一种回转关节的形状记忆合金驱动装置及其设计方法

摘要

本发明涉及机器人回转关节驱动领域，为一种回转关节的形状记忆合金驱动装置和设计方法，包括传动机构和驱动器，传动机构包括末端执行件、曲柄、连杆和滑块，曲柄的一端通过旋转关节连接在末端执行件上，另一端通过旋转关节连接有一连杆，连杆的另一端活动连接有一滑块；驱动器包括导轨和弹性体；传动机构的滑块活动安装在驱动器的导轨上，可在导轨中自由滑动，导轨的两端分别固定连接有材料为形状记忆合金的第一弹簧和第二弹簧；第一弹簧和第二弹簧之间固定连接传动机构的滑块；第一弹簧和第二弹簧分别通过导线连接着反馈控制回路，反馈控制回路控制第一弹簧与第二弹簧的通断电状态，本发明对安装空间的适应性强，与安装空间的匹配可调。

主权项

一种回转关节的形状记忆合金驱动装置的设计方法，其特征在于具体过程如下：(1)根据驱动器及传动机构的几何关系，建立滑块行程S与各结构参数之间的关系式如下：(2)根据驱动回转关节运动所需克服的摩擦力矩对驱动器驱动力的要求，建立驱动力的数学模型，满足如下的公式：$\begin{array}{c}{F}_x=F_B+F_N\mu \\ =\frac{M}{R\sin (\alpha +\arcsin \frac{R\sin \alpha +e}{L})}(\sqrt{1-{\left(\frac{R\sin \alpha +e}{L}\right)}^2}+\frac{R\sin \alpha +e}{L}\mu )\end{array}---\left(4\right)$(3)根据现场实验数据统计，确定驱动力与弹簧本身的参数之间的对应关系：$F_Q=\frac{\mathrm{\pi \tau }{d}^3}{8k{D}_0}---\left(5\right)$(4)根据步骤(1)～(3)以及已知的曲柄摆动的最大角度值滑块与导轨之间的动摩擦系数μ，驱动器需克服的回转关节摩擦力矩M，采用序列二次规划算法和混合整型优化法确定驱动装置的结构参数；其中S为滑块在导轨中的行程，分别为滑块在导轨上的两个极限位置，R为曲柄的长度，α为初始时刻曲柄与X轴的夹角，为曲柄摆动的最大角度值，L为连杆的长度，e为偏心距，μ为滑块与导轨之间的动摩擦系数；F_x为形状记忆合金驱动装置所产生驱动力在X轴方向的合力，F_B为第一弹性体和第二弹性体对滑块的合力，F_N为滑块受到的摩擦力，M代表驱动器需克服的回转关节摩擦力矩；F_Q为驱动装置所产生的驱动力，k为加权系数，根据工作环境的温度取值，τ为弹簧的弹性模量，D₀为形状记忆合金弹簧的中径，d为形状记忆合金弹簧的丝径；所述回转关节的形状记忆合金驱动装置，包括传动机构和驱动器，传动机构包括末端执行件、曲柄、连杆和滑块，曲柄的一端通过旋转关节连接在末端执行件上，另一端通过旋转关节连接有一连杆，连杆的另一端活动连接有一滑块；驱动器包括导轨和弹性体；传动机构的滑块活动安装在驱动器的导轨上，可在导轨中自由滑动，导轨的两端分别固定连接有材料为形状记忆合金的第一弹性体和第二弹性体；第一弹性体和第二弹性体之间固定连接传动机构的滑块；第一弹性体和第二弹性体分别通过导线连接着反馈控制回路，反馈控制回路控制第一弹性体与第二弹性体的通断电状态。