CN114123858B - 一种径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器及其驱动方法，包括底座、形状记忆合金丝部分、驱动轴部分和输出轴部分。输出轴部分包括偏心轴和输出轴。三组形状记忆合金丝部分分别通过沉头钉固定在底座上，驱动轴嵌套在偏心轴内部，输出轴与偏心轴通过沉头钉连接。在工作过程中，分别利用电或热激励三组形状记忆合金丝收缩，协调拉动驱动轴使偏心轴产生定向转动，从而使执行器实现连续圆周运动。该装置不仅可以输出无限行程的旋转位移，而且能够实现较大的转矩，可被广泛应用于机器人、汽车工业、航空航天等高尖端科技领域，具有良好的商业化前景。

Description

一种径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器及其驱动方法

技术领域

本发明涉及机械自动化技术领域，特别是涉及一种径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器及其驱动方法。

背景技术

随着科技的发展和进步，高效率、自动化逐渐成为高端装备发展的必然要求。其中，执行器作为驱动部件，是自动控制系统中必不可少的一个重要组成部分，是航空航天、汽车工业及机器人等高端装备领域的共性支撑单元。

执行器由执行机构和调节机构两部分组成，是一种能够在某种控制信号作用下，利用气体、电力、液体或其它驱动能源，提供直线或旋转运动的驱动装置。其中，其驱动和传动方式是动力源和执行器之间能量转换和运动控制不可或缺的环节，是推动工业向高能效、数字化和智能化发展的关键。

当前，在能源驱动方面，伺服电机与滚珠丝杠构成的直线驱动与传动系统，具有能量效率高、控制特性好、电驱电动一体化的优点，但是，其系统功重比小，力重比小，受动力耦合方式制约；液压传动虽具有功重比大、动力分配传递方便的优点，但受传动机理制约，存在能量效率低的致命不足，此外，航空航天的应用需求使其在密封和温控问题面临挑战。在动力传递方面，传统上的齿条及齿轮直线传动在配合上容易产生卡死现象；在高速运动时，其较低的动态刚性容易引起部分共振，不能起到缓冲阻尼的作用，影响执行器的使用。

为此，发明一种集成化、高效能、工作行程长、输出扭矩大的旋转执行器具有十分重要的科学意义和工程价值。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器及其驱动方法，可弥补当前执行器所存在的缺陷，该执行器结构简单、可操作性强，能够利用形状记忆效应，将热能转换为机械能，且具有连续旋转运动能力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器，包括底座、形状记忆合金丝调节部分、驱动轴部分和输出轴部分，

所述形状记忆合金丝调节部分包括结构组成相同的n组调节装置，

各调节装置包括形状记忆合金丝、空心螺栓、调节架、槽轮和调节螺母，所述调节架和槽轮分别通过沉头钉固定在底座上；所述形状记忆合金丝的一端绕过槽轮后穿过空心螺栓并固定在空心螺栓的头部位置；所述空心螺栓通过调节螺母固定在调节架上并用于调节形状记忆合金丝的初始长度；前一组调节装置中的槽轮和后一组调节装置中的调节架紧邻设置在底座一角，底座上相邻两角与所述底座圆心所形成的夹角为360°/n；

所述驱动轴部分包括形状记忆合金丝垫片、驱动轴和驱动轴挡圈，沉头钉通过所述形状记忆合金丝垫片将形状记忆合金丝的另一端固定在所述驱动轴顶部；

所述输出轴部分主要包括偏心轴和输出轴，所述输出轴通过沉头钉与偏心轴连接，所述驱动轴部分嵌套在偏心轴内部。

优选地，所述调节装置的数量为三组，三组调节装置分别为A组调节装置、B组调节装置和C组调节装置，A组调节装置中的调节架和B组调节装置中的槽轮、B组调节装置中的调节架和C组调节装置中的槽轮以及C组调节装置中的调节架和A组调节装置中的槽轮两两一组与所述底座圆心所形成的夹角为120°。

优选地，所述驱动轴、槽轮以及空心螺栓均由高强度耐磨绝缘材料氧化铝陶瓷或者环氧玻璃纤维定制而成。

本发明还提供一种径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器驱动方法，包括上述的径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器，还包括以下步骤：

