1.本发明涉及记忆合金丝驱动技术领域，尤其涉及一种基于形状记忆合金丝的小型钢球活齿驱动器。
背景技术：2.形状记忆合金作为一种智能材料，已被作为一种驱动源广泛应用于机器人驱动等领域。目前，形状记忆合金丝驱动主要是通过将记忆合金丝嵌入机器人本体，通过形状记忆合金丝的形变产生动力源，以此牵引机器人实现目标运动。这种工作方式虽然有利于减小机器人的体积，但当机器人的结构或部分参数发生改变时，就需要将嵌入其中的形状记忆合金丝一并更换，这就导致这种布置方式的通用性很差。另外，单纯凭借形状记忆合金丝的形变产生动力源的方式，其输出力与位移有限。因此，开发了一种通用性强，能够输出较大力与位移的形状记忆合金丝驱动器。
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小型钢球活齿驱动器，该驱动器通用性强、结构紧凑、输出力矩大，且可实现整周运动。
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小型钢球活齿驱动器，包括底座、壳体、中心轮、活齿架、传动钢球、第一支撑钢球、第二支撑钢球、激波器、压簧、绕线槽、压簧固定螺栓、固定块、固定端轴承、输出端轴承和形状记忆合金丝；
6.所述壳体对应同轴固连在底座的上方；所述中心轮对应同轴固连在壳体的上方；所述活齿架同轴设置在底座和中心轮之间；所述活齿架的输出端向上伸出中心轮，固定端通过固定端轴承与底座连接；所述活齿架上部通过输出端轴承与中心轮的中心孔连接；
7.所述底座内部上表面设置有中心孔，中心孔的圆周外侧设置有与中心孔同轴的环形轨道；所述固定端轴承固定在底座的中心孔内；底座的环形轨道内均布有第一支撑钢球；所述激波器由法兰端和同轴固连在法兰端下端面的圆柱端构成，其圆柱端底部与固定块通过螺纹连接；所述固定块下方通过第一支撑钢球与底座接触连接；所述绕线槽同轴设置在激波器圆柱端的外侧，且其上端面与激波器的法兰端连接，下侧与固定块连接；
8.所述绕线槽由中心孔和圆周均布在中心孔圆周外侧的四个凸台构成；所述压簧的一端径向垂直作用在绕线槽的凸台上，另一端通过压簧固定螺栓与底座连接；每个凸台的左右两侧布置有若干通孔，通孔垂直于活齿架的中心轴线；所述底座侧壁的上沿分别设置有与凸台上的通孔对应的安装孔；所述形状记忆合金丝起始端对应于底座侧壁上沿安装孔，依次垂直穿过绕线槽三个相邻凸台的通孔后，末端与下一对应的底座侧壁上沿安装孔连接；所述形状记忆合金丝设置有两根，两根形状记忆合金丝采用相同的绕线方式呈90
°
布置；
9.所述激波器法兰端上端面中心孔外侧同轴设置有与传动钢球下部对应的环形轨
道；所述活齿架中部与激波器法兰端环形轨道上方对应的部分的圆周外侧圆周均布有u型卡槽；所述传动钢球分别位于u型卡槽内并与卡槽的圆弧接触；所述中心轮下端面同轴设置有与传动钢球上部对应的齿廓轨道；所述传动钢球可在激波器环形轨道与中心轮齿廓轨道组成的间隙内转动；所述传动钢球可在u型卡槽内滑动；所述激波器法兰端的上端面的外圆周表面圆周均布有支撑钢球座；所述第二支撑钢球分别设置在支撑钢球座内，且上部与中心轮下端面接触。
10.进一步的，所述固定块设置有中心螺纹孔，用于实现与激波器圆柱端底部的螺纹连接。
11.进一步的，所述活齿架包括依次固连的第一轴段、第二轴段、轴肩、第三轴段和第四轴段；所述第一轴段与安装在底座中心孔内的固定端轴承连接；所述第三轴段与安装在中心轮中心孔内的输出端轴承连接；所述第一轴段和第三轴段的安装保证了活齿架与底座、中心轮之间的垂直关系；所述u型卡槽圆周均布在第二轴段的顶部外侧，每个u型卡槽内布置有传动钢球，在驱动器转动时，传动钢球可沿u型卡槽滑动；所述轴肩用于对输出端轴承进行轴向限位；所述第四轴段用于和外加联轴器连接，实现驱动器的传动输出。
12.进一步的，所述底座的底部非安装区域设有圆周均布的散热孔，用于提高驱动器内部空气流动，加快散热。
13.进一步的，所述底座侧壁上沿的安装孔用于形状记忆合金丝的穿入与穿出，且所述安装孔内设有尼龙垫片，用于对形状记忆合金丝的起始段与末端进行固定。
