CN107225566A - 双程形状记忆合金驱动的软体模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开双程形状记忆合金驱动的软体模块，包括设置于两端的端盘，两个端盘之间设有若干根形状记忆合金弹簧，形状记忆合金弹簧两端分别与两个端盘相连，形状记忆合金弹簧还与电源电连接。本发明技术方案通过向部分形状记忆合金弹簧进行通电，而另外的形状记忆合金弹簧则不通电，则会使得部分的形状记忆合金弹簧发生加热收缩，收缩变形的形状记忆合金弹簧通过拉动两端的端盘向收缩变形的形状记忆合金弹簧中心倾斜和靠拢，其他未通电的形状记忆合金弹簧也会相应地被拉伸而弯曲，这样即可实现双程形状记忆合金驱动的软体模块朝向某一方向倾斜。相对于现有技术，本发明技术方案具有控制简易、应用广泛、工作可靠等优点。

Description

双程形状记忆合金驱动的软体模块

技术领域

本发明涉及机器人自动化控制技术领域，特别涉及双程形状记忆合金驱动的软体模块。

背景技术

机器人已经广泛应用于工业、农业、抢险救灾、军事、航空航天等技术领域中，并对人类的生产和生活产生越来越重要的作用。

传统机器人一般使用刚性材料并通过运动副进行连接，其自由度较小，虽然能够达到较高的运动精度，但是也导致了质量重、造价高、动态控制复杂、运动形式较为单一并且与适应环境能力较差等缺点。

软体机器人在理论上具有无限个自由度，不需要复杂的机构即可容易地实现灵活多变的运动，环境适应性强，与作业对象之间以柔性接触，对自身和操作对象的损伤较小，因此对软体机器人加以研究和发展，在医疗康复、微创手术、复杂环境探险、搜索营救等方面具有巨大的应用价值。

软体机器人是仿生机器人的典型代表，近年来被广泛地进行研究。其中形状记忆合金是一种体积小、作用力大、控制简便的智能材料，尤为适用于驱动软体机器人。

国内关于软体机器人较为成功案例是中国科技大学研制的一种基于形状记忆合金—柔体复合结构的柔性操作手(专利申请号：CN201510250616.9)以及一种基于双斜面偏转关节的机器鱼(专利申请号：CN201520317429.3)。除此之外，国内外也有应用形状记忆合金弹簧制成生物医学用管道微型机器人，例如韩国首尔大学用形状记忆合金弹簧布置在能折叠的机器人机构关节处，以仿效肌肉收缩而使软体机器人作出相应的动作。而在欧盟第七期科研架构计划中，意大利研究人员使用形状记忆合金弹簧作为仿象鼻机器人的横肌，驱动象鼻的径向收缩。

虽然目前已有基于形状记忆合金的驱动单元，但它们只能单方向弯曲，结构过于复杂、制造难度大且成本高，只能用于特定构型，难以满足搭建灵活多变以及不同构型的单体机器人，且难以适应更广泛的作业环境和应用需求。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种控制简易、应用广泛、工作可靠的双程形状记忆合金驱动的软体模块，旨在对软体机器人进行优化设计，提高软体机器人的应用范围。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案进行实现：

双程形状记忆合金驱动的软体模块，包括设置于两端的端盘，两个端盘之间设有若干根形状记忆合金弹簧，所述形状记忆合金弹簧两端分别与所述两个端盘相连，所述形状记忆合金弹簧还与电源电连接。

本发明技术方案中，由于形状记忆合金具有加热收缩以及冷却伸长的双程效应特性，因此向形状记忆合金弹簧进行通电，则会使形状记忆合金内部受热进行收缩。通过向部分形状记忆合金弹簧进行通电，而另外的形状记忆合金弹簧则不通电，则会使部分形状记忆合金弹簧发生加热收缩，收缩变形的形状记忆合金弹簧通过拉动两端的端盘向已经收缩变形的形状记忆合金弹簧中心进行倾斜和靠拢，其他未通电的形状记忆合金弹簧也会相应地被拉伸，这样即可实现双程形状记忆合金驱动的软体模块向某一方向倾斜。

