CN105305878A

CN105305878A - 一种记忆合金驱动多轴舵机

Info

Publication number: CN105305878A
Application number: CN201510869608.2A
Authority: CN
Inventors: 徐科; 王磊
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2016-02-03

Abstract

本发明涉及一种记忆合金驱动多轴舵机,该舵机使用多个电致伸缩记忆合金驱动器组成的并联机构（Parallel？Mechanism）驱动，可以同时产生两个或以上方向的角位移和转动力矩。相比于现有只能产生一个方向转动的传统舵机，具有更高的灵活性。该发明属于一种机械驱动装置，可以应用于机器人关节驱动器、摄像机云台、3D打印等需要高灵活性运动机构的领域。

Description

一种记忆合金驱动多轴舵机

技术领域

本发明涉及一种记忆合金驱动多轴舵机，可以同时产生两个或三个方向的角位移和转动力矩，属于一种机械驱动装置。

背景技术

现有舵机使用电磁马达驱动，经过减速器产生单一方向的角位移和转动力矩，可以驱动机器人关节等机械设备。但机器人关节如需达到人体关节（如肩关节）的高灵活性，必须产生多个轴向（滚转X轴、俯仰Y轴、偏航Z轴）的角位移和转动力矩。常用方案是串联多个关节驱动器（如舵机），产生上述多个轴向的角位移和转动力矩。但串联关节机构存在如下问题：

1)刚性低，串联关节末端积累误差；

2)占用空间大，功率比低；

3)难以实现同心转动，即多个运动轴相交于同一点。

上述问题造成机器人特别是仿照人体手臂的多轴关节机器人，其成本高、体积庞大、复杂度高。

并联机构（ParallelMechanism）是一种能够同时提供多个轴的角位移和转动力矩、多个方向的线性位移和驱动力的高灵活性驱动机构，具有机构刚度高、无积累误差、承载力大、占用空间小等优点，已经广泛应用于多轴机床、大型机器人等领域。但现有的并联机构使用液压或气压缸作为驱动器，需要压力源与工质循环系统才能工作，只能应用于大型设备上，难以小型化。

记忆合金驱动器是一种新发展的高效驱动器，利用金属相变造成的弹性系数变化，产生往复的驱动力，可以电阻热引发记忆合金相变，使用电源供能即可，无需复杂供能设备。同时记忆合金功率密度大，仅需很小体积即可产生较高机械功率，便于驱动器小型化。通过将记忆合金材料加工成不同尺寸、绕数的弹簧、卷簧等特殊形状，可以产生不同行程、力速比（一定功率下，驱动力和驱动速度的比例）的线性、转动驱动器，具有极大的灵活性，不需减速装置调节力速比，可以进一步减少结构尺寸。

发明内容

本发明提供了一种记忆合金驱动多轴舵机，该舵机使用多个记忆合金驱动器组成并联机构，组成一种能够产生多轴（滚转X轴、俯仰Y轴、偏航Z轴）角位移和转动力矩的驱动装置，可以替代现有串联舵机驱动装置，应用于机器人、摄像机云台、3D打印等需要高灵活性运动机构的领域。

该记忆合金驱动多轴舵机，其特征在于：

包括上固定端和下固定端，上固定端和下固定端之间通过一组多向轴承相铰接，上、下固定端上各设有3个以上锚点，3组以上记忆合金线性驱动器两端分别锚定在上、下固定端上的锚点之间，共同组成并联驱动机构；

