CN102556195B - 一种基于记忆合金驱动的仿蝗虫弹跳机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于记忆合金驱动的仿蝗虫弹跳机器人，包括大腿结构、小腿结构、记忆合金弹簧、蓄能扭簧和复位结构，大腿结构由支撑板和固定在支撑板两侧及末端的支撑杆构成，小腿结构包括小腿板和支撑的腿节，大腿结构两侧固定有记忆合金弹簧，记忆合金弹簧前端通过隔热线与小腿板顶部相连，蓄能扭簧一端与大腿结构前端固定，另一端与小腿板顶部铰接，复位结构包括一微型电机，微型电机固定在大腿支撑板底部，电机动力输出轴上固定一个绕线盘，绕线盘上设有绕线柱，其中一绕线柱上固定有绕线，绕线穿过大腿支撑板上的导向孔与小腿中节固定，小腿上节上设有弹性的挂钩，大腿支撑板上设有与挂钩端部大小配合的滑槽，滑槽尾部尺寸增大以释放与其扣合的挂钩。

Description

一种基于记忆合金驱动的仿蝗虫弹跳机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种基于记忆合金驱动的仿蝗虫弹跳机器人。

背景技术

目前，跳跃性机器人的研究在国际上尚处于实验室阶段，在我国也仅有个别高校在近些年开展了相关课题的研究，与一般运动方式的机器人相比，弹跳运动的机器人具有较大优势，它可以越过数倍甚至数十倍于自身高度的障碍物，运动形式灵活，工作效率较高，特别是在星际探索中，由于月球与火星表面重力加速度低于地球，能充分利用弹跳运动这个优势，达到更高的弹跳高度以越过星球表面的障碍物。

仿生机器人是技术人员为了提高机器人的运动能力，从自然界的生物运动获得启发，通过模仿具有跳跃能力的动物，如袋鼠、青蛙和蝗虫等研究出的具有高效运动方式的机器人，经研究，蝗虫后腿的运动原理是：复位（Initial state）：与身体连接的后腿腿节上的屈肌肌肉收缩，使腿节-胫节夹角减小，蝗虫身体下蹲；（2）扣合（Cocking）：屈肌肌肉收缩使蝗虫腿节-胫节紧紧闭合，即腿节-胫节夹角为0°时，这时后腿上的凸起卡入凹槽中；（3）蓄能（Co-contraction）：伸肌肌肉开始收缩，屈肌肌肉和伸肌肌肉的共同作用使得位于腿节-胫节关节处的半月形皮下肌肉变形，存储弹跳所需的能量，此时，蝗虫的后腿状态保持不变；（4）触发（Triggering）：一段时间后，屈肌肌肉停止收缩，伸肌肌肉依然收缩，伸肌通过腿节-胫节关节将力传至跗节，使跗节对地面产生反作用力，同时存储在半月形皮下肌肉的能量开始释放，进而实现的弹跳。现有仿蝗虫弹跳机构的研究已取得了一定的成果，但仿生程度较高的很少，而且结构一般都比较复杂。

发明内容

为解决现有弹跳机器人存在的结构复杂、质量较大、驱动和触发装置功重比小的缺陷，本发明提供一种基于记忆合金驱动的仿蝗虫弹跳机器人，通过结合记忆合金弹簧和蓄能扭簧的结构，可实现机器人蓄能、复位、自动触发释放的循环弹跳动作。

本发明采用的技术方案为：一种基于记忆合金驱动的仿蝗虫弹跳机器人，包括大腿结构、小腿结构、记忆合金弹簧、蓄能扭簧和复位结构，大腿结构由支撑板和固定在支撑板两侧的侧支撑杆及末端的底支撑杆构成，两侧支撑杆等长且平行布置，小腿结构包括小腿板、小腿上节、小腿中节和小腿下节，两块小腿板固定连接在小腿上节上端，杆式的小腿上节下端与小腿中节上端固定连接，小腿中节下端固定小腿下节，大腿末端底支撑杆的两端部固定有与大腿侧支撑杆并列布置的记忆合金弹簧，两块小腿板顶部设有小腿连接孔，记忆合金弹簧另一端通过隔热线与连接孔相连，蓄能扭簧一端与大腿结构前端固定连接，另一端与小腿板顶部铰接，所述复位结构包括微型电机、绕线、挂钩和滑槽，微型电机固定在大腿支撑板底部，微型电机动力输出轴固定有一个绕线盘，绕线盘上固定至少3个绕线柱，绕线一端固定在其中一个绕线柱上，另一端穿过大腿支撑板上的导向孔固定在小腿中节上，弹性的挂钩设置在小腿上节上，大腿支撑板上设有与挂钩端部大小配合的滑槽，滑槽尾部尺寸增大以释放与其扣合的挂钩。

