阅读说明：本技术 一种形状记忆合金执行器 (Shape memory alloy executor ) 是由 赵新刚 徐壮 赵明 张弼 于 2018-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种形状记忆合金执行器,包括固定板,还包括执行机构,其PCB板通过金属螺钉与所述固定板固定连接,执行机构连接驱动单元,接收驱动单元的驱动信号,驱动信号控制执行机构运动,带动反馈机构的金属滑块移动；驱动单元,设置于PCB板的一侧,用于向执行机构发出驱动信号；反馈机构,其金属滑块通过金属螺钉与执行机构固定连接,通过测量阻值的变化来记录形状记忆合金执行器的位移参数。本发明驱动能力强、结构简单,具有价格低,重量轻,控制简单的优点,采用模块化设计形式,易于维护,同时执行器带有位置保护以及位移反馈功能,能够准确的记录形状记忆合金的驱动位移,可独立作为一种机器人动力执行装置,应用于柔性仿生机器人设计中。(The invention relates to a shape memory alloy actuator, which comprises a fixed plate and an actuating mechanism, wherein a PCB (printed Circuit Board) is fixedly connected with the fixed plate through a metal screw, the actuating mechanism is connected with a driving unit and used for receiving a driving signal of the driving unit, and the driving signal controls the actuating mechanism to move so as to drive a metal sliding block of a feedback mechanism to move; the driving unit is arranged on one side of the PCB and used for sending a driving signal to the actuating mechanism; and the metal slide block of the feedback mechanism is fixedly connected with the actuating mechanism through a metal screw, and the displacement parameters of the shape memory alloy actuator are recorded through measuring the change of the resistance value. The flexible bionic robot has the advantages of strong driving capability, simple structure, low price, light weight and simple control, adopts a modular design form, is easy to maintain, has the functions of position protection and displacement feedback, can accurately record the driving displacement of the shape memory alloy, can be independently used as a robot power executing device, and is applied to the design of flexible bionic robots.)

一种形状记忆合金执行器

技术领域

本发明涉及柔性仿生机器人驱动领域，具体地说是一种形状记忆合金执行器。

背景技术

形状记忆合金是一种新型柔性智能材料，经塑形后可通过加热的方式使其收缩，从而提供驱动力。同时，该智能材料具有记忆功能，其弹性形变量的大小可随温度的变化而变化，且该过程可以重复实现。因此，根据形状记忆合金丝的这一记忆特性以及其功率密度高，柔顺性强，低噪声的特点，常被应用于仿生机器人领域，作为机器人的动力机构。相对于传统电机驱动以及气动人工肌肉等驱动方式，形状记忆合金执行器具有体积更小、重量更轻的优点。

然而，对于目前现有的形状记忆合金执行器而言，它们大多以多根记忆合金丝并联牵拉或通过滑轮盘旋牵拉的方式构成，目标是在最小空间内获得更大形状记忆合金丝的驱动行程。但这种方式在机器人实际应用中，受限于形状记忆合金执行器的结构特点，无法满足实际系统的驱动需求。其存在的问题主要集中在以下几个方面：1)形状记忆合金执行器输出行程较小；2)当执行器中出现记忆合金丝熔断的情况下，不易完成更换；3)形状记忆合金执行器非线性特性严重，无反馈结构，控制困难。因此，现有形状记忆合金执行器在目前的柔性仿生机器人应用中仍面临着诸多挑战。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种形状记忆合金执行器，解决形状记忆合金执行器输出行程较小；当执行器中出现记忆合金丝熔断的情况下，不易完成更换以及形状记忆合金执行器非线性特性严重，无反馈结构，控制困难的问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种形状记忆合金执行器，包括固定板，还包括

执行机构，其PCB板通过金属螺钉与所述固定板固定连接，执行机构连接驱动单元，接收驱动单元的驱动信号，驱动信号控制执行机构运动，带动反馈机构的金属滑块移动；

驱动单元，设置于PCB板的一侧，用于向执行机构发出驱动信号；

反馈机构，其金属滑块通过金属螺钉与执行机构固定连接，通过测量阻值的变化来记录形状记忆合金执行器的位移参数。

所述执行机构包括若干组串联的连杆机构，每组连杆机构包括一条直线连杆和一条形状记忆合金丝，其中形状记忆合金丝的一端与直线连杆通过卡扣固定夹紧连接，另一端与下一组连杆机构的直线连杆通过卡扣固定夹紧连接；其中，第一组连杆机构中的直线连杆设置凸起部，凸出于PCB板边缘，用于通过金属螺钉与金属滑块固定连接，首位的金属螺钉连接驱动单元的输出端；末组连杆机构中的形状记忆合金丝的末端通过卡扣连接到PCB板上，且接地。所述的执行机构通过记忆合金丝与直线连杆交替串联的方式，既增大了执行器的行程，又节约形状记忆合金丝的数量，节省了成本，同时相对于线性缠绕结构，避免了合金丝拐点的受力，使得记忆合金丝更加耐用；

