CN110701014B - 一种基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，包括：旋转壳内轴；以及旋转壳，其可转动的套设在所述旋转壳内轴外侧，在所述旋转壳上具有第一通孔和第二通孔；两个形状记忆合金丝，其分别缠绕在所述旋转壳上，所述两个形状记忆合金丝的一端通过第一通孔和第二通孔与所述旋转壳内轴固定连接；多个节点线，其一端分别连接在特定级数的形状记忆合金丝上；中央控制器，其一端与所述多个节点线的另一端相连接，另一端与所述连接节点相连接。本发明还公开了一种基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置的控制方法，能够通过不同的驱动角度实现分级递进式控制。
Description
技术领域
本发明涉及驱动装置技术领域，更具体的是，本发明涉及一种基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置及其控制方法。
背景技术
随着科技的进步，越来越多的智能化技术在生活中被广泛应用，这其中也包括智能材料，智能材料的出现简化了传统的结构，给生产加工带来了便利。
传统的旋转驱动器多采用电磁式驱动，主要由传感器、驱动器和控制器等组成，存在结构复杂笨重、冲击噪声大且能量密度低等缺点。
中国专利文献CN208880718U，提供了一种旋转驱动装置，用于机器人，机器人包括机器人主体和转动部件，其中，上述的旋转驱动装置包括安装基板、主动轮、驱动电机、从动轮、传动带、转轴、套筒状的轴承座和轴承。安装基板用于与机器人主体固定连接，驱动电机使主动轮转动，驱动电机固定在安装基板上；传动带包绕在主动轮与从动轮之间；转轴具有旋转部、用于与转动部件固定连接的连接部以及连接在旋转部与连接部之间的安装部，从动轮以不可相对安装部转动的方式套接在安装部上；轴承座套设在旋转部的外侧并与安装基板固定。与现有技术对比，本发明提供的旋转驱动装置，结构稳定、传动可靠且成本低，整体体积较小，能够节省空间。
但是，现有的旋转驱动装置结构太过于复杂，制造加工困难，操作过于繁琐，而且较大的体积使驱动器所能应用的场合大大减少。
智能材料的出现为上述问题的解决提供了新的思路。记忆合金作为一种典型的智能材料，具有超弹性、形状记忆、耐腐蚀以及抗疲劳等特点，利用形状记忆合金低温至高温过程中马氏体相向奥氏体相的转变，实现从低温延展拉伸到高温收缩，形成位移差和回复力，以此作为旋转驱动装置的驱动元件，结合机械结构和电控单元可以实现被驱动件实时伸展和收拢。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，通过中央控制器对形状记忆合金丝通电，产生的回复力带动旋转壳相对于旋转壳内轴产生驱动角度，在对形状记忆合金丝断电以后，超弹性形状记忆合金丝的回复力带动旋转壳回到初始位置，本发明的装置简单可靠，控制灵敏，耐久性好。
本发明的另一个目的是设计开发了一种基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置的控制方法，通过对不同级数的形状记忆合金丝通电加热，能够产生不同的驱动角度，实现了对本发明装置的分级递进式的控制。
本发明提供的技术方案为：
一种基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，包括：
旋转壳内轴；以及
旋转壳，其为两端开口的中空筒状结构，所述旋转壳可转动的套设在所述旋转壳内轴外侧，在所述旋转壳上具有第一通孔和第二通孔；
形状记忆合金丝，其缠绕在所述旋转壳的下部，所述形状记忆合金丝的一端穿过所述第一通孔与所述旋转壳内轴固定连接；
超弹性形状记忆合金丝，其缠绕在所述旋转壳的上部，所述超弹性形状记忆合金丝的一端穿过所述第二通孔与所述旋转壳内轴固定连接；
其中，所述形状记忆合金丝的另一端和所述超弹性形状记忆合金丝的另一端相连接形成连接节点，其固定在所述旋转壳上；
多个节点线，其一端根据所述形状记忆合金的缠绕圈数分别连接在所述形状记忆合金丝上；
中央控制器，其一端与所述多个节点线的另一端同时相连接，另一端与所述连接节点相连接；
辅助电源，其与所述中央控制器相连接，形成闭合电路；
其中，所述中央控制器能够控制所述多个节点线中的任意一个所述节点线接入所述闭合电路中。
优选的是，还包括：
电阻，其设置在所述中央控制器与所述连接节点之间。
优选的是，所述形状记忆合金丝和所述超弹性形状记忆合金丝的最大拉伸率是5％-10％。
优选的是，所述形状记忆合金丝和所述超弹性形状记忆合金丝在所述旋转壳上的旋向相同，并且所述形状记忆合金丝和所述超弹性形状记忆合金丝均采用单丝缠绕。
优选的是，所述超弹性形状记忆合金丝在初始时处于预紧状态，所述形状记忆合金丝在初始时处于拉伸状态。
一种基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置的控制方法，使用基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，包括如下过程：
中央控制器接收控制信号后，选择将相应的节点线接入闭合电路，对接入闭合电路的形状记忆合金丝通电，使形状记忆合金丝加热收缩，驱动旋转壳相对于旋转壳内轴转动到驱动角度，此过程中超弹性形状记忆合金丝受力拉伸，实现驱动效果；
