CN107150348A - 基于形状记忆合金驱动器的快换接头 - Google Patents

Abstract

基于形状记忆合金驱动器的快换接头，属于机器人技术领域。本发明的基于形状记忆合金驱动器的快换接头，包括执行机构、形状记忆合金双程驱动器、电气接口及传感系统；所述的形状记忆合金双程驱动器、电气接口及传感系统均与执行机构的主动连接板和被动接口板连接。本发明具有体积小，连接稳定可靠，具备较大的连接刚度，同时响应时间短等突出优点。在结构上面优化设计，提高了对接过程的从容差设计。对结构进行仿真实验验证，整个连接机构具备轴向2mm，周向18°的对接容差。本发明用于机器人关节上，具备机械式和电磁式的优点，保证构型转换稳定的实现。

Description

基于形状记忆合金驱动器的快换接头

技术领域

本发明涉及一种基于形状记忆合金驱动器的快换接头，属于机器人技术领域。

背景技术

快换接头在机器人设计中具有十分重要的作用，现在的机器人大多具备不同的关节，而不同的关节之间由于固定连接，构型固定，工作时能够完成的任务十分单一，由于快换接头的产生便可以使构型相互转换，从而按照任务不停地变换自己的构型。由于超冗余机械臂具备冗余的自由度，可以满足很多工况下的任务执行，当和快换接头连接时，其工作空间可以大幅提高，因此连接结构对于整个机器人的任务实现具备十分重要的作用。

从现有的对接机构来看，连接分离机构大致可以分为电磁式结构和机械结构，而机械结构又可以分为销钉结构和卡爪结构。电磁式结构具有的优点是结构简单，缺点是链接过程中切向的连接强度较低，同时如果采用电磁铁连接，在模块中间存在散热问题需要解决；而机械结构不存在散热问题，其中销钉式结构在分离过程中需要两个模块分开一定的距离才能够彻底分离，因此当机器人长度较长时，在狭窄空间会受到限制。

发明内容

本发明的目的在于为机械臂的构型转换提供一种基于形状记忆合金驱动器的快换接头，从而完成自重构过程。

本发明在连接分离机构上采用卡爪形式，同时综合考虑运动灵活性和结构复杂性，因此，本发明旨在设计一种自重构的连接机构，具备机械式和电磁式的优点，保证构型转换稳定的实现。

实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于形状记忆合金驱动器的快换接头，包括：执行机构、形状记忆合金双程驱动器、电气接口及传感系统；所述的形状记忆合金双程驱动器与执行机构的主动连接板连接，所述的电气接口与执行机构的主动连接板和被动接口板连接，所述的传感系统也与主动连接板和被动接口板连接。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明中，利用形状记忆合金驱动器作为驱动系统，利用凸轮摆动从动件作为执行机构，同时结合稳定的电气接口和传感系统设计了一种快换接头，快换接头利用形状记忆合金驱动机械卡爪结构进行连接。正常工作情况下，主被动连接接口进行对接，完成机器人构型的转换。本发明具有体积小，连接稳定可靠，具备较大的连接刚度，同时响应时间短等突出优点。在结构上面优化设计，提高了对接过程的从容差设计。对结构进行仿真实验验证，整个连接机构具备轴向2mm，周向18°的对接容差。

附图说明

图1是本发明的基于形状记忆合金驱动器的快换接头整体结构的等轴测图；

图2是本发明的基于形状记忆合金驱动器的快换接头的主剖视图；

图3是凸轮的等轴测图；

图4是主动连接板的等轴测图；

图5是执行机构的主剖面图；

图6是图5的俯视图；

图7是形状记忆合金双程驱动器的主剖视图；

图8是图7的俯视图；

图9是电气接口的主视图；

图10是图9的C处放大图；

图11是图9的L-L剖视图；

图12是传感系统的轴侧拆分图。

图中：上壳体1、下壳体2、主动连接板4、安装座4-1、限位块二4-2、凸轮6、限位块一6-1、正方形板6-2、圆角6-3、正方形台肩6-4、圆弧形顶角6-5、轮轴6-6、钩爪7、深沟球轴承8、垫片9、螺钉一10、阶梯轴12、塑料轴承套13、铝套14、钩爪连接销轴15、形状记忆合金丝一16、形状记忆合金丝二17、铜触点电路板19、主动铜触点20、合金丝固定下板24、合金丝固定上板25、螺钉二26、合金丝固定板一27-1、合金丝固定板二27-2、塑料滑动轴承28、摄像头29、红外接口电路板31、红外发射管32、螺母34、定位销轴36、被动接口板41、圆台形通孔41-1、合金丝固定板三42、合金丝固定板四43、电器接口固定件44、蝶簧45、螺钉四46、弹簧触点电路板47、弹簧触针48、螺钉三49、红外接收管50、弹簧卡圈51。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式

