[发明专利]基于形状记忆合金的旋转驱动器

说明书

本发明公开了一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，包括转轴，由圆盘转子、形状记忆合金弹簧和定子组成的第一扭矩输出装置，由圆盘转子、形状记忆合金弹簧和定子组成的第二扭矩输出装置，壳体，轴承和端盖。旋转驱动器应用了由圆盘转子、关于圆盘转子中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧和定子组成的扭矩输出装置，采用两个完全相同的扭矩输出装置以背靠背的方式安装，利用差动驱动旋转复位的方法，实现旋转驱动器的驱动输出。相比于传统的形状记忆合金旋转驱动器，本发明具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、运行平稳、低噪音、响应速率快的优点，推动了形状记忆合金旋转驱动器在精密机械驱动领域更加广泛的应用。

技术领域

本发明涉及一种精密机械驱动领域的旋转驱动器，具体的说是一种基于形状记忆合金的旋转驱动器。

背景技术

形状记忆合金是一种在低于其相变温度时形状被改变后，一旦温度升高超过其相变温度，可以恢复到形状改变之前原始状态的一种合金材料。利用形状记忆合金的形状记忆效应制作的驱动器在机器人关节驱动装置、水下仿生机器人的动力装置、以及微型医疗机器人转向装置中得到了广泛的应用。现有的利用形状记忆合金驱动的驱动器多采用金属丝和弹簧相结合或直接由形状记忆合金的材料制作的弹簧的方式实现线性或弯曲的驱动。而绕固定轴转动的旋转型驱动器多数利用类似中国专利“一种回转关节的形状记忆合金驱动装置”（专利申请号：201120120071.7）中公开的方法，利用形状记忆合金材料制作的弹簧作为驱动源驱动滑块，利用曲柄连杆机构将滑块的直线运动转化为曲柄的旋转运动，或采用于东等2010年在《机械工程学报》上发表的文献“形状记忆合金旋转驱动器结构设计方法”中描述的采用的类似皮带传动的方法利用两根丝状形状记忆合金差动拉动中心固定的转轮完成往返有限角度的转动；

现有技术存在如下不足：利用曲柄连杆机构将形状记忆合金线性运动转化为旋转运动的驱动器其体积较大、结构不紧凑，且由两根差动形状记忆合金弹簧作为驱动器件其输出转动力矩小；采用类似皮带传动的方法利用两根拉动中心固定的转轮转动的驱动器同样体积很大、单根丝状驱动器的驱动力很小，且其在产生旋转扭矩的同时转轮的转轴会受到径向力的作用，这就导致了转轮和转轴之间摩擦力的增大，影响了驱动器的机械效率和运动平稳性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，该驱动器具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、运行平稳、低噪音、响应速率快的优点；

为实现上述目的，本发明提出如下的技术方案：一种基于形状记忆合金的旋转驱动器，包括转轴，由圆盘转子、形状记忆合金弹簧和定子组成的第一扭矩输出装置，由圆盘转子、形状记忆合金弹簧和定子组成的第二扭矩输出装置，壳体，轴承和端盖。第一扭矩输出装置和第二扭矩输出装置结构完全相同，扭矩输出装置中圆盘转子和转轴之间、定子和壳体之间为同轴心固定连接，形状记忆合金弹簧一端连接圆盘转子，另一端连接定子，形状记忆合金弹簧的轴线与形状记忆合金弹簧和圆盘转子连接点所对应的圆盘转子半径之间的角度为钝角，形状记忆合金弹簧的轴线与形状记忆合金弹簧和定子连接点所对应的圆盘转子半径之间的角度为锐角，多个形状记忆合金弹簧关于圆盘转子中心对称均匀分布，以增大其输出转矩和保证转轴所受径向力合力为零；第一扭矩输出装置和第二扭矩输出装置采用背对背安装的方式，以保证两个扭矩输出装置输出扭矩的方向相反；壳体和转轴之间通过两个轴承形成转动副连接，壳体和端盖之间为可拆卸固定连接，以将扭矩输出装置封装在壳体内；

所述圆盘转子为减小旋转驱动器输出力矩时转子本身的转动惯量，增大其负载能力，其厚度应远远小于其半径，且应进行结构减重处理，可将其设计为蜂窝状或轮辐状；

所述形状记忆合金弹簧由大伸缩率的形状记忆合金绕制而成，并进行低于其马氏体相变温度下的预拉伸，以保证其在通过电流的热效应加热超过其马氏体相变温度时产生收缩，从而拉动圆盘转子旋转；

所述施加在第一扭矩输出装置和第二扭矩输出装置中形状记忆合金弹簧上的驱动电流为低电平为零的方波信号且具有相反的相位；