14.进一步的，所述形状记忆合金丝可通过在绕线槽凸台左右两侧的通孔中多次缠绕的方式来增加形状记忆合金丝工作时的有效长度，从而达到调整活齿架偏心距的目的。
15.进一步的，所述固定块与底座之间通过第一支撑钢球连接，第一支撑钢球可在底座的环形轨道内滑动；所述激波器与中心轮之间设置有第二支撑钢球，第二支撑钢球可沿着中心轮的下端面滑动；所述第一支撑钢球和第二支撑钢球能够减少在驱动器转动时的内部摩擦损耗。
16.进一步的，所述中心轮下端面齿廓轨道的曲线方程为
17.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
18.本发明相比于现有的形状记忆合金丝驱动技术的优势在于：将形状记忆合金丝集成为一个小型的驱动器，具有通用性，便携性；
19.将钢球活齿结构引入基于形状记忆合金丝的驱动器设计，提高了驱动器的输出力矩；通过在激波器与中心轮之间，底座与固定块之间引入两组支撑钢球，将面接触转化为若干点接触，减小了驱动器旋转时的内部摩擦损耗，有效提高了驱动器的工作效率；
20.将底座底部非装配区进行开孔处理，提高驱动器内部空气流动，有效加快形状记忆合金丝在通电工作完成后的冷却过程；
21.将驱动器的输出轴与活齿架一体化设计，内部零件大多装配于活齿架上，有效简化了装配过程；
22.通过绕线槽的特殊设计将形状记忆合金丝的驱动力与压簧的作用力同时作用于绕线槽，同时还可通过改变形状记忆合金丝在绕线槽上的周数，来改变激波器的偏心距优化了驱动器空间结构布置，有效简化了驱动器结构，降低了驱动器体积，使驱动器结构更加紧凑。
附图说明
23.图1为本发明的整体结构示意图；
24.图2为本发明的整体抛切结构示意图；
25.图3为本发明的底座结构示意图；
26.图4为本发明的活齿架结构示意图；
27.图5为本发明的激波器结构示意图；
28.图6为本发明的绕线槽结构示意图；
29.图7为本发明的中心轮结构示意图。
30.其中，附图标记：1-底座；101-第一安装孔；102-第一压簧固定螺纹孔；103-第二安装孔；104-环形轨道；105-第三安装孔；106-第二压簧固定螺纹孔；107-第四安装孔；2-固定端轴承；3-形状记忆合金丝；301-第一形状记忆合金丝；302-第二形状记忆合金丝；4-尼龙垫片；5-压簧固定螺栓；501-第一压簧固定螺栓；502-第二压簧固定螺栓；6-固定块；7-压簧；8-壳体；9-中心轮；901-卡簧槽；902-齿廓轨道；10-输出端轴承；11-活齿架；1101-第一轴段；1102-第二轴段；1103-活齿架卡槽；1104-轴肩；1105-第三轴段；1106-第四轴段；12-传动钢球；13-第二支撑钢球；14-激波器；1401-环形轨道；1402-支撑钢球座；15-绕线槽；1501-第一凸台；1502-第二凸台；1503-第三凸台；1504-第四凸台；16-第一支撑钢球。
具体实施方式
31.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。
32.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。
33.参见附图1至7，给出了本发明所提出的一种基于形状记忆合金丝的小型钢球活齿驱动器的一个实施例的具体结构，所述驱动器包括底座1、壳体8、中心轮9、活齿架11、传动钢球12、第一支撑钢球16、第二支撑钢球13、激波器14、压簧7、绕线槽15、第一压簧固定螺栓501、第二压簧固定螺栓502、固定块6、固定端轴承2、输出端轴承10、形状记忆合金丝3。
34.其中，所述底座1为带有一定高度侧壁的圆盘结构；所述壳体8对应同轴固连在底座1侧壁的顶部；所述中心轮9对应同轴固连在壳体8的顶部；所述活齿架11同轴设置在底座1和中心轮9之间，且与底座1和中心轮9呈垂直关系；所述活齿架11的输出端向上伸出中心轮9，固定端通过固定端轴承2与底座1连接；所述活齿架11上部通过输出端轴承10与中心轮9的中心孔连接，且所述中心轮9的中心孔内设置有卡簧槽901，卡簧槽901内设有卡簧，通过卡簧与输出端轴承10连接。
