CN210476956U - 一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，在机器人手臂上设置有SMA弹簧驱动装置，SMA弹簧驱动装置中设置有四根SMA弹簧和弹簧，四根SMA弹簧均连接有控制系统，室温下弹簧处于拉伸状态，四根SMA弹簧处于压缩状态，控制系统对相应的SMA弹簧进行加热，随着温度的升高，SMA弹簧的刚性系数变大，SMA弹簧将恢复原本的形状，从而克服了弹簧的作用力，实现对机器人手臂的控制，给四根SMA弹簧不同的加热温度，使四根SMA弹簧刚性系数产生不同，使每根SMA弹簧的伸长量不同，从而使SMA弹簧驱动装置发生偏转，实现对零件小范围内的加工，同时SMA弹簧驱动装置结构简单，成本低，噪声小，不会对环境造成污染，是代替液压驱动和电机驱动的最佳选择。

Description

一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，具体为一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂。

背景技术

机器人手臂是在机械领域中应用最广泛的自动化机械装置，机器人手臂接收指令，通过旋转、平移和伸缩来实现零件的加工，现有技术中的机器人手臂都是通过液压系统和电机来实现驱动，而电机和液压系统驱动机器人手臂噪声大，在工厂中往往会配置多台机器人手臂进行加工，进一步的增大了噪声，使工作环境变得恶劣，同时噪声对身体有一定的损害，因此减小机器人手臂带来的噪声一直是需要攻克的难题，同时液压系统需要提供压力油泵，驱动源复杂，成本高，液压系统内的油液易泄露造成环境污染，要实现液压智能化控制，必须经过电-液、电-气转换元件，转换环节复杂，信号传输滞后，因此，我们需要寻找新的驱动装置来替代液压系统和电机的驱动。

形状记忆合金(SMA)是一种具有形状记忆效应(SME)，集驱动、感知和执行于一体，输入热量即可对外做功的新型智能材料，近年来得到了较快发展。所谓形状记忆效应，是指预先给SMA材料一定量的塑性变形，而后加热SMA至某一温度，由于内部晶体结构发生变化，SMA将克服塑性变形回复到原来形状。在收缩过程中将产生巨大的回复应力，因此可以将其作为驱动力应用到驱动器中。与传统驱动方式相比，以Ti-Ni合金为代表的形状记忆合金具有功率/质量比高、回复位移大(约8％)、回复应力大(约800MPa)、驱动电压低的特点。由于只需提供热量即可驱动，产生的回复应力和回复位移可直接作用在工作部件上，减少了中间传动机构，因此利用Ti-Ni合金可逆应力、应变效应的特点，但现有技术中未能将形状记忆合金运用到机器人手臂上，因此需利用形状记忆合金设计新的驱动装置运用在机器人手臂上。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，在机器人手臂上设置有SMA弹簧驱动装置，SMA弹簧驱动装置中设置有四根SMA弹簧和弹簧，四根SMA弹簧均连接有控制系统，室温下弹簧处于拉伸状态，四根SMA弹簧处于压缩状态，控制系统对相应的SMA弹簧进行加热，随着温度的升高，SMA弹簧的刚性系数变大，SMA弹簧将恢复原本的形状，从而克服了压缩状态，使SMA弹簧驱动装置伸长，对四根SMA弹簧施加相同的温度，实现对机器人手臂的升降，给四根SMA弹簧不同的加热温度，使四根SMA弹簧刚性系数产生不同，从而使每根SMA弹簧的恢复量不同，从而使SMA弹簧驱动装置发生偏转，实现机器人手臂的偏转，同时SMA弹簧驱动装置结构简单，成本低，噪声小，不会对环境造成污染，是代替液压驱动和电机驱动的最佳选择。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，包括机器人手臂，所述机器人手臂包括SMA弹簧驱动装置；

所述SMA弹簧驱动装置包括外壳、活动挡板、固定挡板、弹簧、两个弹簧片和四根SMA弹簧，四根所述SMA弹簧呈圆周分布，四根所述SMA弹簧的两端分别固定在所述活动挡板和固定挡板上，两个所述弹簧片对称设置在所述固定挡板和活动挡板之间，且两端分别与所述固定挡板和活动挡板固定，所述弹簧的两端分别固定在所述固定挡板和活动挡板的中心，所述外壳的两端分别与所述活动挡板和固定挡板固定，所述固定挡板远离所述活动挡板的一端固定有连接体；