每条直线连杆两端通过金属螺钉与PCB板连接，且金属螺钉与PCB板之间可以相对滑动，在PCB板上设置输入信号连接件，用于连接供电电源、地和控制信号端。采用金属螺钉的结构，使得记忆合金丝可以很好的与线路板相连接，有效的保障了执行器的稳定性；

所述卡扣为紫铜毛细管。

所述执行机构还包括保护销，为导电金属，其底端连接PCB板，通过PCB走线连接到驱动单元的保护检测端口；当形状记忆合金丝收缩带动第一直线连杆运动到预设最大位置时，第一直线连杆与保护销相接，电路导通。

所述驱动单元包括：

晶体三极管Q3的基极与控制信号输入端相连接，发射极接地，驱动电阻R31、R32并联，一端与晶体三极管Q3的集电极连接，另一端经由驱动电阻R2与供电电源相连接；MOS管Q1的源极与MOS管Q2的栅极相接，并连接到驱动电阻R2、R31、R32上；MOS管Q1的漏极接供电电源，源极的一端经由电阻与供电电源相连接；另一端经由并联电阻R41、R42连接到保护检测端口SW上；MOS管Q2的漏极与供电电源相连接，源极作为驱动单元的输出端。驱动电路体积小，易于集成，且相应速度快，能够将微弱驱动信号迅速放大，使得形状记忆合金执行器快速启动，同时还具有位置保护功能，防止记忆合金丝因驱动距离过大而发生损坏。

所述反馈机构包括：

电阻片，放置于固定板的表面；

接线柱，设置于电阻片的一端，用于输出当前电阻值；

滑动导轨，沿金属滑块滑动方向铺设于电阻片边缘；

金属滑块，其底部与电阻片相接，其两端嵌于滑动导轨中，且可在滑动导轨中滑动。

所述形状记忆合金丝或直线连杆的运动方向与金属滑块的滑动方向平行。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明所述的执行机构通过记忆合金丝与直线连杆交替串联的方式，既增大了执行器的行程，又节约形状记忆合金丝的数量，节省了成本，同时相对于线性缠绕结构，避免了合金丝拐点的受力，使得记忆合金丝更加耐用；

2.采用金属螺钉的结构，使得记忆合金丝可以很好的与线路板相连接，有效的保障了执行器的稳定性；

3.记忆合金丝成盘旋结构，在保障输出力的前提下，有效的减小了执行器的体积；

4.本发明提供了一种具有快速放大功能驱动电路，电路体积小，易于集成，且相应速度快，能够将微弱驱动信号迅速放大，使得形状记忆合金执行器快速启动，同时还具有位置保护功能，防止记忆合金丝因驱动距离过大而发生损坏；

5.本发明实施过程中在形状记忆合金执行器中增加了直线滑动电位器，从而通过电位器的阻值变化来实时记录形状记忆合金的驱动距离，该方法稳定性好，测量精度高，反应灵敏，可以有效的记录位置信息，实现执行器反馈功能，既增强了形状记忆合金执行器的可控性，同时又提高了该执行器的安全性；

6.本发明所述的形状记忆合金执行器具有价格低，质量轻，控制实现简单的优点，执行器间各合金丝相互独立，成模块化结构，更易于维护，且稳定性好，能够满足机器人的动力需求，可应用于仿生机器人领域独立作为一种动力机构使用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的执行机构示意图；

图3为本发明的驱动单元电路图；

图4为本发明的反馈机构示意图；

其中，1为执行机构、1-1为直线连杆、1-2为形状记忆合金丝、1-3为金属螺钉、1-4为卡扣、1-5为PCB板、1-6为保护销、1-7为输入信号连接件、2为驱动单元、3为反馈机构、3-1为固定板、3-2为金属滑块、3-3为电阻片、3-4为滑动导轨、3-5为接线柱。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

