b，图3c是关节连接架零件图c；

图4a是平面水平驱动关节II主视图，图4b是平面水平驱动关节II俯视图；

图5a是关节连接支架零件图a，图5b是关节连接支架零件图b，图5c是关节连接支架零件图c；

图6a是平面圆周驱动关节III主视图，图6b是平面圆周驱动关节III俯视图；

图7a是轴向关节连接架零件图a，图7b是轴向关节连接架零件图b，图7c是轴向关节连接架零件图c；

图8：是多自由度机械臂关节的结构示意图；

图9：是多自由度机械臂关节的结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～9，本发明结构主要包括平面垂直驱动关节I、平面水平驱动关节II、平面圆周驱动关节III三部分，通过三部分组合装配，获得一种多自由度的机械臂关节结构。主要通过平面垂直驱动关节I与平面水平驱动关节II、平面水平驱动关节II与平面圆周驱动关节III相互组合关系实现的，即I+I+II组合结构，平面垂直驱动关节I与平面水平驱动关节II通过关节连接架12及20装配连接，平面水平驱动关节II与平面圆周驱动关节III通过关节连接架31及37装配连接；机械臂端侧利用肩端支撑2作为装配的始端，肩端支撑2采用4个螺栓连接有四根滑动轴5，其一端连接SMA驱动丝6，另一端连接移动滑块3，移动滑块3中心被四根滑动轴5穿过，外侧连接于对开叉7一端，对开叉7一端连接移动滑块3，另一端连接关节连接架12，关节连接架12的前端轴孔与肩端支撑2垂直方向的支撑板轴孔通过轴9进行装配，后端则通过轴10装配连接于对开叉7的另一端，其垂直于底板的连接板19上轴孔通过轴25与关节连接架31的前段轴孔装配，关节连接架12旁侧的两垂直支撑板18上通过4个螺栓固定四根滑动轴21，端侧处连接SMA驱动丝，另一端连接移动滑块22，移动滑块22中心被四根滑动轴21穿过，移动滑块22两侧装配于对开叉23一端，对开叉23的另一端通过轴28装配连接于关节连接架31的内侧轴孔处，在端侧支撑板处凸台轴孔34通过轴32装配连接于轴向关节连接架38，关节连接架31的端侧装配有SMA驱动丝41一端连接于支撑板上，另一端连接于被四根滑块轴42贯穿的移动滑块40上，移动滑块40外侧连接对开叉39的一端，另一端通过轴36装配连接于轴向关节连接架38的内侧轴孔。

在信号的激励下，SMA驱动丝6拉动移动滑块3的直线运动，进而带动对开叉7运动拉动关节连接架12的转动，通过传递实现关节连接架12以肩端支撑2为中心绕垂直平面进行摆动；在上一个关节驱动位置处，由SMA驱动丝拉动移动滑块22直线运动，进而拉动对开叉23的转动，带动关节连接架31以关节连接架12垂直板侧的轴孔为中心绕水平面进行摆动；在前两个关节驱动位置处，关节连接架20上的SMA驱动丝41驱动移动滑块42的直线运动，带动对开叉39绕关节连接架37的外侧轴孔转动，从而驱动轴向关节连接架38的沿轴线方向进行转动，最终实现机械臂关节的多自由度运动。

结合图1～3，平面垂直驱动关节I主要由肩端支撑2、移动滑块3、轴承4与11、滑动轴5、SMA驱动丝6、对开叉7、轴8、9与10、关节连接架12、关节1、开口销13、轴孔14及15、对称肋板16、螺栓孔17、支撑板18、连接板19组成。图2中，对开叉7两端为U型叉相连接，两个U型叉头各自有一对连通轴的轴孔，分别移动滑块3内侧通过轴8连接；考虑到其连接力的变化且保证装配刚度，从一端至另一端的宽度依次增加。肩端支撑2为两个U型架垂直连接，在前端部分的支撑板上均布4个螺栓孔17，用于装配滑动轴5，在垂直方向的支撑板上开有一对轴孔，用于连接关节连接架12的一端。图3中，关节连接架12俯视图为一个L字形的连接板结构，一端通过底板与平行板及端侧支撑板焊接而成，平行板对称开有两对轴孔，端侧轴孔开有凸台，减小运动摩擦热损耗，另一端连接垂直于底板结构垂直的连接板19，板上对称开有一对与关节连接架31连接轴孔，其旁侧与两垂直支撑板18的一端连接，两板上端对称开有4个螺栓孔17，两垂直支撑板中间采用对称肋板16固定支撑；连接板19的作用是作为后端驱动关节装配始端；关节连接架12可实现两个不同运动方位的力及运动传递。平面垂直驱动关节I的详细配合关系：肩端支撑2的装配四根滑动轴5，通过四个螺栓孔17固定于肩端支撑2，多根SMA丝6作为动力部件，一端固定在肩端支撑2，另一端通过四根滑动轴5穿越移动滑块3相连接，在移动滑块3的外侧，对开叉7一端连接移动滑块3，另一端通过两对连接轴10与装配有轴承11及开口销13的关节连接架12相连，装配有轴承4关节连接架12的前端凸台轴孔通过一对连接轴9连接于肩端支撑2上，而连接板19则作为下个关节的连接始端；平面水平驱动关节I的主要作用是将直线驱动转化为平面垂直方向的运动输出。