所述机器人手臂还包括包括固定底座、套筒、小臂、连接板、大臂固定座和机械爪，所述固定底座上设置有所述套筒，所述套筒的上端面固定有所述连接板，所述连接板上通过螺栓固定有所述大臂固定座，所述小臂与所述活动挡板通过销轴连接，所述连接体固定在所述大臂固定座上，所述小臂远离所述连接体的一端设置有所述机械爪。通过对SMA弹簧加热，从而增大SMA弹簧的刚性系数，使SMA弹簧克服弹簧的回复力而伸长。对四根SMA弹簧施加相同的温度，从而实现机器人升降，对四根SMA弹簧加热不同的温度，使四根SMA弹簧伸长长度不同，从而实现机器人手臂的偏转。SMA弹簧驱动装置取代液压驱动和电机驱动，使机器人手臂具有无噪声、无污染、成本低的优点。

进一步地，所述弹簧室温状态下处于拉伸状态，四根所述SMA弹簧室温状态下处于压缩状态。室温状态下弹簧和SMA弹簧的回复力作用相反，大小相等，当对SMA弹簧加热后，SMA弹簧的刚性系数增大，从而克服弹簧的回复力，使SMA弹簧驱动装置伸长，当SMA弹簧温度降低后，刚性系数减小，导致SMA的回复力小于弹簧的回复力，使SMA弹簧回复到最初状态。

进一步地，还包括SMA弹簧伸缩装置，所述SMA弹簧伸缩装置的一端与所述小臂采用销轴连接，另一端固定在所述大臂固定座上。

进一步地，所述SMA弹簧伸缩装置包括活动挡板a、固定挡板a、弹簧a、两根导向杆a、两根SMA弹簧a和伸缩套筒，所述伸缩套筒的两端分别与所述活动挡板a和所述固定挡板a固定，所述活动挡板a和所述固定挡板b的中心均固定有所述导向杆a，所述弹簧a套设在两根所述导向杆a上，且两端分别与所述活动挡板a和所述固定挡板a固定，两根所述SMA弹簧a的两端分别与所述活动挡板a和所述固定挡板a固定，且两根所述SMA弹簧a关于所述导向杆a对称设置。SMA弹簧伸缩装置配合SMA弹簧驱动装置实现对机器人手臂升降的微调。

进一步地，所述弹簧a室温状态下处于拉伸状态，两根所述SMA弹簧a室温状态下处于压缩状态。

进一步地，还包括半导体制冷片，两根所述SMA弹簧a的一端均连接有所述半导体制冷片。所述半导体制冷片用于对SMA弹簧a的加热和冷却，实现SMA弹簧的伸长和压缩。

进一步地，还包括控制系统，所述控制系统设置在所述连接体内，四根所述SMA弹簧均连接有所述控制系统。

进一步地，所述控制系统包括PC机、电源、控制器、四根加热丝、四个继电器和四个温度传感器，所述PC机与所述控制器电性连接，所述控制器与四个所述继电器电连，四个所述继电器均连接有所述加热丝，四根所述加热丝由所述电源供电，四根所述加热丝分别与四根所述SMA弹簧连接，四根所述SMA弹簧均连接有所述温度传感器，四个所述温度传感器均与所述控制器电性连接。实现控制系统对四根SMA弹簧进行控制，使操作更加简单，同时也使SMA弹簧驱动装置更加精确可控。

本实用新型的有益效果是：

一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，在机器人手臂上设置有SMA弹簧驱动装置，SMA弹簧驱动装置中设置有四根SMA弹簧和弹簧，四根SMA弹簧均连接有控制系统，室温下弹簧处于拉伸状态，四根SMA弹簧处于压缩状态，控制系统对相应的SMA弹簧进行加热，随着温度的升高，SMA弹簧的刚性系数变大，SMA弹簧将恢复原本的形状，从而克服了弹簧的回复力，从而使SMA弹簧驱动装置伸长或者弯曲。对四根SMA弹簧施加相同的温度，实现对机器人手臂的升降，给四根SMA弹簧不同的加热温度，使四根SMA弹簧刚性系数产生不同，从而使每根SMA弹簧的回复力不同，从而使SMA弹簧驱动装置发生偏转，实现机器人手臂的偏转，实现对零件小范围内的加工，同时SMA弹簧驱动装置结构简单，成本低，噪声小，不会对环境造成污染，是代替液压驱动和电机驱动的最佳选择；