具体实施方式一：如图2所示，本实施方式披露了一种基于形状记忆合金驱动器的快换接头，包括：执行机构、形状记忆合金双程驱动器、电气接口及传感系统；所述的形状记忆合金双程驱动器与执行机构的主动连接板4连接，所述的电气接口与执行机构的主动连接板4和被动接口板41连接，所述的传感系统也与主动连接板4和被动接口板41连接。

如图1及图2所示，本实施方式中的基于形状记忆合金驱动器的快换接头还包括两个壳体，所述的两个壳体分别是上壳体1和下壳体2，所述的上壳体1和下壳体2上下正对设置，上壳体1下端中心处和下壳体2上端中心处分别设有接口，执行机构设置在上壳体1和下壳体2内，且主动连接板4设置在上壳体1的接口内，被动接口板41固定在下壳体2的上端面，形状记忆合金双程驱动器设置在上壳体1内，电气接口设置在下壳体2内，传感系统设置在上壳体1内。

具体实施方式二：如图2-图6所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步限定，所述的执行机构包括：主动连接板4、凸轮6、垫片9、螺钉一10、合金丝固定下板24、合金丝固定上板25、螺钉二26、定位销轴36、被动接口板41、四个钩爪7、两个深沟球轴承8及四个钩爪连接销轴15；

所述的凸轮6的轮轴6-6竖直朝下设置，凸轮6的上端设有正方形板6-2，所述的正方形板6-2的四个棱角均为圆角6-3，凸轮6上设有一正方形台肩6-4，所述的正方形台肩6-4的四个顶角均为沿各自对角线方向延伸的圆弧形顶角6-5(每相邻两个圆弧形顶角6-5之间通过圆弧过渡面相连)，所述的主动连接板4中部设有安装座4-1，所述的安装座4-1设有中心台肩通孔，主动连接板4与被动接口板41上下平行设置，所述的被动接口板41中心处设有倒置的与所述的中心台肩通孔同轴的圆台形通孔41-1，主动连接板4中部的安装座匹配设置在被动接口板41所述的圆台形通孔41-1内，主动连接板9和被动接口板41通过定位销轴36定位，凸轮6的轮轴6-6上设有限位块一6-1，主动连接板4的安装座4-1的中心台肩通孔内设有用于与凸轮6的轮轴6-6上的限位块一6-1机械限位的限位块二4-2；主动连接板4和被动接口板41对应位置分别设有四个长方形槽，四个所述的长方形槽沿主动连接板4的十字中心线设置，被动接口板41上的四个长方形槽相对于被动接口板41十字中心线对称设置，每个钩爪7的钩端分别对应穿出主动连接板4和被动连接板41的长方形槽，四个钩爪7相对于凸轮6的中心轴线对称设置，所述的四个钩爪7分别通过钩爪连接销轴15与主动连接板4铰接，四个钩爪7的钩端均朝向凸轮6一侧设置，凸轮6的轮轴6-6设置在主动连接板4的中心台肩通孔内，凸轮6的轮轴6-6上安装有两个深沟球轴承8，所述的两个深沟球轴承8设置在主动连接板4的中心台肩通孔内，凸轮6的轮轴6-6外端设有垫片9，所述的凸轮6的轮轴6-6中心处设有螺纹孔，所述的螺钉一10穿过垫片9与凸轮6的轮轴6-6的螺纹孔旋接，凸轮6的正方形板6-2上端固定有合金丝固定下板24，合金丝固定上板25设置在合金丝固定下板24上方，合金丝固定下板24与合金丝固定上板25之间通过螺钉二26连接。

本实施方式的效果是：利用结构上的定位，钩爪7的抓取，以及限位块的作用，可以保证主被动连接接口(即主动连接板4和被动接口板41)实现稳定的连接。

本实施方式将凸轮6的旋转运动转换为钩爪7的间歇旋转运动的工作过程是：如图3所示，运动时凸轮6进行正反转控制钩爪7运动，利用凸轮6轮廓和钩爪7轮廓的摩擦使得凸轮6的旋转运动转化为钩爪7沿着钩爪连接销轴15旋转，凸轮6行程为45°，每隔45°凸轮6带动四个钩爪7进行主被动连接接口(即主动连接板4和被动接口板41)进行连接和分离动作，图4所示为抓紧状态。凸轮6通过两个深沟球轴承8背对背固定在主动连接板4上面,通过垫片9和螺钉一10进行凸轮6的轴向支撑。凸轮6和主动连接板4上均设计有限位块，在主动连接板4和被动接口板41的对接面上面分别有定位销轴36和定位锥(即定位销轴36下端侧壁的圆锥面以及圆台形通孔41-1的圆锥面)形成的定位锥面A和定位锥面B进行配合，利用两面一销进行定位。