工作时，通过给记忆合金线性驱动器供电，使其产生驱动力，通过调节电流大小时驱动力产生差异，使并联驱动机构产生所需的角位移和转动力矩。

可选地，所述多向轴承为球头轴承，并联驱动机构能够产生3个方向的角位移和转动力矩。

可选地，所述多向轴承为十字轴轴承，并联驱动机构能够产生2个方向的角位移和转动力矩。

可选地，所述记忆合金线性驱动器形状可为线状或弹簧状。

可选地，所述记忆合金线性弹簧驱动器可为压簧型、拉簧型、拉压双向型；较优地，使用拉簧型记忆合金线性弹簧驱动器。

可选地，通过增加固定端直径并增加锚点间距，可以加强多轴舵机各轴的转动力矩。

可选地，通过增加固定端间距，可以加大多轴舵机各轴的转动范围。

可选地，锚点排列为中心对称时，绕滚转X轴、俯仰Y轴的转动力矩和转动范围相等。

可选地，锚点排列可以偏移对称位置，以加强绕特定轴线的转动力矩和转动范围。

本发明的有益效果如下：

1)继承了并联机构的多轴运动特性：将多个转动轴集成到较小的空间结构中，并实现了多轴共心。

2)继承了记忆合金驱动器的高功率密度：无需减速器、工质、压力源，大大提高了整体功率密度。

3)继承了记忆合金驱动器的性能多样性：可以通过改变形状实现多种力-位移性能。

4)可以通过增减记忆合金驱动器的数量，调整记忆合金驱动器锚点位置，实现更大的性能多样性。

5)没有机械传动装置，容易实现微型化。

可见本发明继承了并联机构和记忆合金驱动器的优点，并体现出更优越、灵活多样的性能，能够广泛应用于机器人关节驱动器、摄像机云台、3D打印等需要高灵活性运动机构的领域。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构侧视图；

图2为本发明实施例一的结构俯视图；

图3为本发明实施例一的结构3D图,静止的工作状态示意图；

图4为本发明实施例一的绕滚转X轴旋转的工作状态示意图；

图5为本发明实施例一的绕俯仰Y轴旋转的工作状态示意图；

图6为本发明实施例一的绕偏航Z轴旋转的工作状态示意图；

图7为本发明实施例二的结构侧视图；

图8为本发明实施例二的结构俯视图；

图9为本发明实施例二的结构3D图；

图10为本发明实施例三的结构侧视图；

图11为本发明实施例三的结构俯视图；

图12为本发明实施例三的结构3D图；

图13为本发明实施例四的结构俯视图。

［主要元件符号说明］

1a.上固定端；

1b.下固定端；

2.记忆合金线性驱动器，为区分不同位置，图1、图2中标为2c、2d、2e、2f；

3.多轴轴承，图1~图3中为球头轴承，图4中为十字轴轴承；

4.锚点；

X.滚转轴；

Y.俯仰轴；

Z.偏航轴；

O.公共轴心；

h _a实施例一中上固定端1a与轴承中心O的距离；

h _b实施例一中上固定端1b与轴承中心O的距离；

α.实施例一中对应锚点的错开夹角；

r．实施例一中锚点与固定端中心距离。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供了一种记忆合金驱动多轴舵机，该舵机使用多个记忆合金驱动器组成并联机构，组成一种能够产生多轴（滚转X轴、俯仰Y轴、偏航Z轴）角位移和转动力矩的驱动装置，可以替代现有串联舵机驱动装置，应用于机器人、摄像机云台、3D打印等需要高灵活性运动机构的领域。其具体实施方式如下：

实施例一

参看图1、图2、图3所示本发明实施例，其结构中包括：

上固定端1a，下固定端1b，上、下固定端之间通过一组球头轴承3相铰接，上下两个固定端与轴承中心的距离分别为h _a、h _b；

上固定端1a、下固定端1b上各设有4个锚点4，锚点与固定端中心距离为r，锚点排列如俯视图2中所示，上固定端1a上的锚点与下固定端1b上的对应锚点相互错开，呈一定夹角α；

4组记忆合金线性驱动器2c~f两端各锚定在上下固定端对应锚点之间；

上述上固定端1a、下固定端1b记忆合金线性驱动器2c~f、球头轴承3、锚点4，共同构成并联机构（ParallelMechanism），该并联机构具有3个转动自由度，能够产生多轴（滚转X轴、俯仰Y轴、偏航Z轴）角位移和转动力矩。上述转动轴相交于同一轴心O。

上述并联机构中，通过调节尺寸参数h _a、h _b、r、α可以获得不同的性能，如：加大h _a、h _b可以增加滚转X轴、俯仰Y轴向的转动范围；加大r可以增加各轴向的转动力矩；加大α可以增加偏航Z轴向的转动范围。

参看图3~6所示，本发明实施例的工作原理为：

工作时，通过给记忆合金线性驱动器供电，使其产生驱动力，通过调节电流大小时驱动力产生差异，使并联驱动机构产生所需的角位移和转动力矩，具体如下：

记忆合金线性驱动器2c~f的驱动力平衡时，记忆合金线性驱动器伸缩量相等，上下两个固定端1相互间没有转动，如图3所示；

记忆合金线性驱动器2c、2d的驱动力大于2e、2f时，记忆合金线性驱动器2c、2d收缩，2e、2f伸长，造成上固定端1a绕滚转X轴顺时针转动，如图4所示，反之逆时针转动；