35.本实施例中，所述活齿架11包括依次固连的第一轴段1101、第二轴段1102、轴肩1104、第三轴段1105和第四轴段1106，以及设置在第二轴段1102顶部圆周外侧的活齿架卡槽，所述活齿架卡槽由圆周均布在一个圆环件外圆周端面上的径向u型卡槽1103构成；所述
第一轴段1101与固定安装在底座1中心孔内的固定端轴承2连接；所述第三轴段1105与固定安装在中心轮9中心孔内的输出端轴承连接；所述第一轴段1101和第三轴段1105的安装保证了活齿架11与底座1、中心轮9之间的垂直关系；所述u型卡槽1103圆周均布在第二轴段1102的顶部外侧，每个u型卡槽1103内布置有传动钢球12，在驱动器转动时，传动钢球12可沿u型卡槽1103滑动；所述轴肩1104用于对输出端轴承10进行轴向限位；所述第四轴段1106用于和外加联轴器连接，实现驱动器的传动输出。
36.所述底座1的底部设置有中心孔，中心孔的圆周外侧设置有与中心孔同轴的环形轨道104；所述固定端轴承2固定在底座1的中心孔内；底座1的环形轨道104内均布有第一支撑钢球16；所述激波器14由法兰端和同轴固连在法兰端下端面的圆柱端构成；所述固定块6设置有中心螺纹孔，通过该中心螺纹孔实现与激波器14圆柱端底部的螺纹连接；所述固定块6的下端面通过第一支撑钢球16与底座1接触连接，第一支撑钢球16可在底座1的环形轨道104内滑动；所述绕线槽15同轴设置在激波器14圆柱端的外侧，且其上端面与激波器14的法兰端连接，下端面与固定块6连接。
37.本实施例中，所述绕线槽由中心孔和圆周均布在中心孔圆周外侧的四个凸台构成，分别为第一凸台1501、第二凸台1502、第三凸台1503和第四凸台1504；每个凸台的左右两侧面的相同位置均对应设有若干通孔，且通孔均垂直于活齿架11的中心轴线；对应的，所述底座1侧壁的上沿均布有分别与各凸台上的通孔两侧对应的安装孔，本实施例中，针对使用到的四个安装孔进行说明，分别为依次相邻的第一安装孔101、第二安装孔103、第三安装孔105和第四安装孔107；所述形状记忆合金丝3的起始端对应于底座1侧壁上沿安装孔，依次垂直穿过绕线槽三个相邻凸台的通孔后，末端与下一对应的底座1侧壁上沿安装孔连接。
38.本实施例中，所述形状记忆合金丝3设置有两根，分别为第一形状记忆合金丝301和第二形状记忆合金丝302，两根形状记忆合金丝采用相同的绕线方式呈90
°
布置；具体地，所述第一形状记忆合金丝301由第一安装孔101穿入，分别依次经过第二凸台1502、第三凸台1503和第四凸台1504上对应的通孔后，最终从第二安装孔103穿出；所述第二形状记忆合金丝302由第四安装孔107穿入，分别依次经过第一凸台1501、第四凸台1504、第三凸台1503上对应的通孔，最终从第三安装孔105穿出，且所述第一形状记忆合金丝301和第二形状记忆合金丝302与各安装孔之间均通过尼龙垫片4连接，尼龙垫片4设置在各安装孔内，用于对形状记忆合金丝3的起始端和末端进行固定。
39.所述压簧7成对使用，本实施例中设置有两个，分别垂直设置在第一凸台1501、第二凸台1502与底座1的侧壁之间，对应的，所述底座1侧壁位于第一安装孔101和第二安装孔103中间的区域设置有第一压簧固定螺纹孔102，位于第三安装孔105和第四安装孔107中间的区域设置有第二压簧固定螺纹孔106；两个压簧7的一端分别径向垂直作用在第一凸台1501和第二凸台1502上，另一端分别通过第一压簧固定螺栓501和第二压簧固定螺栓502与底座1侧壁上对应的第一压簧固定螺纹孔102和第二压簧固定螺纹孔106螺纹连接，即所述第一压簧固定螺栓501与第二压簧固定螺栓502呈90
°
布置。
40.所述激波器14法兰端上端面中心孔的外侧同轴设置有与传动钢球12下部对应的环形轨道1401；所述活齿架11中部圆周外侧圆周均布的u型卡槽1103分别与环形轨道1401上方对应；所述传动钢球12分别位于u型卡槽1103内并与卡槽的圆弧接触；所述中心轮9下端面同轴设置有与传动钢球12上部对应的齿廓轨道902；所述中心轮齿廓轨道902与u型卡
槽1103和激波器环形轨道1401上下对应；本实施例中，所述齿廓轨道902的曲线方程为