具体实施方式三：如图7及图8所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步限定，所述的形状记忆合金双程驱动器包括：合金丝固定板一27-1、合金丝固定板二27-2、合金丝固定板三42、合金丝固定板四43、四个阶梯轴12、两根形状记忆合金丝、多个塑料轴承套13、多个铝套14、四个塑料滑动轴承28及四个螺母34；所述的两根形状记忆合金丝分别是形状记忆合金丝一16和形状记忆合金丝二17；

所述的主动连接板4上设有四个螺纹孔，主动连接板4上的四个螺纹孔相对于主动连接板4中心线对称设置，所述的四个阶梯轴12外圆周面下端轴均具有外螺纹，四个阶梯轴12下端均与主动连接板4上对应的螺纹孔旋接，每个阶梯轴12上均滑动套装有多个塑料轴承套13，每个塑料轴承套13的外部紧密套装有铝套14，所述的形状记忆合金丝一16和形状记忆合金丝二17交叉缠绕在所述的多个铝套14的外围，形状记忆合金丝一16头端固定在合金丝固定板一27-1及合金丝固定板二27-2之间，形状记忆合金丝一16尾端固定在合金丝固定下板24和合金丝固定上板25之间，所述的合金丝固定下板24和合金丝固定上板25通过螺钉五连接，形状记忆合金丝二17头端固定在合金丝固定下板24及合金丝固定上板25之间，形状记忆合金丝二17尾端固定在合金丝固定板三42与合金丝固定板四43之间，所述的合金丝固定板三42与合金丝固定板四43通过螺钉六连接，每个阶梯轴12上端依次穿出对应的合金丝固定板二27-2及合金丝固定板一27-1的光孔，每个阶梯轴12上套装有一个塑料滑动轴承28，所述的塑料滑动轴承28均设置在相应的阶梯轴12的上台阶端面上，且四个塑料滑动轴承28均设置在合金丝固定板二27-2及合金丝固定板一27-1对应的光孔内，每个阶梯轴12上端均与螺母34旋接。

本实施方式的效果是：通过三个固定点对两根形状记忆合金丝进行固定，分别通电加热，可以实现凸轮6的45°的转动行程，达到双程驱动器的效果，这种驱动器体积小，质量轻，结构简单，而且控制容易。

下面结合附图5说明形状记忆合金的动作过程。工作前，将形状记忆合金丝一16和形状记忆合金丝二17缠绕在多个铝套14外围，多个铝套14通过多个塑料轴承套13滑动套装在阶梯轴12上面，从而保证形状记忆合金丝一16和形状记忆合金丝二17之间的相互绝缘，对形状记忆合金丝一16和形状记忆合金丝二17进行预拉伸使其产生预应变，通过合金丝固定下板24和合金丝固定上板25进行调整。在主被动连接接口靠近时，给形状记忆合金丝一16通电加热，形状记忆合金丝一16由于形状记忆效应缩短，从而使形状记忆合金丝二17伸长，从而带动合金丝固定上板25和合金丝固定下板24进行旋转，进而带动凸轮6进行旋转，主动连接板4和被动接口板41脱离。当主被动连接接口进行抓紧时，对形状记忆合金丝二17进行通电，从而形状记忆合金丝二17缩短，形状记忆合金丝一16伸长，进而带动凸轮6反向旋转，驱动钩爪7进行抓紧。当钩爪7达到指定位置时，凸轮6压力角为0°，钩爪7将稳定在指定位置，保证整个对接过程的稳定实现。

具体实施方式四：如图2、图9-图11所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步限定，所述的电气接口包括：铜触点电路板19、蝶簧45、弹簧触点电路板47、弹簧卡圈51、九个主动铜触点20及九个弹簧触针48；

所述的铜触点电路板19固定在主动连接板4上表面，所述的弹簧触点电路板47固定在被动接口板41上，主动连接板4上设置有九个安装孔，所述的九个安装孔均布设置在同一圆周上，每个安装孔内设置有一个主动铜触点20，所述的九个主动铜触点20均与铜触点电路板19焊接，弹簧触点电路板47上焊接有九个弹簧触点48，所述的九个弹簧触点48与九个铜触点20一一对应并相接触，所述的蝶簧45设置在弹簧触点电路板47与电器接口固定件44之间，所述的蝶簧45外侧面安装有弹簧卡圈51。

