CN210589372U - 基于sma驱动的模块化扭转单元体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于SMA驱动的模块化扭转单元体，涉及机器人技术领域，包括刚性弹簧、第一关节端盖、第二关节端盖和若干SMA弹簧，第一关节端盖与第二关节端盖相对设置，刚性弹簧的两端分别与第一关节端盖的中心和第二关节端盖的中心连接，若干SMA弹簧的两端均分别与两个关节端盖固定连接；若干SMA弹簧均与刚性弹簧交错设置，若干SMA弹簧与第一关节端盖的连接点a以连接件a的旋转轴心为中心均布设置，若干SMA弹簧与第二关节端盖的连接点b以连接件b的旋转轴心为中心均布设置，若干SMA弹簧的中心线与第一关节端盖的夹角均相等。该模块化扭转单元体可实现扭转运动功能，其结构简单，采用模块化设计，可连接到不同的结构中组装成不同的机器人，适用性强。

Description

基于SMA驱动的模块化扭转单元体

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体为基于SMA驱动的模块化扭转单元体。

背景技术

机器人指能自动执行任务的人造机器装置，靠自身动力和控制能力来实现各种功能，以取代或协助人类工作。在机器人本体上通常设置多个运动副，通过不同的运动组合，使机器人完成不同的动作过程。上述运动副主要包括移动副和转动副，而对于一些结构而言，一端固定，另一端相对于其固定端绕轴线转动的运动称为扭转运动，其亦是转动副的一种，是机器人的一种基础运动，对于机器人的运动合成有着极为重要的作用。目前，机器人的扭转运动通常是选用电机或液压马达进行驱动，需要根据使用情况设计专门的传动机构。这些扭转运动机构通常结构复杂、零部件多、制作成本高，且占用空间大，常常因为空间局限导致设计受限，增加了机器人的设计制造难度。譬如一些专用机器人，其运动关节处在动作过程中既要求在一定角度范围内转动又要求同时在旋转动作的轴向上进行移动（如拆卸螺钉的动作过程），其通常需要设置两套驱动装置或设计极为复杂的传动机构才可实现，设计制造就较为困难。

另外，传统的机器人因其自身结构复杂等特点，在一些非结构化的应用空间以及狭小的使用环境下，并不能协助人类工作。对此，目前已出现软体机器人这一新型机器人，其能够适应各种非结构化环境，与人类的交互也更安全。软体机器人的本体利用柔软材料制作，其区别于传统机器人的一个重要优势是能够进入一些地形狭窄或不规则的地方，完成复杂的运动，开展作业。作为新型机器人，软体机器人的技术尚未完全成熟，而不断研发新型软体机器人，对其结构进行优化设计，亦是本领域技术人员研究的重要方向。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供基于SMA驱动的模块化扭转单元体，通过驱动SMA弹簧可实现单元体两端在一定角度范围内转动，其结构简单，采用模块化设计，可连接到不同的结构中组装成不同的机器人，适用性强，具有较强的推广意义。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

基于SMA驱动的模块化扭转单元体，包括刚性弹簧、第一关节端盖、第二关节端盖和若干SMA弹簧，所述第一关节端盖与第二关节端盖相对设置，所述刚性弹簧的两端分别与所述第一关节端盖和第二关节端盖的中心连接，若干所述SMA弹簧的两端均分别与所述第一关节端盖和第二关节端盖固定连接；

若干所述SMA弹簧均与所述刚性弹簧交错设置，若干所述SMA弹簧与所述第一关节端盖的连接点a以所述连接件a的旋转轴心为中心均布设置，若干所述SMA弹簧与所述第二关节端盖的连接点b以所述连接件b的旋转轴心为中心均布设置，若干所述SMA弹簧的中心线与所述第一关节端盖的夹角均相等。

进一步的，所述第一关节端盖的中心可转动的设置有连接件a，所述第二关节端盖的中心可转动的设置有连接件b，所述刚性弹簧的两端分别与所述连接件a和连接件b固定连接。

进一步的，所述第一关节端盖和第二关节端盖上均开设有若干连接用通孔。

进一步的，所述第一关节端盖和第二关节端盖的规格相同。

进一步的，若干所述连接点a到所述连接件a的旋转轴心的距离，与若干所述连接点b到所述连接件b的旋转轴心的距离相等。

进一步的，所述SMA弹簧有三根，分别为第一SMA弹簧、第二SMA弹簧和第三SMA弹簧，

所述第一SMA弹簧的两端分别与所述第一关节端盖和第二关节端盖固定连接于第一连接点a和第一连接点b，所述第二SMA弹簧的两端分别与所述第一关节端盖和第二关节端盖固定连接于第二连接点a和第二连接点b，所述第三SMA弹簧的两端分别与所述第一关节端盖和第二关节端盖固定连接于第三连接点a和第三连接点b，所述第一连接点a正对所述第三连接点b设置。