41.所述传动钢球12可在激波器环形轨道1401与中心轮齿廓轨道902组成的间隙内转动；所述传动钢球12可在u型卡槽1103内滑动；所述激波器14法兰端的上端面的外圆周表面圆周均布有轴向的支撑钢球座1402；所述第二支撑钢球13分别设置在支撑钢球座1403内，且第二支撑钢球13的上部均与中心轮9的下端面接触，所述第二支撑钢球13可沿着中心轮9的下端面滑动；所述第一支撑钢球16和第二支撑钢球13能够减少在驱动器转动时的内部摩擦损耗。
42.本实施例中，驱动器的直径为60mm，高为33mm；所述第一支撑钢球16的直径为3mm，数量为20个；所述第二支撑钢球13的直径为3mm，数量为8个，所述传动钢球12的直径为4mm，数量为10个；所述活齿架u型卡槽1103的圆弧直径为4mm，槽深为1.2mm，数量为10个；所述激波器14的偏心距为0.9mm；所述形状记忆合金丝3的丝径为0.3mm，长度为200mm，单边作动1.8mm，单根形状记忆合金丝总体位移为3.6mm，伸缩比为1.82％。
43.本实施例中，所述底座1的底部非安装区域还设有圆周均布的散热孔108，用于提高驱动器内部空气流动，加快散热。
44.本发明的工作原理在于：所述第一形状记忆合金丝301通过第一安装孔101经绕线槽15缠绕为u型后自第二安装孔103穿出；所述第二形状记忆合金丝302通过第四安装孔107经绕线槽15缠绕为u型后自第三安装孔105穿出；所述固定块6与激波器14通过螺纹连接，所述绕线槽15夹于两者之间；所述激波器14套于活齿架11的第二轴段1102；所述传动钢球12置于由激波器14的环形轨道1401和中心轮9的齿廓轨道902组合而成的闭合空腔内，且可沿活齿架u型卡槽1103滑动。初始状态时，形状记忆合金丝3与压簧7均处于松弛状态，激波器14位于远离形状记忆合金丝3收缩合力方向的两倍偏心距处，工作状态时，第一形状记忆合金丝301通电收缩，使得压簧7压缩积蓄能量，第一形状记忆合金丝301断电，压簧7能量释放，使激波器14恢复至初始位置，由此可在此方向上实现往复运动；第二形状记忆合金丝302工作原理与第一形状记忆合金丝301相同，只是通电时间滞后于第一形状记忆合金丝301。所述第一形状记忆合金丝301与第二形状记忆合金丝302交替配合通电就可实现激波器14绕活齿架11中心轴线做偏心转动。在激波器14做偏心运动时，其上的环形轨道1402带动传动钢球12沿活齿架u型卡槽1103滑动，而传动钢球12在闭合空腔的作用下，会给活齿架u型卡槽1103以反向的作用力，进而带动活齿架11产生转动，从实现驱动器的旋转输出。
45.本发明未详尽事宜为公知技术。
46.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小型钢球活齿驱动器，其特征在于：所述驱动器包括底座、壳体、中心轮、活齿架、传动钢球、第一支撑钢球、第二支撑钢球、激波器、压簧、绕线槽、压簧固定螺栓、固定块、固定端轴承、输出端轴承和形状记忆合金丝；所述壳体对应同轴固连在底座的上方；所述中心轮对应同轴固连在壳体的上方；所述活齿架同轴设置在底座和中心轮之间；所述活齿架的输出端向上伸出中心轮，固定端通过固定端轴承与底座连接；所述活齿架上部通过输出端轴承与中心轮的中心孔连接；所述底座内部上表面设置有中心孔，中心孔的圆周外侧设置有与中心孔同轴的环形轨道；所述固定端轴承固定在底座的中心孔内；底座的环形轨道内均布有第一支撑钢球；所述激波器由法兰端和同轴固连在法兰端下端面的圆柱端构成，其圆柱端底部与固定块通过螺纹连接；所述固定块下方通过第一支撑钢球与底座接触连接；所述绕线槽同轴设置在激波器圆柱端的外侧，且其上端面与激波器的法兰端连接，下侧与固定块连接；所述绕线槽由中心孔和圆周均布在中心孔圆周外侧的四个凸台构成；所述压簧的一端径向垂直作用在绕线槽的凸台上，另一端通过压簧固定螺栓与底座连接；每个凸台的左右两侧布置有若干通孔，通孔垂直于活齿架的中心轴线；所述底座侧壁的上沿分别设置有与凸台上的通孔对应的安装孔；所述形状记忆合金丝起始端对应于底座侧壁上沿安装孔，依次垂直穿过绕线槽三个相邻凸台的通孔后，末端与下一对应的底座侧壁上沿安装孔连接；所述形状记忆合金丝设置有两根，两根形状记忆合金丝采用相同的绕线方式呈90