本实施方式的效果是：通过九个主动铜触点20和九个弹簧触针48的接触，稳定实现电气和通讯的连接，而且弹簧触针48的恢复力可以促使主被动连接接口的分离。

本实施方式为主动连接板4与被动接口板41对接时的电器接口的实现。弹簧触点电路板47与电器接口固定件44之间由蝶簧45提供一定的对接容差设计。

具体实施方式五：如图2、图12所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步限定，所述的传感系统包括：两个摄像头29、红外接口电路板31、六个红外发射管32、电器接口固定件44、螺钉三49及六个红外接收管50；所述的红外接口电路板31、主动连接板4、被动接口板41及电器接口固定件44依次固接，所述的电器接口固定件44设置在弹簧触点电路板47下方，且电器接口固定件44与被动接口板41连接，六个红外发射管32和六个红外接收管50依次交替固定在红外接口电路板31和电气接口固定件44上面，所述的红外发射管32、红外接收管50及两个摄像头29均对应设置在主动连接板4上设有的通孔内。

本实施方式的效果是：通过六个红外发射管32和六个红外接收管50，红外发射管依次发射一定光强，红外接收管接收到的光强和距离成正比，通过算法可以计算出来主被动连接接口的位姿信息，从而为对接做好准备。

本实施方式主要是利用传感系统给予主被动连接接口对接过程提供对接信息，主要是包括位置信息和姿态信息，分别通过两个摄像头29和六个红外接收管50和六个红外发射管32构成，两个摄像头提供远距离支持，六个红外发射管32和六个红外接收管50共同组成了六对红外位姿测量系统。当快换接头的主被动连接接口距离较远时，由两个摄像头29提供位姿信息，当靠近时，由六对红外发射和接收管提供位姿信息。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.一种基于形状记忆合金驱动器的快换接头，其特征在于：包括：执行机构、形状记忆合金双程驱动器、电气接口及传感系统；所述的形状记忆合金双程驱动器与执行机构的主动连接板(4)连接，所述的电气接口与执行机构的主动连接板(4)和被动接口板(41)连接，所述的传感系统也与主动连接板(4)和被动接口板(41)连接。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动器的快换接头，所述的执行机构包括：主动连接板(4)、凸轮(6)、垫片(9)、螺钉一(10)、合金丝固定下板(24)、合金丝固定上板(25)、螺钉二(26)、定位销轴(36)、被动接口板(41)、四个钩爪(7)、两个深沟球轴承(8)及四个钩爪连接销轴(15)；

所述的凸轮(6)的轮轴(6-6)竖直朝下设置，凸轮(6)的上端设有正方形板(6-2)，所述的正方形板(6-2)的四个棱角均为圆角(6-3)，凸轮(6)上设有一正方形台肩(6-4)，所述的正方形台肩(6-4)的四个顶角均为沿各自对角线方向延伸的圆弧形顶角(6-5)，所述的主动连接板(4)中部设有安装座(4-1)，所述的安装座(4-1)设有中心台肩通孔，主动连接板(4)与被动接口板(41)上下平行设置，所述的被动接口板(41)中心处设有倒置的与所述的中心台肩通孔同轴的圆台形通孔(41-1)，主动连接板(4)中部的安装座匹配设置在被动接口板(41)所述的圆台形通孔(41-1)内，主动连接板(9)和被动接口板(41)通过定位销轴(36)定位，凸轮(6)的轮轴(6-6)上设有限位块一(6-1)，主动连接板(4)的安装座(4-1)的中心台肩通孔内设有用于与凸轮(6)的轮轴(6-6)上的限位块一(6-1)机械限位的限位块二(4-2)；主动连接板(4)和被动接口板(41)对应位置分别设有四个长方形槽，四个所述的长方形槽沿主动连接板(4)的十字中心线设置，被动接口板(41)上的四个长方形槽相对于被动接口板(41)十字中心线对称设置，每个钩爪(7)的钩端分别对应穿出主动连接板(4)和被动连接板(41)的长方形槽，四个钩爪(7)相对于凸轮(6)的中心轴线对称设置，所述的四个钩爪(7)分别通过钩爪连接销轴(15)与主动连接板(4)铰接，四个钩爪(7)的钩端均朝向凸轮(6)一侧设置，凸轮(6)的轮轴(6-6)设置在主动连接板(4)的中心台肩通孔内，凸轮(6)的轮轴(6-6)上安装有两个深沟球轴承(8)，所述的两个深沟球轴承(8)设置在主动连接板(4)的中心台肩通孔内，凸轮(6)的轮轴(6-6)外端设有垫片(9)，所述的凸轮(6)的轮轴(6-6)中心处设有螺纹孔，所述的螺钉一(10)穿过垫片(9)与凸轮(6)的轮轴(6-6)的螺纹孔旋接，凸轮(6)的正方形板(6-2)上端固定有合金丝固定下板(24)，合金丝固定上板(25)设置在合金丝固定下板(24)上方，合金丝固定下板(24)与合金丝固定上板(25)之间通过螺钉二(26)连接。

