CN112610435B - 基于记忆合金丝驱动的柱状驱动器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于记忆合金丝驱动的圆柱状驱动器，包括作为承载结构的支架、螺旋弹簧片、记忆合金丝、对应所述控制记忆合金丝的末端定子、传动部件、输出轴检测用编码器以及相应的控制电路。本发明还涉及驱动器的工作方法，以通过通电加热记忆合金丝实现驱动器的旋转。本发明消除了传统驱动器的噪音问题，简化了结构，使应用该驱动器的机器人更有机会向着微小型、轻便型发展，为驱动器的发展提供了新思路。

Description

基于记忆合金丝驱动的柱状驱动器及其方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及采用记忆合金丝作为动力源的记忆合金驱动器及其控制方法。

背景技术

随着新技术的快速发展，形状记忆合金作为一种重要的智能材料在制造、医疗和航空航天等领域有着越来越广泛的应用。形状记忆合金易于实现驱动器微型化和自动化，有着传统驱动器不可比拟的性能优点。目前，机器人大多是采用饲服电机驱动。饲服电机本身的功重比小，又需要减速机构，使机器人变得粗大、笨重且电机驱动时存在噪音和污染。伺服电机的驱动电压也比较高，对于机器人向微小型化及家庭和服务行业发展非常不利。同时驱动器中零部件数量过多，也会导致制造成本上升并使工作可靠性下降。而随着机构执行元件向着自动化和轻型化发展，基于智能材料的驱动器以其自身能克服传统驱动器缺点的优势，有着越来越大的需求。

发明内容

本发明提供一种基于记忆合金丝驱动的柱状驱动器及其方法，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案一方面为一种柱状驱动器，其包括：支架部件，该支架部件包括支撑件、圆形的顶板和底板，其中支撑件固定在所述的顶板和底板之间，以形成顶板和底板之间的柱形空间；设置在所述的柱形空间内的螺旋弹簧组件，所述的螺旋弹簧组件具有固定端和自由端，所述的固定端与支架部件固定连接；设置成沿螺旋方向绕所述的螺旋弹簧组件外周的记忆合金丝；与所述的螺旋弹簧组件的自由端连接的输出部件。

进一步，所述的螺旋弹簧组件包括：与所述的支架部件的顶板固定的弹簧座；从所述的弹簧座延伸的弹性的螺旋体，该螺旋体的外周设有螺旋凹槽以容纳所述的记忆合金丝，并且至少所述的螺旋凹槽设有绝缘层。

进一步，所述的螺旋体靠近弹簧座的一端通过第一固定端子与螺旋凹槽中的记忆合金丝固定连接，并且所述的螺旋体在自由端通过第二固定端子与所述的记忆合金丝固定连接。

进一步，所述的第一固定端子具有空心柱的形状，并且包括成形在空心柱壁上的切平面以及贯穿空心柱壁的通孔；所述的螺旋体的截面为矩形；所述的第二固定端子包括矩形槽和设置在矩形槽的边缘的边孔，其中允许记忆合金丝穿进所述的边孔，从而使得第二固定端子固定套接在所述的螺旋体的自由端时连同记忆合金丝一起定位和固定。

进一步，所述的弹簧座包括：用于容纳所述的第一固定端子的侧孔；成形在侧孔中的，与所述的第一固定端子的切平面匹配的横面；贯穿所述横面的螺丝孔。

进一步，所述的螺旋弹簧组件包括过渡形成在所述的弹簧座和所述的螺旋体之间的锲形部，该锲形部设有连通至所述的螺旋凹槽的斜孔，其中，允许来自螺旋凹槽记忆合金丝穿过第一固定端子的通孔后进入所述的斜孔，并且由螺丝孔中的螺丝对第一固定端子实施固定，从而使得第一固定端子拉紧或压紧记忆合金丝。

进一步，所述的螺旋弹簧组件的自由端设有朝向螺旋中心轴(C)的连接部，所述的输出部件包括：沿所述的螺旋中心轴(C)方向布置的输出轴，该输出轴与安装在所述的底板上的轴承同轴配合；穿过所述的输出轴后与所述的连接部固定连接的连接轴，该连接轴被配置成与所述螺旋中心轴(C)垂直。

进一步，所述的输出轴包括具有连接孔的第一轴体，该连接孔的尺寸与所述的连接轴的直径匹配，以允许连接轴穿过该连接孔并且能够进行相对移动；与所述的轴承配合的第二轴体，该第二轴体与所述的第一轴体之间形成有轴肩；从所述的第二轴体延伸的轴端。