°
布置；所述激波器法兰端上端面中心孔外侧同轴设置有与传动钢球下部对应的环形轨道；所述活齿架中部与激波器法兰端环形轨道上方对应的部分的圆周外侧圆周均布有u型卡槽；所述传动钢球分别位于u型卡槽内并与卡槽的圆弧接触；所述中心轮下端面同轴设置有与传动钢球上部对应的齿廓轨道；所述传动钢球可在激波器环形轨道与中心轮齿廓轨道组成的间隙内转动；所述传动钢球可在u型卡槽内滑动；所述激波器法兰端的上端面的外圆周表面圆周均布有支撑钢球座；所述第二支撑钢球分别设置在支撑钢球座内，且上部与中心轮下端面接触。2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的小型钢球活齿驱动器，其特征在于：所述固定块设置有中心螺纹孔，用于实现与激波器圆柱端底部的螺纹连接。3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的小型钢球活齿驱动器，其特征在于：所述活齿架包括依次固连的第一轴段、第二轴段、轴肩、第三轴段和第四轴段；所述第一轴段与安装在底座中心孔内的固定端轴承连接；所述第三轴段与安装在中心轮中心孔内的输出端轴承连接；所述第一轴段和第三轴段的安装保证了活齿架与底座、中心轮之间的垂直关系；所述u型卡槽圆周均布在第二轴段的顶部外侧，每个u型卡槽内布置有传动钢球，在驱动器转动时，传动钢球可沿u型卡槽滑动；所述轴肩用于对输出端轴承进行轴向限位；所述第四轴段用于和外加联轴器连接，实现驱动器的传动输出。4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的小型钢球活齿驱动器，其特征在于：所述底座的底部非安装区域设有圆周均布的散热孔，用于提高驱动器内部空气流动，加快散热。5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的小型钢球活齿驱动器，其特征在于：所述底座侧壁上沿的安装孔用于形状记忆合金丝的穿入与穿出，且所述安装孔内设有尼龙垫片，用于对形状记忆合金丝的起始段与末端进行固定。
6.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的小型钢球活齿驱动器，其特征在于：所述形状记忆合金丝可通过在绕线槽凸台左右两侧的通孔中多次缠绕的方式来增加形状记忆合金丝工作时的有效长度，从而达到调整活齿架偏心距的目的。7.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的小型钢球活齿驱动器，其特征在于：所述固定块与底座之间通过第一支撑钢球连接，第一支撑钢球可在底座的环形轨道内滑动；所述激波器与中心轮之间设置有第二支撑钢球，第二支撑钢球可沿着中心轮的下端面滑动；所述第一支撑钢球和第二支撑钢球能够减少在驱动器转动时的内部摩擦损耗。8.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的小型钢球活齿驱动器，其特征在于：所述中心轮下端面齿廓轨道的曲线方程为
技术总结本发明涉及一种基于形状记忆合金丝的小型钢球活齿驱动器，包括底座、壳体、中心轮、活齿架、传动钢球、第一支撑钢球、第二支撑钢球、激波器、压簧、绕线槽、压簧固定螺栓、固定块、固定端轴承、输出端轴承和形状记忆合金丝；本发明采用形状记忆合金丝驱动钢球活齿结构来实现驱动器的设计，通过固定块、绕线槽的特殊设计实现了两者的有机结合。通过两根形状记忆合金丝的配合驱动平面钢球活齿机构转动，实现了驱动器的连续旋转。本发明的优势在于将活齿架与输出轴一体化设计，结合固定块、绕线槽的特殊设计，使驱动器内部高度集成，有效减小了驱动器的体积；通过布置支撑钢球，有效减小了驱动器的内部摩擦损耗，提高了驱动器工作效率。提高了驱动器工作效率。提高了驱动器工作效率。
技术研发人员：许立忠 付正龙 王钊 刘航天
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