3.根据权利要求2所述的基于形状记忆合金驱动器的快换接头，其特征在于：所述的形状记忆合金双程驱动器包括：合金丝固定板一(27-1)、合金丝固定板二(27-2)、合金丝固定板三(42)、合金丝固定板四(43)、四个阶梯轴(12)、两根形状记忆合金丝、多个塑料轴承套(13)、多个铝套(14)、四个塑料滑动轴承(28)及四个螺母(34)；所述的两根形状记忆合金丝分别是形状记忆合金丝一(16)和形状记忆合金丝二(17)；

所述的主动连接板(4)上设有四个螺纹孔，主动连接板(4)上的四个螺纹孔相对于主动连接板(4)中心线对称设置，所述的四个阶梯轴(12)外圆周面下端轴均具有外螺纹，四个阶梯轴(12)下端均与主动连接板(4)上对应的螺纹孔旋接，每个阶梯轴(12)上均滑动套装有多个塑料轴承套(13)，每个塑料轴承套(13)的外部紧密套装有铝套(14)，所述的形状记忆合金丝一(16)和形状记忆合金丝二(17)交叉缠绕在所述的多个铝套(14)的外围，形状记忆合金丝一(16)头端固定在合金丝固定板一(27-1)及合金丝固定板二(27-2)之间，形状记忆合金丝一(16)尾端固定在合金丝固定下板(24)和合金丝固定上板(25)之间，所述的合金丝固定下板(24)和合金丝固定上板(25)通过螺钉五连接，形状记忆合金丝二(17)头端固定在合金丝固定下板(24)及合金丝固定上板(25)之间，形状记忆合金丝二(17)尾端固定在合金丝固定板三(42)与合金丝固定板四(43)之间，所述的合金丝固定板三(42)与合金丝固定板四(43)通过螺钉六连接，每个阶梯轴(12)上端依次穿出对应的合金丝固定板二(27-2)及合金丝固定板一(27-1)的光孔，每个阶梯轴(12)上套装有一个塑料滑动轴承(28)，所述的塑料滑动轴承(28)均设置在相应的阶梯轴(12)的上台阶端面上，且四个塑料滑动轴承(28)均设置在合金丝固定板二(27-2)及合金丝固定板一(27-1)对应的光孔内，每个阶梯轴(12)上端均与螺母(34)旋接。

4.根据权利要求2所述的基于形状记忆合金驱动器的快换接头，其特征在于：所述的电气接口包括：铜触点电路板(19)、蝶簧(45)、弹簧触点电路板(47)、弹簧卡圈(51)、九个主动铜触点(20)及九个弹簧触针(48)；

所述的铜触点电路板(19)固定在主动连接板(4)上表面，所述的弹簧触点电路板(47)固定在被动接口板(41)上，主动连接板(4)上设置有九个安装孔，所述的九个安装孔均布设置在同一圆周上，每个安装孔内设置有一个主动铜触点(20)，所述的九个主动铜触点(20)均与铜触点电路板(19)焊接，弹簧触点电路板(47)上焊接有九个弹簧触点(48)，所述的九个弹簧触点(48)与九个铜触点(20)一一对应并相接触，所述的蝶簧(45)设置在弹簧触点电路板(47)与电器接口固定件(44)之间，所述的蝶簧(45)外侧面安装有弹簧卡圈(51)。

5.根据权利要求4所述的基于形状记忆合金驱动器的快换接头，其特征在于：所述的传感系统包括：两个摄像头(29)、红外接口电路板(31)、六个红外发射管(32)、电器接口固定件(44)、螺钉三(49)及六个红外接收管(50)；所述的红外接口电路板(31)、主动连接板(4)、被动接口板(41)及电器接口固定件(44)依次固接，所述的电器接口固定件(44)设置在弹簧触点电路板(47)下方，且电器接口固定件(44)与被动接口板(41)连接，六个红外发射管(32)和六个红外接收管(50)依次交替固定在红外接口电路板(31)和电气接口固定件(44)上面，所述的红外发射管(32)、红外接收管(50)及两个摄像头(29)均对应设置在主动连接板(4)上设有的通孔内。