中央控制器与节点线的连接断开后，超弹性形状记忆合金丝通过回复力使旋转壳相对于旋转壳内轴逆向旋转，同时拉伸形状记忆合金丝使旋转壳回到初始位置处。
优选的是，所述驱动角度满足：
式中，θ为驱动角度，n为接入电路的节点线级数，l为单级形状记忆合金丝的原长，t为形状记忆合金丝的伸长率，R为旋转壳内轴的半径，d为轴承的直径。
本发明所述的有益效果：
(1)本发明提供的基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，通过形状记忆合金丝的回复力实现旋转壳相对于旋转壳内轴的驱动，通过超弹性形状记忆合金的回复力实现了旋转壳的回位，本发明装置耐久性好，成本低。
(2)本发明提供的基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置的控制方法，通过对不同级数的形状记忆合金丝通电加热，能够产生不同的驱动角度，从而实现了本发明所述装置的分级控制，简单可靠，控制灵敏。
附图说明
图1为本发明所述基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置的结构示意图。
图2为本发明所述基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置的控制方法的启动工作过程示意图。
具体实施方式
下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供一种基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，通过对形状记忆合金丝进行通电加热，使其产生回复力，带动旋转壳相对于旋转壳内轴产生驱动角度，在对形状记忆合金丝断电以后，超弹性形状记忆合金丝的回复力带动旋转壳回位，从而实现了驱动装置。
如图1所示，为本发明所述的基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置的整体结构示意图，包括：旋转壳内轴110、旋转壳120、多个轴承121、第一通孔122、第二通孔123、形状记忆合金丝130、超弹性形状记忆合金丝 140、连接节点141、多个节点线、中央控制器150、辅助电源160和保护电阻170，在本实施例中，多个节点线包括第一级节点线181、第二级节点线 182、第三级节点线183、第四级节点线184和第五级节点线185。
其中，旋转壳内轴110为固定件，旋转壳120为两端开口的中空筒状结构，旋转壳120通过多个轴承121可转动的套设在所述旋转壳内轴110外侧，在旋转壳120的侧壁上具有第一通孔122和第二通孔123；形状记忆合金丝 130缠绕在所述旋转壳120的侧壁外侧下部分，所述形状记忆合金丝130的一端通过第一通孔122与所述旋转壳内轴110固定连接；超弹性形状记忆合金丝140缠绕在所述旋转壳120的侧壁外侧上部分，所述超弹性形状记忆合金丝140的一端通过第二通孔123与所述旋转壳内轴110固定连接；其中，所述形状记忆合金丝130的另一端和所述超弹性形状记忆合金丝140的另一端相连接形成连接节点141，连接节点141固定在旋转壳120上；多个节点线，其一端分别连接在不同圈数的形状记忆合金丝130上，其中，不同圈数的形状记忆合金丝130为距离所述连接节点141每隔一圈的形状记忆合金丝 130；多个节点，其分别设置在距离所述连接节点141每隔一圈的所述形状记忆合金丝130上，并且，所述多个节点线的一端分别一一对应连接所述多个节点，所述多个节点线分别通过多个节点连接形状记忆合金130；中央控制器150，其一端与多个节点线的另一端相连接，另一端与所述连接节点141 相连接；辅助电源160与所述中央控制器150相连接，形成闭合电路，其中，在所述中央控制器150中具有辅助电源开关，能够控制所述多个节点线中的任意一个节点线接入所述闭合电路中；保护电阻170，其设置在所述闭合电路中，防止闭合电路电流过大导致闭合电路过载。
在本实施例中，在与连接节点141相隔一圈的形状记忆合金丝130上设置有第一节点191，第一级节点线181一端与第一节点191相连接，另一端与中央控制器150中的辅助电源开关相连接，与第一节点191相隔一圈的形状记忆合金丝130上设置有第二节点192，第二级节点线182一端与第二节点192相连接，另一端与中央控制器150中的辅助电源开关相连接，与第二节点192相隔一圈的形状记忆合金丝130上设置有第三节点193，第三级节电线183一端与第三节点193相连接，另一端与中央控制器150中的辅助电源开关相连接，与第三节点193相隔一圈的形状记忆合金丝130上设置有第四节点194，第四级节点线184一端与第四节点194相连接，另一端与中央控制器150中的辅助电源开关相连接，与第四节点194相隔一圈的形状记忆合金丝130上设置有第五节点195，第五节点线185一端与第五节点195相连接，另一端与中央控制器150中的辅助电源开关相连接。