A.利用电或热激励A组调节装置中的形状记忆合金丝收缩，拉动驱动轴，此时执行器处于状态a；

B.停止激励A组调节装置中的形状记忆合金丝，激励B组调节装置中的形状记忆合金丝收缩，拉动驱动轴，使得偏心轴逆时针旋转120°，此时执行器处于状态b；

C.停止激励B组调节装置中的形状记忆合金丝，激励C组调节装置中的形状记忆合金丝收缩，拉动驱动轴，使得偏心轴逆时针再旋转120°，此时执行器处于状态c；

D.停止激励C组调节装置中的形状记忆合金丝，激励A组调节装置中的形状记忆合金丝收缩，拉动驱动轴，使得偏心轴逆时针再次旋转120°，此时执行器回到状态a；

执行器经过状态a→状态b→状态c→状态a，偏心轴累积旋转360°后，又回到初始状态，不断重复该过程，执行器便可实现逆时针连续旋转运动；对换A组调节装置中的形状记忆合金丝和C组调节装置中的形状记忆合金丝的激励次序，执行器便可实现顺时针连续旋转运动。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器及其驱动方法，结构紧凑，工作行程长，输出扭矩大，且具有连续旋转运动能力；该执行器不仅可以输出无限行程的旋转位移，而且能够实现较大的转矩，可被广泛应用于机器人、汽车工业、航空航天等高尖端科技领域，具有良好的商业化前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器的整体结构示意图；

图2为本发明驱动轴部分和输出轴部分的结构示意图；

图3为本发明的运动过程示意图；

其中，1、底座；2、第一形状记忆合金丝；3、第一沉头钉；4、第一槽轮；5、第一空心螺栓；6、第一调节螺母；7、第一调节架；8、第二沉头钉；9、第二形状记忆合金丝；10、第三沉头钉；11、第二槽轮；12、第二调节架；13、第二空心螺栓；14、第二调节螺母；15、第四沉头钉；16、第三形状记忆合金丝；17、第三槽轮；18、第五沉头钉；19、第三空心螺栓；20、第三调节螺母；21、第三调节架；22、第六沉头钉；23、第七沉头钉；24、形状记忆合金丝垫片；25、第一轴承；26、驱动轴；27、第二轴承；28、驱动轴挡圈；29、第八沉头钉；30、第三轴承；31、偏心轴；32、第四轴承；33、输出轴；34、第九沉头钉。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器及其驱动方法，可弥补当前执行器所存在的缺陷，该执行器结构简单、可操作性强，能够利用形状记忆效应，将热能转换为机械能，且具有连续旋转运动能力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图3所示，本实施例提供一种径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器，包括底座1、形状记忆合金丝调节部分、驱动轴部分和输出轴部分。

形状记忆合金丝调节部分主要由三组调节装置组成，分别为A、B、C，该三组调节装置两两与底座1圆心所形成的夹角为120°(若设计为n组调节装置，则两两与底座圆心所形成的夹角为360°/n)。A组调节装置包括第一形状记忆合金丝2、第一沉头钉3、第六沉头钉22、第三空心螺栓19、第三调节架21、第一槽轮4、第三调节螺母20；B组调节装置包括第三形状记忆合金丝16、第四沉头钉15、第五沉头钉18、第二空心螺栓13、第二调节架12、第三槽轮17、第二调节螺母14；C组调节装置包括第二形状记忆合金丝9、第二沉头钉8、第三沉头钉10、第一空心螺栓5、第一调节架7、第二槽轮11、第一调节螺母6。

以A组调节装置为例，B、C两组调节装置与A组调节装置中的零部件数量及其摆放安装位置均相同。第三调节架21和第一槽轮4分别通过第六沉头钉22和第一沉头钉3固定在底座1上；第一形状记忆合金丝2绕过第一槽轮4，穿过第三空心螺栓19，固定在第三空心螺栓19顶部位置；第三空心螺栓19通过第三调节螺母20固定在第三调节架21上，用于调节NiTi第一形状记忆合金丝2的初始长度。

驱动轴部分主要包括第七沉头钉23、第八沉头钉29、形状记忆合金丝垫片24、驱动轴26、驱动轴挡圈28、第一轴承25和第二轴承27。第七沉头钉23通过形状记忆合金丝垫片24将三组调节装置中的三条形状记忆合金丝一端固定在驱动轴26顶部；驱动轴26嵌套在第一轴承25和27内部。

输出轴部分主要包括第三轴承30、第四轴承32、偏心轴31、输出轴33和第一第九沉头钉34。偏心轴31嵌套在第三轴承30和第四轴承32内部；输出轴33通过第一第九沉头钉34与偏心轴31连接；驱动轴部分嵌套在偏心轴31内部。