所述两块小腿板之间设有小腿板支撑块，以加强小腿结构的强度。

所述小腿下节包括横板和小腿支撑杆，两根小腿支撑杆分别固定在横板的两侧构成U型结构，横板与小腿中节固定连接，小腿支撑杆末端套装有防滑套。

工作时，安装于大腿支撑板底部的微型电机驱动绕线盘带动绕线回收绕在绕线柱上，拉动小腿结构收缩，使大腿结构与小腿结构间的夹角减小完成复位动作；小腿结构收缩过程中，小腿上节上的挂钩卡入大腿支撑板上的滑槽内并扣合，然后控制微型电机反转，使绕线变为松弛状态，完成扣合动作；通过加热记忆合金弹簧使其收缩拉动挂钩沿滑槽向大腿结构末端移动，同时驱使扭簧收缩蓄能，此时记忆合金弹簧和蓄能扭簧共同存储了弹跳所需的能量；挂钩滑动至滑槽尾部时自动释放，同时存储在蓄能扭簧和记忆合金弹簧中的能量开始释放，使绕线松弛，小腿结构与大腿结构分离，小腿结构产生对地面的反作用力，从而实现机器人的弹跳。

本发明的有益效果是：

（1）本发明将记忆合金弹簧相结合应用于弹跳机器人，设计的驱动和触发机构简便轻质，在一定程度上弥补了现有弹跳机器人驱动和触发装置功重比小，驱动时存在噪音和污染, 驱动电压比较高的缺陷；

（2）本发明根据仿生学原理，利用蝗虫的弹跳机理，设计的机器人结构构简单、高效，且可自动实现复位、扣合、蓄能、触发动作，实现连续弹跳；

（3）本发明的自动触发释放机构，结构简单，通过挂钩与滑槽的配合实现自动触发和能量的释放，可靠性高，弹跳高度稳定。

附图说明

图1是本发明实施例的机器人触发状态结构示意图；

图2是本发明实施例的机器人复位状态结构示意图；

图3是本发明实施例的挂钩结构示意图；      

图中：1-绕线盘，2-记忆合金弹簧，3-滑槽，4-蓄能扭簧，5-小腿连接孔，6-小腿板支撑块，7-小腿板，8-小腿上节，9-小腿中节，10-挂钩，11-横板，12-小腿下节，13-防滑套，14-隔热线，15-大腿支撑板，16-导向孔，17-绕线，18-侧支撑杆，19-底支撑杆，20-微型电机，21-动力输出轴，22-绕线柱。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的基于记忆合金驱动的仿蝗虫弹跳机器人，包括大腿结构、小腿结构、记忆合金弹簧2、蓄能扭簧4和复位结构，大腿结构由支撑板和固定在支撑板两侧的侧支撑杆18及末端的底支撑杆19构成，两侧支撑杆18等长且平行布置，小腿结构包括小腿板7、小腿上节8、小腿中节9和小腿下节12，两块小腿板7固定连接在小腿上节8上端，杆式的小腿上节8下端与小腿中节9上端固定连接，小腿中节9下端固定小腿下节12，大腿末端底支撑杆19的两端部固定有与大腿两侧支撑杆18并列布置的记忆合金弹簧2，本实施例的记忆合金弹簧2采用镍-钛记忆合金弹簧，两块小腿板7顶部设有小腿连接孔5，记忆合金弹簧2另一端通过隔热线14与连接孔相连，蓄能扭簧4一端与大腿结构前端固定连接，另一端与小腿板7顶部铰接，所述复位结构包括微型电机20、绕线17、挂钩10和滑槽3，微型电机20固定在大腿支撑板15底部，微型电机20动力输出轴21固定有一个绕线盘1，绕线盘1上焊接固定至少3个绕线柱22，绕线17一端固定在其中一个绕线柱22上，另一端穿过大腿支撑板15上的导向孔16固定在小腿中节9上，弹性的挂钩10包括端部和底部，端部为由上至下尺寸逐渐增大的过渡结构，底部为两支撑杆，挂钩10底部固定在小腿上节8上，大腿支撑板15上设有与挂钩10端部大小配合的滑槽3，滑槽3近蓄能扭簧4一端为与挂钩10端部配合的圆孔，中部为长条形孔槽，尾部为尺寸大于挂钩10底部的椭圆形孔，以释放与其扣合的挂钩10。

