一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器

1.本发明涉及压电驱动技术领域，尤其涉及一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器。


背景技术：

2.随着形状记忆合金驱动技术的蓬勃发展，形状记忆合金丝已被广泛用于智能微小型机器人的驱动中。目前，形状记忆合金丝驱动在机器人领域的主要应用方式将形状记忆合金丝复合嵌入至机器人机体中，这种布置方式虽然有利于减小体积和重量，但是当机器人部分参数发生变化或驱动器需要更换时操作非常繁琐。另外，多数形状记忆合金驱动器为保证小型化的同时提供较大的工作范围，采用了形状记忆合金弹簧，极大地降低了输出力。因此，开发一种具有通用性，微小型化、轻型化，又能保证较大输出力的形状记忆合金丝驱动器，才能适应微小型机器人的发展需求。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器，具有通用性、结构紧凑、体积小、输出角度大等优点
4.本发明采用的技术方案如下：
5.本发明所提出的一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器，包括上侧壳体、下侧壳体、输入齿轮轴、输出齿轮轴、第一固定端子、第一双头螺柱、第二固定端子、第二双头螺柱和形状记忆合金丝；
6.所述上侧壳体和下侧壳体上下对称固连；所述第二双头螺柱垂直设置在上、下侧壳体的后端之间；所述第二固定端子分别设置在第二双头螺柱的上下两端并分别与上、下侧壳体固连；所述输入齿轮轴垂直铰接在上、下侧壳体内部的后侧之间；所述输出齿轮轴垂直铰接在上、下侧壳体内部的前侧之间且与输入齿轮轴相互啮合；所述上侧壳体和下侧壳体的外端面分别围绕输入齿轮轴轴心设置有反向螺旋凹槽；所述螺旋凹槽起始端连接有与输入齿轮轴共轴心的圆弧通孔；所述螺旋凹槽的末端与第二固定端子对应；所述第一双头螺柱垂直固连在输入齿轮轴的齿轮端面内圆周且与圆弧通孔起始端对应；所述第一固定端子设置在第一双头螺柱的上端且位于圆弧通孔内；所述形状记忆合金丝设置在螺旋凹槽内，且起始端与第一固定端子连接，末端与第二固定端子连接；所述形状记忆合金丝可在上、下侧壳体的螺旋凹槽内滑动。
7.进一步的，所述上侧壳体和下侧壳体之间通过第二双头螺柱和一对第二固定端子以及螺栓固连。
8.进一步的，所述第二固定端子包括第一轴段和设置在第一轴段底部的第二轴段；所述第二固定端子成对使用，两个第二固定端子的第一轴段分别与上下两侧壳体上对应的通孔连接；两个第二固定端子的第二轴段分别与第二双头螺柱两端固定连接，对两侧壳体起固定作用；所述第二轴段底部设有螺纹凹槽，用于与第二双头螺柱的螺纹旋紧。
9.进一步的，所述第二固定端子的第一轴段设置有轴向螺纹孔，且侧面设置有与轴向螺纹孔连通的圆形通孔；所述形状记忆合金丝末端穿过圆形通孔后通过螺栓连接固定在第二固定端子上。
10.进一步的，所述第一固定端子上下两侧端面均设有轴向螺纹孔，上侧端面螺纹孔的侧面设有圆形通孔；所述形状记忆合金丝起始端端穿过第一固定端子上的圆形通孔后通过螺栓连接固定在第一固定端子上。
11.进一步的，所述第一双头螺柱包括第一轴段和设置在第一轴段一侧的第二轴段；所述第一轴段和第一固定端子下侧通过螺纹固定连接；所述第二轴段和输入齿轮轴的齿轮端面通过螺纹固定连接。
12.进一步的，所述输入齿轮轴的齿轮为大齿轮；所述输出齿轮轴的齿轮为小齿轮；所述输入齿轮轴的齿数大于输出齿轮轴。
13.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
14.本发明相比传统微小型机器人上的形状记忆合金丝驱动方式的优势在于：将形状记忆合金丝驱动方式集成为一个微小型的关节旋转驱动器，具有通用性、便携性；将形状记忆合金丝布置于螺旋凹槽内，在有限的空间内加长了状记忆合金丝长度，进一步可以实现较大的旋转角度范围；将形状记忆合金丝与传统齿轮机构相结合，利用齿轮机构，进一步增加了驱动器的旋转角度范围；通过特殊结构将形状记忆合金丝与齿轮机构平行布置，有效降低了驱动器体积，使得驱动器结构更加紧凑。
附图说明
15.图1为本发明的整体结构示意图；
16.图2为本发明的整体半剖结构示意图；
17.图3为本发明第一双头螺柱的结构示意图；
18.图4为本发明第二固定端子的结构示意图；
19.图5为本发明上侧壳体的结构示意视图。
20.其中，附图标记：1-上侧壳体；101-螺旋凹槽；102-圆弧通孔；2输入齿轮轴；3-输出齿轮轴；4-第一固定端子；401-第一圆形通孔；5-第一双头螺柱；501-第一轴段；502-第二轴段；6-第二固定端子；601第一轴段；602-第二轴段；603-第二圆形通孔；7-第二双头螺柱；8-形状记忆合金丝；9-下侧壳体。