记忆合金线性驱动器2c、2f的驱动力大于2d、2e时，记忆合金线性驱动器2c、2f收缩，2d、2e伸长，造成上固定端1a绕俯仰Y轴顺时针转动，如图5所示，反之逆时针转动；

记忆合金线性驱动器2d、2f的驱动力大于2c、2e时，记忆合金线性驱动器2d、2f收缩，2c、2e伸长，造成上固定端1a绕偏航Z轴顺时针转动，如图6所示，反之逆时针转动；

具体调整记忆合金线性驱动器2c、2d、2e、2f各驱动力大小，可以同时产生滚转X轴、俯仰Y轴偏航Z轴方向的转动和驱动力；

等量增加2c、2d、2e、2f记忆合金线性驱动器驱动力，可以使本发明所述的多轴舵机产生“紧绷”的状态，反之等量减少各驱动力，则产生“松弛”状态。

本实施例是产生3轴运动的最小方案，为了提高驱动力大小，又有如下实施方案——

实施例二

参看图7、图8、图9所示本发明实施例，其结构中在实施例一基础上做出如下改进：

如图8俯视图所示，上固定端1a、下固定端1b上的锚点位置采用正反等边三角形排列；

6组记忆合金线性驱动器2c~f两端各锚定在上下固定端对应锚点之间，提高了驱动力的大小和3轴舵机整体的功率密度。

本实施例工作原理与实施例一相似。

类似的，可以采用更多的锚点、更多的记忆合金线性驱动器，以产生更大的转动力矩，并可提高角位移精度和机械功率。

实施例三

在一些应用场合仅需产生两个轴向的角位移和转动力矩，为满足其需要，可采用实施例三所示的实施方案，参看图10、图11、图12所示：

包括：上固定端1a、下固定端1b，上、下固定端之间通过一组十字轴轴承3相铰接；

上、下固定端上各设有3个锚点4，锚点排列如图1中俯视图所示，因无需产生绕偏航Z轴向的转动，上固定端上的锚点与下固定端上的对应锚点相互对齐（在俯视图11中相互遮挡）；

3组记忆合金线性驱动器2两端各锚定在上下固定端对应锚点之间；

上述上固定端1a、下固定端1b、记忆合金线性驱动器2、十字轴轴承3、锚点4，共同构成并联机构（ParallelMechanism），该并联机构具有2个转动自由度，能够产生多轴（滚转X轴、俯仰Y轴）角位移和转动力矩。上述转动轴相交于同一轴心O。

本实施例工作原理与实施例一相似。

实施例四

在一些应用场合需绕各轴的转动范围、产生的转动力矩是不同的，其结构根据需求改进为如俯视图13所示的特定模式。

上固定端1a、下固定端1b，其形状由锚点4分布确定，锚点4距离轴线更远可以提供该转动方向较大的转动力矩，因此由于各转动方向所需的转动力矩不同，锚点距离因而不同。

各锚点4之间的记忆合金线性驱动器2，根据所需的驱动力大小不同，设成不同粗细；根据运动范围不同，设计为不同绕数。

本实施例工作原理与实施例一相似。

以上所述是本发明的优选实施方式及最小实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种记忆合金驱动多轴舵机，其特征在于：

包括上固定端和下固定端，上固定端和下固定端之间通过一组多向轴承相铰接，上、下固定端上各设有3个以上锚点，3组以上记忆合金线性驱动器两端分别锚定在下、下固定端上的锚点之间，共同组成并联驱动机构。

2.根据权利要求1所述的记忆合金驱动多轴舵机，其特征在于：所述多向轴承为球头轴承，并联驱动机构能够产生3个轴向的角位移和转动力矩。

3.根据权利要求1所述的记忆合金驱动多轴舵机，其特征在于：所述多向轴承为十字轴轴承，并联驱动机构能够产生2个轴向的角位移和转动力矩。

4.根据权利要求1所述的记忆合金驱动多轴舵机，其特征在于：所述记忆合金线性驱动器形状为线状或弹簧状。