进一步，所述的柱状驱动器还包括：与所述的输出轴同轴连接的编码器；与所述的编码器通信连接的运动控制器；与所述的记忆合金丝接触连接的加热装置。

本发明的技术方案另一方面为一种柱状驱动器的控制方法，包括以下步骤：

通过加热装置对所述的记忆合金丝加热，使得记忆合金丝受热缩短，从而带动所述的螺旋弹簧组件变形，进而使螺旋弹簧组件的自由端带动所述的输出部件沿第一方向转动；

通过加热装置减低或清除对记忆合金丝的加热温度，使得记忆合金丝恢复长度，从而带动所述的螺旋弹簧组件恢复形状，进而使螺旋弹簧组件的自由端带动所述的输出部件沿第二方向转动；

通过改变加热时间和电压对驱动器的旋转进行控制；

通过PWM波电压调节加热装置的温度变化速率，控制所述的第一方向或第二方向的转动速度。

本发明的有益效果为：

提供创新、紧凑且结构简单的柱状驱动器的结构方案；通过使用记忆合金丝，利用高温相和低温相相会互转变过程中产生的变形或者同复力达到驱动目的；与传统机械或者电磁驱动方式相比较最显著的特点是，本发明的柱状驱动器几乎没有驱动能量的消耗，不存在噪音的影响等显著特点。

附图说明

图1是根据本发明实施例的柱状驱动器的立体图。

图2是根据本发明实施例的柱状驱动器的剖视图。

图3是根据本发明实施例的柱状驱动器的分解图。

图4是根据本发明实施例的柱状驱动器中的螺旋弹簧组件和输出部件的连接示意图。

图5是图4的区域A的细节放大图。

图6是根据本发明实施例的柱状驱动器中的第一固定端子的立体图。

图7是根据本发明实施例的柱状驱动器中的第二固定端子的立体图。

图8是根据本发明实施例的柱状驱动器中的螺旋体的细节立体图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

参照图1，在一些实施例中，根据本发明的柱状驱动器包括支架部件100、螺旋弹簧组件200、记忆合金丝300、输出部件400。记忆合金丝300设置成沿螺旋方向绕螺旋弹簧组件200外周，记忆合金丝300可以是NiTi合金丝或者公知的其他记忆合金材料，在被加热时会收缩变形。螺旋弹簧组件200具有固定端和自由端，所述的固定端与支架部件100固定连接，所述的自由端连接输出部件400。优选地，参照图2和图3，支架部件100、螺旋弹簧组件200、记忆合金丝300和输出部件400沿螺旋中心轴C同轴布置。

以下在多个实施例中，结合附图对各零部件进行详细说明。

参照图1至图3，在一个实施例中，支架部件100包括第一支撑件120、第二支撑件130、圆形的顶板110和底板140。两个支撑件在两侧固定在顶板110和底板140之间作为承载结构件，以使顶板110、底板140和两个支撑件内部形成柱形空间。第一支撑件120和第二支撑件130可以是弧形壁形状的结构件，并且具有窗口，方便伸手进行维护。螺旋弹簧组件200设置在所述柱形空间内，螺旋弹簧组件200的固定端与顶板110固定，而螺旋弹簧组件200的自由端在柱形空间内连接输出部件400，然后可以使输出部件400的一部分伸出底板140。因此，在本实施例中，螺旋弹簧组件200整体位于所述柱形空间内实现旋转功能，在其变形和运动过程中，都受到支架部件100的保护。

参照图2至图4，在一个实施例中，螺旋弹簧组件200包括：弹簧座210、从弹簧座210延伸弹性的螺旋体220以及过渡形成在弹簧座210和螺旋体220之间的锲形部230。弹簧座210与支架部件100的顶板110通过机械紧固件(比如螺丝、螺栓等)固定连接。

螺旋体220的外周(或者螺旋外圈壁上)设有螺旋凹槽221以容纳记忆合金丝300，如图2的截面细节所示，螺旋凹槽221起到记忆合金丝300的定位和辅助固定作用。螺旋凹槽221设有绝缘层222，以在记忆合金丝300通电时，避免螺旋体220带电或漏电。此外，根据需要还可以让螺旋体220的外周都设有绝缘层222。优选地，螺旋体220的截面为矩形。

参照图4和图5，在一个实施例中，螺旋体220的固定端(靠近弹簧座210的一端)通过第一固定端子510与螺旋凹槽221中的记忆合金丝300固定连接，并且螺旋体220在自由端通过第二固定端子520与记忆合金丝300固定连接。