具体实施方式
21.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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
22.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
23.参见附图1至5，给出了本发明所提出的一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器的一个实施例的具体结构，所述驱动器包括上侧壳体1、输入齿轮轴2、输出齿轮轴3、第一固定端子4、第一双头螺柱5、第二固定端子6、第二双头螺柱7、形状记忆合金丝8和下侧壳体9。
24.所述上侧壳体1和下侧壳体9上下对称设置，且外侧设置有对应的螺纹孔；所述第二双头螺柱7垂直设置在上侧壳体1和下侧壳体9的后端之间；所述第二固定端子6分别设置在第二双头螺柱7的上下两端并分别与上侧壳体1和下侧壳体9固连；所述上侧壳体1和下侧壳体9之间通过第二双头螺柱7和一对第二固定端子6以及螺栓固连。
25.所述输入齿轮轴2垂直铰接在上侧壳体1和下侧壳体9内部的后侧区域之间；所述输出齿轮轴3垂直铰接在上侧壳体1和下侧壳体9内部的前侧区域之间，且两端分别延伸至上侧壳体1和下侧壳体9的外部；所述输出齿轮轴3的齿轮与输入齿轮轴2的齿轮相互啮合；所述输入齿轮轴2的齿轮为大齿轮，所述输出齿轮轴3的齿轮为小齿轮，且所述输入齿轮轴2的齿数大于输出齿轮轴3。
26.所述上侧壳体1和下侧壳体9的外端面分别围绕输入齿轮轴2的轴心设置有螺旋凹槽101；所述螺旋凹槽101的起始端设置有与输入齿轮轴2共轴心的圆弧通孔102，所述圆弧通孔102内端与螺旋凹槽101的起始端相交；所述螺旋凹槽101的末端与第二固定端子6对应。
27.所述第一双头螺柱5对称垂直固连在输入齿轮轴2齿轮端面内圆周的上下两侧，且上下两侧得第一双头螺柱5分别与上侧壳体1和下侧壳体9上的圆弧通孔102内端的纵向位置对应；所述第一固定端子4设置在第一双头螺柱5的外端且分别对应位于上侧壳体1和下侧壳体9上的圆弧通孔102内，并可在圆弧通孔102内滑动；所述形状记忆合金丝8对应设置在螺旋凹槽101内部，且形状记忆合金丝8的起始端与第一固定端子4连接，末端与第二固定端子6连接；所述形状记忆合金丝8可在螺旋凹槽101内滑动。
28.其中，所述第二固定端子6包括第一轴段601和设置在第一轴段601底部的第二轴段602；所述第二固定端子6成对使用，两个第二固定端子6的第一轴段601分别与上下两侧壳体上对应的安装通孔连接；两个第二固定端子6的第二轴段602分别与第二双头螺柱7两端固定连接，对两侧壳体起固定作用；所述第二轴段602底部设有螺纹凹槽，用于与第二双头螺柱7螺纹旋紧。所述第二固定端子6的第一轴段601内设置有轴向螺纹孔，且侧面设置有与轴向螺纹孔连通的第二圆形通孔603；所述形状记忆合金丝8末端穿过第二圆形通孔603后通过螺栓连接固定在第二固定端子6上。
29.所述第一固定端子4上下两侧端面均设有轴向螺纹孔，上侧端面螺纹孔的侧面设有第一圆形通孔401；所述形状记忆合金丝8起始端端穿过第一固定端子4上的第一圆形通孔401后通过螺栓连接固定在第一固定端子4上。所述第一双头螺柱5包括第一轴段501和设置在第一轴段一端的第二轴段502；所述第一轴段501和第一固定端子4下侧通过螺纹固定连接；所述第二轴段502和输入齿轮轴2的齿轮端面通过螺纹固定连接。
30.本实施例中，驱动器的总体尺寸为41.5
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32
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18mm；所述螺旋凹槽101的内廓线方程为r＝0.55θ，螺旋凹槽101槽宽1.5mm，槽深2mm；所述圆弧通孔102的中心线直径10.5mm，宽3mm；所述形状记忆合金丝8的丝径为0.3mm，长度为120mm，收缩率为3％；所述输入齿轮轴2和输出齿轮轴3的模数为0.5，齿数分别为50、20；所述输出齿轮轴3的输出轴径为6mm。