为使本发明的上述目的、特征和有点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可能直接在另一个元件上，或也可以存在居中的元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示，为本发明的整体结构示意图。形状记忆合金执行器包括执行机构1、驱动单元2以及反馈机构3三个部分。其中执行机构1用于实现形状记忆合金执行器的结构组成；驱动单元2负责放大驱动信号，为执行器提供足够的驱动电流；反馈机构3负责定位执行器的位置信息。

如图2所示，为本发明的执行机构示意图。所述的执行机构，由直线连杆1-1、形状记忆合金丝1-2、螺钉1-3、卡扣1-4、PCB板1-5、保护销1-6以及输入信号连接件1-7构成。形状记忆合金丝1-2两端分别通过卡扣1-4固定夹紧，并以焊接的方式与直线连杆1-1首尾交替连接，即：记忆合金丝1-2的一端通过卡扣1-4固定，并焊接到直线连杆的一侧，其另一端连接下一直线连杆；并以这种方式依次连接，最末端通过卡扣连接到PCB板1-5上。记忆合金丝及其所串联的直线连杆的数量可决定形状记忆合金执行机构的行程以及输出力大小，同时各合金丝之间相互独立，成模块化结构，当发生损坏时，仅需更换其中一段合金丝即可，更易于维护。直线连杆1-1通过金属螺钉1-3与PCB板1-5相连接，起固定以及通电作用。所述PCB板1-5为承载驱动机构的电路板；所述保护销1-6为金属导电材质，底端通过PCB板1-5中的PCB走线连接到驱动单元2的保护检测端口SW上，当形状记忆合金收缩带动第一直线连杆运动到预设最大位置时，直线连杆1-1-与保护销1-6相接，电路导通，驱动单元2可依据其保护检测端口的电压变化来实现位置保护功能。所述输入信号连接件1-7用于连接系统的供电电源、地以及控制信号。其中，电源电压输入范围5-30V，控制信号可为PWM波，通过占空比来控制形状记忆合金执行器的驱动速度。

如图3所示，为本发明的驱动机构电路图。包括MOS管Q1、Q2，晶体三极管Q3以及驱动电阻R1、R2、R31、R32、R41、R42构成。晶体三极管Q3的基极与控制信号输入端相连接，发射极接地，驱动电阻R31、R32并联，一端与晶体三极管Q3的集电极连接，另一端经由驱动电阻R2与供电电源相连接；MOS管Q1的源极与MOS管Q2的栅极相接，并连接到驱动电阻R2、R31、R32上；MOS管Q1的漏极接供电电源，源极的一端经由电阻与供电电源相连接；另一端经由并联电阻R41、R42连接到保护检测端口SW上；当保护检测端口SW上的电平由低变高时，电路中无电流流过，使得驱动端信号断开，此时，保护检测端口SW上的电平由高变低，电路恢复导通状态，这样使得记忆合金执行器始终保持在最大行程位置。MOS管Q2的漏极与供电电源相连接，源极连接形状记忆合金执行器1的一端，形状记忆合金执行器1的另一端与电地相连。整个驱动电路由晶体管组成，依据其工作原理，可将快速将微弱驱动信号放大，以满足形状记忆合金执行器的驱动需求。

如图4所示，为本发明的反馈机构示意图。所述反馈机构由固定板3-1，金属滑块3-2，电阻片3-3，滑动导轨3-4以及接线柱3-5构成。固定板3-1用于固定电阻片3-3，接线柱3-5以及执行机构。其中，执行机构与固定板分离，可通过螺钉连接于固定板3-1上。电阻片3-3放置于固定板的表面，接线柱3-5位于电阻片的一端。金属滑块3-2的两端嵌于滑动导轨3-4中，可自由滑动；金属滑块3-2顶端与执行机构1的第一直线连杆相接，当记忆合金收缩时，可同时带动第一直线连杆与金属滑块，金属滑块的底端与电阻片相连接，通过金属滑块的移动来改变接线柱端所测得的电阻值大小；该阻值大小与形状记忆合金执行器的驱动位移成线性关系；所述金属滑块3-2滑动方向与形状记忆合金以及直线连杆运动方向平行；这样即可通过测量接线柱两端的电阻值变化来准确记录形状记忆合金执行器的位移变化信息，从而实现对位置信息的精确控制。