参照图6，在进一步的实施例中，第一固定端子510具有空心柱的形状，并且包括成形在空心柱壁上的切平面511以及贯穿空心柱壁的通孔512。在本实施例中，对应地，弹簧座210在和锲形部230的交界位置设有用于容纳第一固定端子510的侧孔211，在侧孔211中成形了与第一固定端子510的切平面511匹配的横面212。如图5和图8所示，锲形部230设有连通至螺旋凹槽221的斜孔231，加上第一固定端子510上的贯穿空心柱壁的通孔512，从而允许来自螺旋凹槽221的记忆合金丝300穿过第一固定端子510的通孔512后进入斜孔231。进一步，可以在弹簧座210设置螺丝孔213，以贯穿到所述侧孔211的壁边的横面212。对应地，第一固定端子510的切平面511向内攻有螺纹孔，从而可以由螺丝通过螺丝孔213后拧到该螺纹孔，进而对第一固定端子510实施拉紧，以产生图5所示方向的拉紧力F，进而使得第一固定端子510弯曲地拉紧图5所示的穿过第一固定端子510的通孔512后进入斜孔231的记忆合金丝300。另外，还可以通过其他方式以推压的方式使第一固定端子510压紧记忆合金丝300。

参照图7，第二固定端子520可以包括矩形槽521(对应螺旋体220的矩形截面)和设置在矩形槽521的边缘的边孔522。其中允许记忆合金丝300穿进边孔522，从而使得第二固定端子520固定套接在螺旋体220的自由端时连同记忆合金丝300一起定位和固定。

通过上述实施例，对设在螺旋弹簧组件200上的记忆合金丝300的两端由两个固定端子固定是很重要的，从而避免合金丝在变形时的无规律滑动或者脱离螺旋凹槽221。

参照图2至图4，在一个实施例中，输出部件400包括连接轴420和输出轴430。

连接轴420沿大体垂直于螺旋体220的螺旋中心轴(C)方向布置。连接轴420穿过输出轴430后通过连接柱421与螺旋弹簧组件200的自由端上的连接部223的孔口固定连接。

输出轴430沿螺旋体220的螺旋中心轴(C)方向布置。输出轴430包括第一轴体431、第二轴体432和从第二轴体432延伸的轴端435。第一轴体431具有连接孔433。由于连接轴420与螺旋体220固定连接，而且螺旋体220在变形时螺旋直径会变化，从而导致连接轴420会在垂直于螺旋中心轴(C)方向的位移，因此所述连接孔433的尺寸与连接轴420的直径匹配，优选采用间隙配合，以允许连接轴420穿过该连接孔433并且能够进行相对自由的移动。第二轴体432与安装在底板140上的轴承440(例如深沟球轴承440)同轴配合。如图2所示，相应地，支架部件100的底板140设有轴承440支撑部，从而通过支架部件100对输出轴430支撑。第二轴体432与第一轴体431之间形成有轴肩，从而使得输出轴430的第二轴体432与轴承440有精确的定位。此外，输出部件400还可以包括与输出轴430同轴连接的编码器410(比如是单圈型绝对编码器410)，该编码器410可以设置在支架部件100的柱形空间内，也可以设置在底板140之外与输出轴430的轴端435连接。

此外，根据本发明的柱形驱动器还可以包括与编码器410通信连接的运动控制器以及与记忆合金丝300接触连接的加热装置。所述加热装置包括PWM波电压模块、STM32开发板和电源。

根据本发明的柱形驱动器的旋转运动是依靠记忆合金丝300的受热变形来实现。而记忆合金丝300的加热依靠加热装置的不同电压的输入。

在通电加热记忆合金丝300时，螺旋弹簧组件200会发生弹性变形，断电降温后，螺旋弹簧组件200会恢复原形。

在一个实施例中，根据本发明的柱状驱动器的控制方法，包括以下步骤：

通过加热装置对记忆合金丝300加热，使得记忆合金丝300受热缩短，从而带动螺旋弹簧组件200变形，进而使螺旋弹簧组件200的自由端带动输出部件400沿第一方向转动；

通过加热装置减低或清除对记忆合金丝300的加热温度，使得记忆合金丝300恢复长度，从而带动螺旋弹簧组件200恢复形状，进而使螺旋弹簧组件200的自由端带动输出部件400沿第二方向转动；

通过编码器410获取输出部件400的转角位置；

通过PWM波电压调节加热装置的温度变化速率，控制第一方向或第二方向的转动速度。

在一个具体的实施例中，记忆合金丝300的收缩率为5％7％，相变温度为80℃。通过实验验证，即通过PWM波调节通6V电压22s，再切换为2.5V电压进行保温，当温度加热至8090℃时该螺旋驱动器旋转角度为151°。除上述的通电方式之外，还可以采用PWM电流模块进行加热。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (8)

1.一种柱状驱动器，其特征在于，包括：

支架部件(100)，该支架部件(100)包括支撑件、圆形的顶板(110)和底板(140)，其中支撑件固定在所述的顶板(110)和底板(140)之间，以形成顶板(110)和底板(140)之间的柱形空间；