31.本发明的工作原理在于：两根形状记忆合金丝8分别布置于两侧壳体的螺旋凹槽101内；正向形状记忆合金丝8起始端通过第一固定端子4、第一双头螺柱5固定在输入齿轮轴2的上侧，末端通过第二固定端子6、第二双头螺柱7固定在壳体上。反向形状记忆合金丝起始端通过第一固定端子4、第一双头螺柱5固定在输入齿轮轴2的下侧，末端通过第二固定端子6、第二双头螺柱7固定在下侧壳体1上。初始状态时，正向形状记忆合金丝8处于预伸长状态，反向形状记忆合金丝8处于收缩状态，正行程时，反向形状记忆合金丝8断电，正向形状记忆合金丝8通电收缩，通过第一固定端子4、第一双头螺柱5带动输入齿轮轴2转动，通过齿轮机构驱动输出齿轮轴3转动，由于输入齿轮轴2齿数大于输出齿轮轴3齿数，进一步增加了驱动器的旋转角度范围。同时，所述输入齿轮轴2转动通过另一侧的第一双头螺柱5和第一固定端子4，使反向形状记忆合金丝8伸长。反行程时，正向形状记忆合金丝8断电，反向形状记忆合金丝8通电收缩，工作原理相同。根据以上驱动顺序，实现了驱动器的双向旋转。
32.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器，其特征在于：所述驱动器包括上侧壳体、下侧壳体、输入齿轮轴、输出齿轮轴、第一固定端子、第一双头螺柱、第二固定端子、第二双头螺柱和形状记忆合金丝；所述上侧壳体和下侧壳体上下对称固连；所述第二双头螺柱垂直设置在上、下侧壳体的后端之间；所述第二固定端子分别设置在第二双头螺柱的上下两端并分别与上、下侧壳体固连；所述输入齿轮轴垂直铰接在上、下侧壳体内部的后侧之间；所述输出齿轮轴垂直铰接在上、下侧壳体内部的前侧之间且与输入齿轮轴相互啮合；所述上侧壳体和下侧壳体的外端面分别围绕输入齿轮轴轴心设置有反向螺旋凹槽；所述螺旋凹槽起始端连接有与输入齿轮轴共轴心的圆弧通孔；所述螺旋凹槽的末端与第二固定端子对应；所述第一双头螺柱垂直固连在输入齿轮轴的齿轮端面内圆周且与圆弧通孔起始端对应；所述第一固定端子设置在第一双头螺柱的上端且位于圆弧通孔内；所述形状记忆合金丝设置在螺旋凹槽内，且起始端与第一固定端子连接，末端与第二固定端子连接；所述形状记忆合金丝可在上、下侧壳体的螺旋凹槽内滑动。2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器，其特征在于：所述上侧壳体和下侧壳体之间通过第二双头螺柱和一对第二固定端子以及螺栓固连。3.根据权利要求1或2所述的一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器，其特征在于：所述第二固定端子包括第一轴段和设置在第一轴段底部的第二轴段；所述第二固定端子成对使用，两个第二固定端子的第一轴段分别与上下两侧壳体上对应的通孔连接；两个第二固定端子的第二轴段分别与第二双头螺柱两端固定连接，对两侧壳体起固定作用；所述第二轴段底部设有螺纹凹槽，用于与第二双头螺柱的螺纹旋紧。4.根据权利要求3所述的一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器，其特征在于：所述第二固定端子的第一轴段设置有轴向螺纹孔，且侧面设置有与轴向螺纹孔连通的圆形通孔；所述形状记忆合金丝末端穿过圆形通孔后通过螺栓连接固定在第二固定端子上。5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器，其特征在于：所述第一固定端子上下两侧端面均设有轴向螺纹孔，上侧端面螺纹孔的侧面设有圆形通孔；所述形状记忆合金丝起始端端穿过第一固定端子上的圆形通孔后通过螺栓连接固定在第一固定端子上。6.根据权利要求5所述的一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器，其特征在于：所述第一双头螺柱包括第一轴段和设置在第一轴段一侧的第二轴段；所述第一轴段和第一固定端子下侧通过螺纹固定连接；所述第二轴段和输入齿轮轴的齿轮端面通过螺纹固定连接。7.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器，其特征在于：所述输入齿轮轴的齿轮为大齿轮；所述输出齿轮轴的齿轮为小齿轮；所述输入齿轮轴的齿数大于输出齿轮轴。

技术总结
本发明涉及一种基于形状记忆合金丝的微小型双向旋转驱动器，包括上侧壳体、下侧壳体、输入齿轮轴、输出齿轮轴、第一固定端子、第一双头螺柱、第二固定端子、第二双头螺柱和形状记忆合金丝。壳体上有螺旋凹槽，形状记忆合金丝布置于螺旋凹槽内，在有限的空间内加长了状记忆合金丝长度，进而可以实现较大的旋转角度范围，形状记忆合金丝均用于驱动一个较大的齿轮旋转，由较大的齿轮驱动另一个较小的齿轮旋转，进一步增加了驱动器的旋转角度范围。上下两个形状记忆合金丝可以实现双向回转。本发明的优势在于，将形状记忆合金丝驱动集成为一个小型的关节旋转驱动器，将形状记忆合金丝与传统齿轮机构相结合，利用齿轮机构，增大了驱动器的输出位移。器的输出位移。器的输出位移。


技术研发人员：许立忠 刘冬
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2022.03.10
技术公布日：2022/5/25