所述两块小腿板7之间设有小腿板支撑块6，以加强小腿结构的强度。

所述小腿下节12包括横板11和小腿支撑杆，两根小腿支撑杆分别固定在横板11的两侧构成U型结构，横板11与小腿中节9固定连接，小腿支撑杆末端套装有防滑套13，U型结构和防滑套13的设计可以增强机器人触发弹跳时的平衡性和作用力。

工作时，安装于大腿支撑板15底部的微型电机20驱动绕线盘1带动绕线17回收绕在绕线柱22上，拉动小腿结构收缩，使大腿结构与小腿结构间的夹角减小完成复位动作；小腿结构收缩过程中，小腿上节8上的挂钩10卡入大腿支撑板15上的滑槽3内并扣合，然后控制微型电机20反转，使绕线17变为松弛状态，完成扣合动作；通过加热记忆合金弹簧2使其收缩拉动挂钩10沿滑槽3向大腿结构末端移动，同时驱使扭簧收缩蓄能，此时记忆合金弹簧2和扭簧共同存储了弹跳所需的能量；挂钩10滑动至滑槽3尾部时得到释放，同时存储在蓄能扭簧4和记忆合金弹簧2中的能量开始释放，使绕线17松弛，小腿结构与大腿结构分离，小腿结构产生对地面的反作用力，从而实现机器人的弹跳。

Claims (3)

1.一种基于记忆合金驱动的仿蝗虫弹跳机器人，其特征在于：包括大腿结构、小腿结构、记忆合金弹簧、蓄能扭簧和复位结构，大腿结构由支撑板和固定在支撑板两侧的侧支撑杆及末端的底支撑杆构成，两侧支撑杆等长且平行布置，小腿结构包括小腿板、小腿上节、小腿中节和小腿下节，两块小腿板固定连接在小腿上节上端，杆式的小腿上节下端与小腿中节上端固定连接，小腿中节下端固定小腿下节，大腿末端底支撑杆的两端部固定有与大腿侧支撑杆并列布置的记忆合金弹簧，两块小腿板顶部设有小腿连接孔，记忆合金弹簧另一端通过隔热线与连接孔相连，蓄能扭簧一端与大腿结构前端固定连接，另一端与小腿板顶部铰接，所述复位结构包括微型电机、绕线、挂钩和滑槽，微型电机固定在大腿支撑板底部，微型电机动力输出轴固定有一个绕线盘，绕线盘上固定至少3个绕线柱，绕线一端固定在其中一个绕线柱上，另一端穿过大腿支撑板上的导向孔固定在小腿中节上，弹性的挂钩设置在小腿上节上，大腿支撑板上设有与挂钩端部大小配合的滑槽，滑槽尾部尺寸增大以释放与其扣合的挂钩。

2.根据权利要求1所述的基于记忆合金驱动的仿蝗虫弹跳机器人，其特征在于所述两块小腿板之间设有小腿板支撑块。

3.根据权利要求1所述的基于记忆合金驱动的仿蝗虫弹跳机器人，其特征在于小腿下节包括横板和小腿支撑杆，两根小腿支撑杆分别固定在横板的两侧构成U型结构，横板与小腿中节固定连接，小腿支撑杆末端套装有防滑套。

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