进一步的，还包括伸缩杆，所述刚性弹簧套设在所述伸缩杆上，所述伸缩杆的两端分别与所述连接件a和连接件b固定连接。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型基于SMA驱动的模块化扭转单元体，通过驱动SMA弹簧可实现单元体两端在一定角度范围内相对转动，可连接到不同的结构中组装成不同的机器人。在实施时，该模块化扭转单元体仅由关节端盖、连接轴、刚性弹簧和SMA弹簧四种零件组成，其结构简单，可适用于批量化生产。该扭转单元体在使用时除了在一定角度范围内扭转，还可在轴向上发生移动，可应用于特殊场合下机器人的运动合成中，其结构简单、紧凑，占用空间小，为机器人运动合成关节设计提供了新思路。该扭转单元体为模块化设计，多个单元体可方便的拼接组装使用，可适用于不同扭转角度的使用需求，具有较强的推广意义。

附图说明

图1为本实用新型基于SMA驱动的模块化扭转单元体的结构示意图；

图2为本实用新型基于SMA驱动的模块化扭转单元体选用三根SMA弹簧时各SMA弹簧的连接结构示意图；

图3为两个本实用新型基于SMA驱动的模块化扭转单元体组合使用状态图。

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所述。

如图1至图3所示，基于SMA驱动的模块化扭转单元体，包括刚性弹簧3、第一关节端盖1、第二关节端盖2和若干SMA4弹簧。第一关节端盖1与第二关节端盖2相对设置，第一关节端盖1的中心可转动的设置有连接件a5，第二关节端盖2的中心可转动的设置有连接件b6，刚性弹簧3的两端分别与连接件a5和连接件b6固定连接，若干SMA弹簧4的两端均分别与第一关节端盖1和第二关节端盖2固定连接。在实施时，上述连接件a5和连接件b6均选用连接轴，该连接轴的一端与第一关节端盖1或第二关节端盖2的一侧中心可转动的连接，刚性弹簧3的两端套设在两个连接轴外，通过连接轴对刚性弹簧3的运动起到轴向限位的作用。

上述若干SMA弹簧4均与刚性弹簧3交错设置，若干SMA弹簧4与第一关节端盖1的连接位置为连接点a，若干SMA弹簧4与第二关节端盖2的连接位置为连接点b。各连接点a以连接件a5的旋转轴心为中心均布设置，各连接点b以连接件b6的旋转轴心为中心均布设置。若干SMA弹簧4的中心线与第一关节端盖1的夹角均相等。在使用该模块化扭转单元体时，使第一关节端盖1固定，对若干SMA弹簧4同时通电，使其收缩。在SMA弹簧4收缩过程中，一方面拉动第二关节端盖2向第一关节端盖1运动，同时压缩中部的刚性弹簧3，积存势能；另一方面，因各SMA弹簧4均与刚性弹簧3交错设置，且角度相同，其在同时拉伸收缩时会带动第二关节端盖2在一定角度范围内转动，实现该模块化扭转单元体的扭转运动功能。基于SMA弹簧的特性，上述扭转角度在一定范围内可根据通电情况进行控制。当各SMA弹簧失电时，刚性弹簧3的势能释放，带动第二关节端盖2完成复位。该扭转单元体通过驱动SMA弹簧可实现单元体两端在一定角度范围内转动，同时能实现在一定的长度范围内移动，可连接到不同的结构中组装成不同的机器人，取消了传统的电机或液压驱动的形式和复杂的传动机构，结构紧凑，对尺寸要求较低，适用性强。

进一步的，该扭转单元体中还设置有伸缩杆7，刚性弹簧3套设在伸缩杆7上，伸缩杆7的两端分别与连接件a5和连接件b6固定连接。其在执行上述扭转动作过程中，伸缩杆7可有效对刚性弹簧3进行限位，仅允许刚性弹簧3做轴向伸缩，提高了结构的稳定性，避免在扭转动作过程中出现各SMA弹簧4相互缠绕的情况发生。

进一步的，第一关节端盖1和第二关节端盖2上均开设有若干连接用通孔，每两个该扭转单元体之间可以通过螺栓直接穿过该通孔连接，实现多个扭转单元体的串联组装。因一个该单元体伸缩的长度和扭转的角度均只在一定的范围内，通过多个单元体串联组装，可以拓展上述范围，实现不同长度伸缩和不同角度的扭转。

进一步的，第一关节端盖1和第二关节端盖2的规格相同，连接件a5和连接件b6亦选用相同的连接轴。作为模块化的单元结构，其仅由关节端盖、连接轴、刚性弹簧和SMA弹簧四种零件组成，其结构简单，可适用于批量化生产。同时，关节端盖采用相同规格，在多个单元体拼接组装时更为方便。

进一步的，若干连接点a到连接件a5的旋转轴心的距离，与若干连接点b到连接件b6的旋转轴心的距离相等，一方面，在相同的关节端盖上的相同位置设置连接件，其整体亦为相同的部件，成批生产制造更为方便；另一方面，该单元体在工作时SMA弹簧4受力更为均衡，可提高该扭转单元体工作的稳定性和扭转角度控制的准确性。