同时还设置有SMA弹簧伸缩装置，SMA弹簧伸缩装置的两端分别设置在小臂和大臂固定座上， SMA弹簧伸缩装置中的弹簧a均设置有半导体制冷片，通过半导体制冷片对弹簧a进行加热和冷却，实现对小臂的伸长，配合SMA弹簧驱动装置对机器人手臂升降进行微调。

附图说明

图1为本实用新型一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂中SMA弹簧驱动装置剖视图；

图2为本实用新型一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂中SMA弹簧伸缩装置剖视图；

图3为本实用新型一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂中SMA弹簧驱动装置整体结构示意图；

图4为本实用新型一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂中半导体制冷片结构示意图；

图中，1-SMA弹簧驱动装置，2-机器人手臂，3-SMA弹簧伸缩装置，5-控制系统，10-外壳，11-活动挡板，12-固定挡板，13-弹簧片，14-弹簧，15-SMA弹簧，16-连接体，21-固定底座，22-套筒， 27-小臂，28-连接板，29-大臂固定座，30-机械爪，31-活动挡板a，32-固定挡板a，33-弹簧a，34-导向杆a，35-SMA弹簧a，36-伸缩套筒。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下。

如图1和图3所示，一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，包括机器人手臂2，机器人手臂2包括SMA弹簧驱动装置1；

SMA弹簧驱动装置1包括外壳10、活动挡板11、固定挡板12、弹簧14、两个弹簧片13和四根SMA弹簧15，四根SMA弹簧呈圆周分布，四根SMA弹簧15的两端分别固定在活动挡板11和固定挡板12上，两个弹簧片13对称设置在固定挡板12和活动挡板11之间，且两端分别与固定挡板12和活动挡板11固定，弹簧14的两端分别固定在固定挡板12和活动挡板11的中心，外壳10的两端分别与活动挡板11和固定挡板12固定，固定挡板12远离活动挡板11的一端固定有连接体16；

机器人手臂2还包括包括固定底座21、套筒22、小臂27、连接板28、大臂固定座29和机械爪30，固定底座21上设置有套筒22，套筒22的上端面固定有连接板28，连接板28上通过螺栓固定有大臂固定座29，小臂27与活动挡板11通过销轴连接，连接体16固定在大臂固定座29上，小臂27远离连接体16的一端设置有机械爪30，弹簧14室温状态下处于拉伸状态，四根SMA弹簧15室温状态下处于压缩状态；

还包括控制系统5，控制系统设置在连接体16内，四根SMA弹簧15均连接有控制系统5，控制系统5包括PC机、电源、控制器、四根加热丝、四个继电器和四个温度传感器，PC机与控制器电性连接，控制器与四个继电器电连，四个继电器均连接有加热丝，四根加热丝由电源供电，四根加热丝分别与四根SMA弹簧15连接，四根SMA弹簧15均连接有温度传感器，四个温度传感器均与控制器电性连接。

形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy，简称SMA)是一种具有形状记忆效应，能感知温度和位移，并能将热能转换成机械能的新型功能材料。形状记忆合金材料本质上是一种晶体结构，在受到外部温度变化时，引起热弹性马氏体相变，晶体结构由一种结构向另一种晶体结构转变。高温时，晶体结构为奥氏体相(A)，低温时为马氏体相(M)。随着温度变化，两种晶体结构会相互转变，SMA材料的物理参数会发生相应变化，弹性模量、机械性能、电阻率都会随之改变。在初始状态下(低温或室温)，给定SMA元件一个初始形变，当温度加热到As(马氏体逆相变点)时，SMA开始相变直到高温相奥氏体状态，输出形变量；当温度降低到Ms(马氏体相变)点，SMA开始逆相变直到低温相马氏体状态，SMA重新恢复到初始状态，输出位移量；