设置在所述的柱形空间内的螺旋弹簧组件(200)，所述的螺旋弹簧组件(200)具有固定端和自由端，所述的固定端与支架部件(100)固定连接；

设置成沿螺旋方向绕所述的螺旋弹簧组件(200)外周的记忆合金丝(300)；

与所述的螺旋弹簧组件(200)的自由端连接的输出部件(400)；

所述的螺旋弹簧组件(200)包括：

与所述的支架部件(100)的顶板(110)固定的弹簧座(210)；

从所述的弹簧座(210)延伸的弹性的螺旋体(220)，该螺旋体(220)的外周设有螺旋凹槽(221)以容纳所述的记忆合金丝(300)；

所述的螺旋体(220)靠近弹簧座(210)的一端通过第一固定端子(510)与螺旋凹槽(221)中的记忆合金丝(300)固定连接；

所述的第一固定端子(510)贯穿设有通孔(512)；

所述的弹簧座(210)包括：

用于容纳所述的第一固定端子(510)的侧孔(211)；

贯穿至所述的侧孔(211)的螺丝孔(213)；

所述的螺旋弹簧组件(200)包括过渡形成在所述的弹簧座(210)和所述的螺旋体(220)之间的锲形部(230)，

该锲形部(230)设有连通至所述的螺旋凹槽(221)的斜孔(231)，

其中，允许来自螺旋凹槽(221)记忆合金丝(300)穿过第一固定端子(510)的通孔(512)后进入所述的斜孔(231)，并且由螺丝孔(213)中的螺丝对第一固定端子(510)实施固定，从而使得第一固定端子(510)拉紧或压紧记忆合金丝(300)。

所述的螺旋弹簧组件(200)的自由端设有朝向螺旋中心轴(C)的连接部(223)，所述的输出部件(400)包括：

沿所述的螺旋中心轴(C)方向布置的输出轴(430)，该输出轴(430)与安装在所述的底板(140)上的轴承(440)同轴配合；

穿过所述的输出轴(430)后与所述的连接部(223)固定连接的连接轴(420)，该连接轴(420)被配置成与所述螺旋中心轴(C)垂直；

所述的输出轴(430)包括具有连接孔(433)的第一轴体(431)，该连接孔(433)的尺寸与所述的连接轴(420)的直径匹配，以允许连接轴(420)穿过该连接孔(433)并且能够进行相对移动。

2.根据权利要求1所述的柱状驱动器，其特征在于，至少所述的螺旋凹槽(221)设有绝缘层(222)。

3.根据权利要求1所述的柱状驱动器，其特征在于，所述的螺旋体(220)在自由端通过第二固定端子(520)与所述的记忆合金丝(300)固定连接。

4.根据权利要求3所述的柱状驱动器，其特征在于：

所述的第一固定端子(510)具有空心柱的形状，并且包括成形在空心柱壁上的切平面(511)，并且所述通孔(512)贯穿空心柱壁；

所述的螺旋体(220)的截面为矩形；

所述的第二固定端子(520)包括矩形槽(521)和设置在矩形槽(521)的边缘的边孔(522)，

其中允许记忆合金丝(300)穿进所述的边孔(522)，从而使得第二固定端子(520)固定套接在所述的螺旋体(220)的自由端时连同记忆合金丝(300)一起定位和固定。

5.根据权利要求4所述的柱状驱动器，其特征在于，所述的弹簧座(210)包括：

成形在侧孔(211)中的，与所述的第一固定端子(510)的切平面(511)匹配的横面(212)；

所述的螺丝孔(213)贯穿所述横面(212)。

6.根据权利要求1所述的柱状驱动器，其特征在于，所述的输出轴(430)包括：

与所述的轴承(440)配合的第二轴体(432)，该第二轴体(432)与所述的第一轴体(431)之间形成有轴肩；

从所述的第二轴体(432)延伸的轴端(435)。

7.根据权利要求1所述的柱状驱动器，其特征在于，还包括：

与所述的输出轴(430)同轴连接的编码器(410)；

与所述的编码器(410)通信连接的运动控制器；

与所述的记忆合金丝(300)接触连接的加热装置。

8.一种根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的柱状驱动器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过加热装置对所述的记忆合金丝(300)加热，使得记忆合金丝(300)受热缩短，从而带动所述的螺旋弹簧组件(200)变形，进而使螺旋弹簧组件(200)的自由端带动所述的输出部件(400)沿第一方向转动；

通过加热装置减低或清除对记忆合金丝(300)的加热温度，使得记忆合金丝(300)恢复长度，从而带动所述的螺旋弹簧组件(200)恢复形状，进而使螺旋弹簧组件(200)的自由端带动所述的输出部件(400)沿第二方向转动；

通过PWM波电压调节加热装置的温度变化速率，控制所述的第一方向或第二方向的转动速度。

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