具体实施时，上述SMA弹簧4的数量根据该单元体扭转角度进行确定，本实施例中主要介绍选用三根SMA弹簧4的情况，此时关节端盖的侧面均布设置有三个连接点。具体的，如图2所示，上述三根SMA弹簧4分别为第一SMA弹簧41、第二SMA弹簧42和第三SMA弹簧43，第一关节端盖1上均布设置有第一连接点a11、第二连接点a12和第三连接点a13，第二关节端盖2上均布设置第一连接点b21、第二连接点b22和第三连接点b23。在组装时，为保证各扭转单元体统一，使第一关节端盖1的各连接点与第二关节端盖2的各连接点一一相对设置，具体的，使第一连接点a11正对第三连接点b23设置，第二连接点a12正对第一连接点b21设置，第三连接点a13正对第二连接点b22设置。其后使第一SMA弹簧41的两端分别与第一关节端盖1和第二关节端盖2固定连接于第一连接点a11和第一连接点b21，第二SMA弹簧42的两端分别与第一关节端盖1和第二关节端盖2固定连接于第二连接点a12和第二连接点b22，第三SMA弹簧44的两端分别与第一关节端盖1和第二关节端盖2固定连接于第三连接点a13和第三连接点b23，完成该单元体的装配。

上述实施例中，因关节端盖上的三个连接点绕其中心均布设置，当一个关节端盖固定时，对各SMA弹簧同时通电，令其收缩，可使得另一关节端盖在0-120度的角度范围内旋转，其旋转角度由通电时电压值不同进行控制。同理，该扭转单元体若选用两根SMA弹簧，则在一个关节端盖固定时，另一关节端盖可实现0-180度的角度范围内旋转；若选用四根SMA弹簧，则在一个关节端盖固定时，另一关节端盖可实现0-90度角度范围内旋转；依此类推，可根据使用需要选择不同的扭转单元体。

当要求角度范围较大的旋转时，可将多个该扭转单元体模块串接使用。如图3所示为两个扭转单元体串联组合使用的情况，一个扭转单元体的第一关节端盖1与另一个扭转单元体的第二关节端盖2固定连接，两个扭转单元体组合使用可通过两级扭转的形式实现更大角度范围旋转的使用场合。

以上所述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，并能够在本文所述构想范围内，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 (6)

1.基于SMA驱动的模块化扭转单元体，其特征在于，包括刚性弹簧（3）、第一关节端盖（1）、第二关节端盖（2）和若干SMA弹簧（4），所述第一关节端盖（1）与第二关节端盖（2）相对设置，

所述第一关节端盖（1）的中心可转动的设置有连接件a（5），所述第二关节端盖（2）的中心可转动的设置有连接件b（6），所述刚性弹簧（3）的两端分别与所述连接件a（5）和连接件b（6）固定连接；

若干所述SMA弹簧（4）的两端均分别与所述第一关节端盖（1）和第二关节端盖（2）固定连接；

若干所述SMA弹簧（4）均与所述刚性弹簧（3）交错设置，若干所述SMA弹簧（4）与所述第一关节端盖（1）的连接点a以所述连接件a（5）的旋转轴心为中心均布设置，若干所述SMA弹簧（4）与所述第二关节端盖（2）的连接点b以所述连接件b（6）的旋转轴心为中心均布设置，若干所述SMA弹簧（4）的中心线与所述第一关节端盖（1）的夹角均相等。

2.根据权利要求1所述的基于SMA驱动的模块化扭转单元体，其特征在于，所述第一关节端盖（1）和第二关节端盖（2）上均开设有若干连接用通孔。

3.根据权利要求2所述的基于SMA驱动的模块化扭转单元体，其特征在于，所述第一关节端盖（1）和第二关节端盖（2）的规格相同。

4.根据权利要求1所述的基于SMA驱动的模块化扭转单元体，其特征在于，若干所述连接点a到所述连接件a（5）的旋转轴心的距离，与若干所述连接点b到所述连接件b（6）的旋转轴心的距离相等。

5.根据权利要求4所述的基于SMA驱动的模块化扭转单元体，其特征在于，所述SMA弹簧（4）有三根，分别为第一SMA弹簧（41）、第二SMA弹簧（42）和第三SMA弹簧（43），

所述第一SMA弹簧（41）的两端分别与所述第一关节端盖（1）和第二关节端盖（2）固定连接于第一连接点a（11）和第一连接点b（21），所述第二SMA弹簧（42）的两端分别与所述第一关节端盖（1）和第二关节端盖（2）固定连接于第二连接点a（12）和第二连接点b（22），所述第三SMA弹簧（43）的两端分别与所述第一关节端盖（1）和第二关节端盖（2）固定连接于第三连接点a（13）和第三连接点b（23），所述第一连接点a（11）正对所述第三连接点b（23）设置。

6.根据权利要求1所述的基于SMA驱动的模块化扭转单元体，其特征在于，还包括伸缩杆（7），所述刚性弹簧（3）套设在所述伸缩杆（7）上，所述伸缩杆（7）的两端分别与所述连接件a（5）和连接件b（6）固定连接。

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