根据上述形状记忆合金的特性，本申请设计了SMA弹簧驱动装置1用于在机器人手臂2上，解决液压系统和电气系统带来了噪声大、污染严重和成本高等问题，本申请一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂2具体实施过程为：先给四根SMA弹簧15初始形变，使SMA弹簧15在室温下处于压缩状态，在室温状态下弹簧14处于伸长状态， SMA弹簧15与弹簧14产生大小相同，方向相反的作用力，使SMA弹簧驱动装置1室温状态下处于平衡状态，通过通过控制系统中的PC机发布指令，使相应SMA弹簧15上的继电器闭合，使相应的加热丝通过，加热丝发热进而对相连接的SMA 弹簧15进行加热，SMA弹簧15在加热后刚性系数增大，SMA弹簧15将克服弹簧14的作用力恢复到本身长度，进行实现了SMA弹簧驱动装置1的伸长，温度传感器检测每跟SMA弹簧15温度，由于加热丝的发热跟电流成正比，通过PC机输入参数，控制发热丝的发热温度，进而使每跟SMA弹簧15的伸长量可控。同时对四根SMA弹簧15加热相同的温度，实现机器人手臂2的升降，对每跟SMA弹簧15加热不同的温度，使SMA弹簧驱动装置1发生不同角度的偏转，从而实现机器人手臂2的不同角度的偏转。需要注意的是，SMA弹簧驱动装置1中的外壳10采用具有一定刚性的弹性件，来配合SMA弹簧15的伸长和弯曲，同时还设置有两个弹簧片13，弹簧片13为具有刚性的弹性材料，与外壳10配合，使SMA弹簧驱动装置1具有一定的刚性，保证SMA弹簧驱动装置1升降和偏转动作的实施。

如图2和图4所示，还包括SMA弹簧伸缩装置3，SMA弹簧伸缩装置3的一端与小臂27采用销轴连接，另一端固定在大臂固定座29上，SMA弹簧伸缩装置3包括活动挡板a31、固定挡板a32、弹簧a33、两根导向杆a34、两根SMA弹簧a35和伸缩套筒36，伸缩套筒36的两端分别与活动挡板a31和固定挡板a32固定，活动挡板a31和固定挡板b32的中心均固定有导向杆a34，弹簧a33套设在两根导向杆a34上，且两端分别与活动挡板a31和固定挡板a32固定，两根SMA弹簧a35的两端分别与活动挡板a31和固定挡板a32固定，且两根SMA弹簧a35关于导向杆a34对称设置，弹簧a33室温状态下处于拉伸状态，两根SMA弹簧a35室温状态下处于压缩状态，还包括半导体制冷片，两根所述SMA弹簧a35的一端均连接有所述半导体制冷片。

SMA弹簧伸缩装置3的原理与上述SMA弹簧驱动装置1的原理一致， SMA弹簧伸缩装置3配合SMA弹簧伸驱动装置1实现对机器人手臂摆动和升降，具体实施过程为：给SMA弹簧a35和SMA弹簧15施加相同的温度，使SMA弹簧驱动装置1和SMA弹簧伸缩装置3伸长相同的长度，只实现机器人手臂2的升降，只给SMA弹簧15施加温度，则实现了机器人手臂绕着SMA弹簧伸缩装置3与小臂27连接处进行上下摆动，给SMA弹簧a和SMA弹簧15施加不同的温度，则实现了机器人手臂2的升降和摆动。对四根SMA弹簧15施加不同的温度实现机器人手臂2偏转时，需对两根SMA弹簧a35也施加不同的温度来配合SMA弹簧驱动装置1实现偏转动作。