驱动轴26、各槽轮以及空心螺栓均由高强度耐磨绝缘材料氧化铝陶瓷或者环氧玻璃纤维定制而成。

本发明中径向曲柄连杆机构驱动的形状记忆合金旋转执行器，其驱动过程为：

三组调节装置中的NiTi形状记忆合金丝通过电或热激励自响应收缩，协调牵引驱动轴26，带动偏心轴31转动，进而由输出轴33实现扭矩输出。具体步骤如下：

A.利用电或热激励第一形状记忆合金丝2收缩，拉动驱动轴26，执行器处于状态a。

B.停止激励第一形状记忆合金丝2，激励第三形状记忆合金丝16收缩，拉动驱动轴26，偏心轴31逆时针旋转120°，执行器处于状态b。

C.停止激励第三形状记忆合金丝16，激励第二形状记忆合金丝9收缩，拉动驱动轴26，偏心轴31逆时针再旋转120°，执行器处于状态c。

D.停止激励第二形状记忆合金丝9，激励第一形状记忆合金丝2收缩，拉动驱动轴26，偏心轴31逆时针再旋转120°，执行器回到状态a。

执行器经过状态(a)→状态(b)→状态(c)→状态(a)，偏心轴31累积旋转360°后，又回到初始状态。不断重复该过程，执行器便可实现逆时针连续旋转运动。

对换第二形状记忆合金丝9和第一形状记忆合金丝2的激励次序，执行器便可实现顺时针连续旋转运动。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种径向曲柄连杆机构驱动的旋转执行器，其特征在于：包括底座、形状记忆合金丝调节部分、驱动轴部分和输出轴部分，

形状记忆合金丝调节部分主要由三组调节装置组成，分别为A、B、C，该三组调节装置两两与底座(1)圆心所形成的夹角为120°；

A组调节装置包括第一形状记忆合金丝（2）、第一沉头钉（3）、第六沉头钉（22）、第三空心螺栓（19）、第三调节架（21）、第一槽轮（4）、第三调节螺母（20），其中，所述第三调节架（21）和所述第一槽轮（4）分别通过所述第六沉头钉（22）和所述第一沉头钉（3）固定在底座（1）上；所述第一形状记忆合金丝（2）绕过所述第一槽轮（4），穿过所述第三空心螺栓（19），固定在所述第三空心螺栓（19）顶部位置；所述第三空心螺栓（19）通过所述第三调节螺母（20）固定在所述第三调节架（21）上，用于调节所述第一形状记忆合金丝（2）的初始长度；

B组调节装置包括第三形状记忆合金丝（16）、第四沉头钉（15）、第五沉头钉（18）、第二空心螺栓（13）、第二调节架（12）、第三槽轮（17）、第二调节螺母（14）；

C组调节装置包括第二形状记忆合金丝（9）、第二沉头钉（8）、第三沉头钉（10）、第一空心螺栓（5）、第一调节架（7）、第二槽轮（11）、第一调节螺母（6）；

B、C两组调节装置与A组调节装置中的零部件数量及其摆放安装位置均相同；

所述驱动轴部分，包括第七沉头钉（23）、第八沉头钉（29）、形状记忆合金丝垫片（24）、驱动轴（26）、驱动轴挡圈（28）、第一轴承（25）和第二轴承（27）；

所述第七沉头钉（23）通过所述形状记忆合金丝垫片（24）将三组调节装置中的三条形状记忆合金丝一端固定在所述驱动轴（26）顶部；所述驱动轴（26）嵌套在所述第一轴承（25）和所述第二轴承（27）内部；

所述输出轴部分，包括第三轴承（30）、第四轴承（32）、偏心轴（31）、输出轴（33）和第九沉头钉（34）；

所述偏心轴（31）嵌套在所述第三轴承（30）和所述第四轴承（32）内部；

所述输出轴（33）通过所述第九沉头钉（34）与所述偏心轴（31）连接；

所述驱动轴部分嵌套在所述偏心轴（31）内部；

旋转执行器的驱动过程为：

三组调节装置中的形状记忆合金丝通过电或热激励自响应收缩，协调牵引驱动轴（26），带动偏心轴（31）转动，进而由输出轴（33）实现扭矩输出，具体步骤如下：

A.利用电或热激励第一形状记忆合金丝（2）收缩，拉动驱动轴（26），执行器处于状态a；

B.停止激励第一形状记忆合金丝（2），激励第三形状记忆合金丝（16）收缩，拉动驱动轴（26），偏心轴（31）逆时针旋转120°，执行器处于状态b；

C.停止激励第三形状记忆合金丝（16），激励第二形状记忆合金丝（9）收缩，拉动驱动轴（26），偏心轴（31）逆时针再旋转120°，执行器处于状态c；

D.停止激励第二形状记忆合金丝（9），激励第一形状记忆合金丝（2）收缩，拉动驱动轴（26），偏心轴（31）逆时针再旋转120°，执行器回到状态a;

执行器经过状态a→状态b→状态c→状态a，偏心轴(31)累积旋转360°后，又回到初始状态，不断重复该过程，执行器便实现逆时针连续旋转运动；

对换第二形状记忆合金丝（9）和第一形状记忆合金丝（2）的激励次序，执行器便可实现顺时针连续旋转运动。