具体工作原理：

当施加电激励信号时，SMA驱动丝6受热收缩，拉动滑动轴5的移动滑块3进行直线驱动，作用力经由轴9输出，拉动对开叉7作为输出传递部件拉动关节连接架12一端绕肩端支撑2进行转动，使得直线运动转化为周向摆动，最终实现后端关节绕前段关节平面垂直驱动的目的。

结合图4与5，平面水平驱动关节II主要由关节连接架20及31、滑动轴21、移动滑块22、对开叉23、轴承24、29及30、轴25、28及32、对开销26及33、凸台轴孔34组成。关节连接架20与上个关节的关节连接架12为同一部件，其结构见关节连接架12的介绍，而关节连接架31在端侧支撑板处开有凸台轴孔34，其作用是与下级驱动关节的轴向关节连接架38端侧轴孔装配；对开销的作用是防止传动时产生振动，使得连接轴松动脱落。关节连接架20上通过4个螺栓孔对称装配4根滑动轴21，贯穿内部通孔的移动滑块22，移动滑块22的外侧两端与对开叉23的一端相连接，另一端轴孔连接轴承29，通过轴20及对开销与关节连接架31的中端轴孔装配连接，前段凸台轴孔通过轴25及对开销26与装配有轴承24的关节连接架31的前端轴孔装配连接，在关节连接架31垂直方向的凸台轴孔34连接有轴承30，通过轴30及对开销33与下级驱动关节的轴向关节连接架38的端侧轴孔装配连接；平面水平驱动关节II的主要作用是将直线驱动转化为平面水平方向的运动输出。

具体工作原理：

在施加激励信号时，固定在关节连接架20一端的SMA驱动丝收缩，拉动移动滑块22端侧连接的对开叉23的运动，使得其另一端连接的关节连接架31绕着其端侧轴孔进行周向运动，最终实现后端关节绕前端关节在前端关节平面垂直运动的基础上进行2自由度的平面水平运动。

结合图5与6，平面圆周驱动关节III主要由关节连接架37、轴向关节连接架38、对开叉39、移动滑块40、SMA驱动丝41、滑动轴42、对开销35与43、轴36、44、轴承45、连接板46组成。关节连接架37与关节与关节连接架31为同一个零件，其结构见关节连接架31的介绍；轴向关节连接架38是一个E字型板按照不同的间距焊接，在伸出板的外侧两板间开有两对轴孔，外侧轴孔用于连接对开叉39，内侧轴孔用于连接关节连接架31，在E字板的另一侧焊接水平连接板46，作用是连接下一级部件或作为输出支撑板。SMA驱动丝一端连接于关节连接架37，其支撑板上端4个螺栓孔内装配有4根滑动轴42，移动滑块40中心被其贯穿，移动滑块40外侧通过轴连接对开叉39的一端，另一端轴孔内装配有轴承45并采用轴36及对开销35装配于轴向关节连接架38的内侧轴孔，轴向关节连接架38的另一端则经由轴44及对开销43装配于关节连接架37的端侧支撑板处凸台轴孔34处，作为轴向关节连接架38的旋转支撑；平面圆周驱动关节III的作用是将直线驱动转化为轴向转动驱动的方式输出。

具体工作原理：

当施加电激励信号时，SMA驱动丝41受热收缩，拉动滑动轴42上的移动滑块40，通过连接轴将作用力传递给对开叉39的一端，通过对开叉39的另一端与轴向关节连接架38直接的轴36的连接作用，驱动轴向关节连接架38绕前端轴孔进行轴向旋转运动，最终实现后端关节绕前端关节在前端关节平面在水平周向上进行多自由度的周向水平运动。

Claims (3)

1.一种基于智能材料直线驱动的多自由度机械臂关节，其特征是：包括平面垂直驱动关节、平面水平驱动关节、平面圆周驱动关节；平面垂直驱动关节包括肩端支撑、第一驱动单元，第一驱动单元包括SMA驱动丝、对开叉、关节连接架、移动滑块，肩端支撑上安装滑动轴，SMA驱动丝和移动滑块安装在滑动轴上，SMA驱动丝驱动移动滑块沿滑动轴移动，对开叉第一端连接移动滑块，关节连接架包括连接端、连接板、支撑板，连接端上设置前端轴孔、后端轴孔，支撑板安装在连接端的两侧，连接板与一侧的支撑板相连，前端轴孔通过第一轴与肩端支撑装配，后端轴孔通过第二轴与对开叉第二端装配；平面水平驱动关节包括关节连接支架、第二驱动单元，第二驱动单元与第一驱动单元结构相同，第二驱动单元的滑动轴安装在第一驱动单元的支撑板上，第二驱动单元的关节连接架的支撑板处设置凸台轴孔，第一驱动单元的连接板上的轴孔通过第三轴与第二驱动单元的关节连接架的前端轴孔装配；平面圆周驱动关节包括第三驱动单元，第三驱动单元的结构与第一驱动单元的结构相同，第二驱动单元的凸台轴孔通过第四轴与第三驱动单元的关节连接架装配，第三驱动单元的滑动轴安装在第三驱动单元的关节连接架上。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能材料直线驱动的多自由度机械臂关节，其特征是：所述的对开叉的两端为U型叉，对开叉的中部为直线型，两端的U型叉通过直线型的中部相连，两端的U型叉开口方向相反。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于智能材料直线驱动的多自由度机械臂关节，其特征是：平面垂直驱动关节、平面水平驱动关节、平面圆周驱动关节的滑动轴均为四根。