SMA弹簧伸缩装置3采用半导体制冷片对SMA弹簧a35进行加热和冷却，使装置更加简单易操作，进一步地降低了成本。需注意的是，两个SMA弹簧a35均套设有套管，防止热量的散失，同时保护了SMA弹簧a35不被损坏。半导体制冷片是一种制热和制冷元件，包括冷端和热端，可将热端或者冷端与SMA弹簧a35连接，冷端和热端相对的一面均贴有金属导体，冷端和热端之间设置有若干N型半导体和若干P型半导体，N型半导体和P型半导体交叉设置，多对P型和N型半导体电极组成的热电偶，通电后可实现热能相互转换，当接上直流电源后，在半导体两端产生温差，其中一个接头吸热，温度降低，形成冷端；另一个接头放热，温度升高，形成热端。在运用到本实用新型中时，热端对SMA弹簧a35加热，冷端对SMA弹簧a35制冷，只要改变电流方向即可以实现热交换过程反向，热交换率直接与所通电流相关，因此可以通过控制电流控制SMA的动作，实现智能化控制。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，其特征在于，包括机器人手臂（2），所述机器人手臂（2）包括SMA弹簧驱动装置（1）；

所述SMA弹簧驱动装置（1）包括活动挡板（11）、固定挡板（12）、弹簧（14）、两个弹簧片（13）和四根SMA弹簧（15），四根所述SMA弹簧（15）呈圆周均布，四根所述SMA弹簧（15）的两端分别固定在所述活动挡板（11）和固定挡板（12）上，两个所述弹簧片（13）对称设置在所述固定挡板（12）和活动挡板（11）之间，两个所述弹簧片（13）的两端分别与所述固定挡板（12）和活动挡板（11）固定，所述弹簧（14）的两端分别固定在所述固定挡板（12）和活动挡板（11）的中心，所述固定挡板（12）远离所述活动挡板（11）的一端固定有连接体（16）；

所述机器人手臂（2）还包括固定底座（21）、套筒（22）、小臂（27）、连接板（28）、大臂固定座（29）和机械爪（30），所述固定底座（21）上设置有所述套筒（22），所述套筒（22）的上端面固定有所述连接板（28），所述连接板（28）上通过螺栓固定有所述大臂固定座（29），所述连接体（16）固定在所述大臂固定座（29）上，所述小臂（27）与所述活动挡板（11）通过销轴连接，所述小臂（27）远离所述活动挡板（11）的一端设置有所述机械爪（30）。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，其特征在于，所述弹簧（14）室温状态下处于拉伸状态，四根所述SMA弹簧（15）室温状态下处于压缩状态。

3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，其特征在于，还包括SMA弹簧伸缩装置（3），所述SMA弹簧伸缩装置（3）的一端与所述小臂（27）采用销轴连接，所述SMA弹簧伸缩装置（3）的另一端固定在所述大臂固定座（29）上。

4.根据权利要求3所述的一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，其特征在于，所述SMA弹簧伸缩装置（3）包括活动挡板a（31）、固定挡板a（32）、弹簧a（33）、两根导向杆a（34）、两根SMA弹簧a（35）和伸缩套筒（36），所述伸缩套筒（36）的两端分别与所述活动挡板a（31）和所述固定挡板a（32）固定，所述活动挡板a（31）和所述固定挡板a（32）的中心均固定有所述导向杆a（34），所述弹簧a（33）套设在两根所述导向杆a（34）上，且两端分别与所述活动挡板a（31）和所述固定挡板a（32）固定，两根所述SMA弹簧a（35）的两端分别与所述活动挡板a（31）和所述固定挡板a（32）固定，且两根所述SMA弹簧a（35）关于所述导向杆a（34）对称设置。

5.根据权利要求4所述的一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，其特征在于，所述弹簧a（33）室温状态下处于拉伸状态，两根所述SMA弹簧a（35）室温状态下处于压缩状态。

6.根据权利要求5所述的一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，其特征在于，还包括半导体制冷片，两根所述SMA弹簧a（35）的一端均连接有所述半导体制冷片。

7.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，其特征在于，还包括控制系统（5），所述控制系统设置在所述连接体（16）内，四根所述SMA弹簧（15）均连接有所述控制系统（5）。

8.根据权利要求7所述的一种基于形状记忆合金驱动的机器人手臂，其特征在于，所述控制系统（5）包括PC机、电源、控制器、四根加热丝、四个继电器和四个温度传感器，所述PC机与所述控制器电性连接，所述控制器与四个所述继电器均电连，四个所述继电器均连接有所述加热丝，四根所述加热丝由所述电源供电，四根所述加热丝分别与四根所述SMA弹簧（15）连接，四根所述SMA弹簧（15）均设置有所述温度传感器，四个所述温度传感器均与所述控制器电性连接。

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