在本发明所述的装置中，超弹性形状记忆合金丝140在初始时处于预紧状态，形状记忆合金丝130在初始时处于拉伸状态，形状记忆合金丝130和超弹性形状记忆合金丝140的最大拉伸率在5％-10％之间，形状记忆合金丝130 和超弹性形状记忆合金丝140在旋转壳120上的旋向相同，并且都采用单丝缠绕，目的是更好的散热；在本实施例中，形状记忆合金丝130的材料为Ni-Ti 合金，作为优选的，形状记忆合金丝130的材料可以选择Au-Cd合金、Cu-Zn 合金、Cu-Zn-A1合金、Cu-Zn-Sn合金或者Ni-Ti-Pd合金。
本发明所述的基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，通过形状记忆合金丝的回复力实现旋转壳相对于旋转壳内轴的驱动，通过超弹性形状记忆合金的回复力实现了旋转壳的回位，本发明装置耐久性好，成本低。
本发明还提供了一种基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置的控制方法，包括如下过程：
中央控制器接收控制信号后，辅助电源开关选择将相应的节点线接入闭合电路，对接入闭合电路的形状记忆合金丝通电，使形状记忆合金丝加热收缩，驱动旋转壳相对于旋转壳内轴转动到驱动角度，此过程中超弹性形状记忆合金丝受力拉伸，实现驱动效果，如图2所示。
中央控制器与节点线的连接断开后，超弹性形状记忆合金丝通过回复力使旋转壳相对于旋转壳内轴逆向旋转，同时拉伸形状记忆合金丝使旋转壳回到初始位置处。
所述驱动角度满足：
式中，θ为驱动角度，n为接入电路的节点线级数，l为单级形状记忆合金丝的原长，t为形状记忆合金丝的伸长率，R为旋转壳内轴的半径，d为轴承的直径。
本发明提供的基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置的控制方法，通过对不同级数的形状记忆合金丝通电加热，能够产生不同的驱动角度，从而实现了本发明所述装置的分级控制，简单可靠，控制灵敏。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (7)
1.一种基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，其特征在于，包括：
旋转壳内轴；以及
旋转壳，其为两端开口的中空筒状结构，所述旋转壳可转动的套设在所述旋转壳内轴外侧，在所述旋转壳上具有第一通孔和第二通孔；
形状记忆合金丝，其缠绕在所述旋转壳的下部，所述形状记忆合金丝的一端穿过所述第一通孔与所述旋转壳内轴固定连接；
超弹性形状记忆合金丝，其缠绕在所述旋转壳的上部，所述超弹性形状记忆合金丝的一端穿过所述第二通孔与所述旋转壳内轴固定连接；
其中，所述形状记忆合金丝的另一端和所述超弹性形状记忆合金丝的另一端相连接形成连接节点，其固定在所述旋转壳上；
多个节点线，其一端根据所述形状记忆合金的缠绕圈数分别连接在所述形状记忆合金丝上；
中央控制器，其一端与所述多个节点线的另一端同时相连接，另一端与所述连接节点相连接；
辅助电源，其与所述中央控制器相连接，形成闭合电路；
其中，所述中央控制器能够控制所述多个节点线中的任意一个所述节点线接入所述闭合电路中。
2.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，其特征在于，还包括：
电阻，其设置在所述中央控制器与所述连接节点之间。
3.如权利要求2所述的基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，其特征在于，所述形状记忆合金丝和所述超弹性形状记忆合金丝的最大拉伸率是5％-10％。
4.如权利要求3所述的基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，其特征在于，所述形状记忆合金丝和所述超弹性形状记忆合金丝在所述旋转壳上的旋向相同，并且所述形状记忆合金丝和所述超弹性形状记忆合金丝均采用单丝缠绕。
5.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，其特征在于，所述超弹性形状记忆合金丝在初始时处于预紧状态，所述形状记忆合金丝在初始时处于拉伸状态。
6.一种基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置的控制方法，使用如权利要求1-5任意一项所述的基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置，其特征在于，包括如下过程：
中央控制器接收控制信号后，选择将相应的节点线接入闭合电路，对接入闭合电路的形状记忆合金丝通电，使形状记忆合金丝加热收缩，驱动旋转壳相对于旋转壳内轴转动到驱动角度，此过程中超弹性形状记忆合金丝受力拉伸，实现驱动效果；
中央控制器与节点线的连接断开后，超弹性形状记忆合金丝通过回复力使旋转壳相对于旋转壳内轴逆向旋转，同时拉伸形状记忆合金丝使旋转壳回到初始位置处。
7.如权利要求6所述的基于形状记忆合金的分级递进式旋转驱动装置的控制方法，其特征在于，所述驱动角度满足：
式中，θ为驱动角度，n为接入电路的节点线级数，l为单级形状记忆合金丝的原长，t为形状记忆合金丝的伸长率，R为旋转壳内轴的半径，d为轴承的直径。
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