本发明技术方案中通过向不同的形状记忆合金弹簧通以不同数值的电流，则会使得不同的形状记忆合金弹簧发生不同长度的收缩变形，相应地，使得双程形状记忆合金驱动的软体模块表现出不同的形状变形。相对于现有技术，本发明技术方案使得双程形状记忆合金驱动的软体模块在控制上更加简便，同时变换形状可更加丰富多样。

相对的两个所述端盘之间设有弹性弯曲变形的弹性躯体，所述弹性躯体的两端分别与两个所述端盘之间相连。通过在双程形状记忆合金驱动的软体模块内部设置可弹性弯曲变形的弹性躯体，弹性躯体能够有效支撑本发明技术方案的双程形状记忆合金驱动的软体模块，使其在结构强度上有所提升。并且能够限制形状记忆合金弹簧产生过多的偏移，同时也能使得双程形状记忆合金驱动的软体模块更为容易地恢复初始状态。

相对的两个所述端盘之间设有三根所述形状记忆合金弹簧，三根所述形状记忆合金弹簧与所述端盘之间的连接点相连呈等边三角形，所述弹性躯体与所述端盘之间的连接位置设置于所述等边三角形的中心。

通过使得三根形状记忆合金弹簧与端盘之间的连接点相连呈等边三角形，使得端盘在受力上更加稳定，并且弹性躯体与端盘之间的连接位置设置于等边三角形的中心，这样的结构设置使得弹性躯体的中心轴线与双程形状记忆合金驱动的软体模块的中心轴向相互重合，可在弹性躯体的中心设置穿线孔，便于在弹性躯体中心通过穿线孔穿入漆包线以对形状记忆合金弹簧进行供电。另外，双程形状记忆合金驱动的软体模块的部分形状记忆合金弹簧被通入电流发生收缩变形时，弹性躯体也能与双程形状记忆合金驱动的软体模块的变形基本相一致，以保证双程形状记忆合金驱动的软体模块的弯曲变形稳定性。

所述软体模块的弯曲角度范围为-90°～90°。

所述形状记忆合金弹簧与单片机电路组成的MCU模块电路电连接。通过设置MCU模块与形状记忆合金弹簧电连接，从而可控制通入部分形状记忆合金弹簧的电流大小，以使得形状记忆合金弹簧实现不同程度的收缩变形，相应地，双程形状记忆合金驱动的软体模块也通过形状记忆合金弹簧的角度控制变形而在弯曲角度范围为-90°～90°的范围内进行变形。

所述形状记忆合金弹簧表面包裹有弹性弯曲变形的绝缘保护套。

所述软体模块轴向设有弹性变形的圆筒状的蒙皮包裹所述软体模块。

通过在形状记忆合金弹簧表面设置绝缘保护套，以防止形状记忆合金弹簧变形时相互交叉接触导通影响特定变形的形状记忆合金弹簧的变形可靠性。同时在双程形状记忆合金驱动的软体模块表面设置蒙皮包裹，以避免灰尘等杂物进入模块内部影响正常工作。

所述弹性躯体与所述端盘以插接相连，所述弹性躯体的端头插入所述端盘的插头孔内，所述弹性躯体端头与所述端盘垂直相连位置设有粘接胶将所述弹性躯体端头与所述端盘粘接相连。弹性躯体通过与端盘之间的插接相连，并且两者插接相连位置附近通过粘接相连，以进一步保证连接的可靠性。

所述形状记忆合金弹簧的材质为镍钛合金，所述弹性躯体的材质为硅胶或橡胶，所述绝缘保护套和所述蒙皮的材质为硅胶或橡胶。本发明技术方案中，形状记忆合金弹簧的材质为镍钛合金，使得双程形状记忆合金驱动的软体模块通过通电即可实现可靠变形，并且将弹性躯体的材质设置为橡胶，绝缘保护套和蒙皮的材质设置为硅胶或橡胶，使得双程形状记忆合金驱动的软体模块的弯曲变心时具有一定的弹性变形量，并且弹性变形过程中通过弹性躯体以保证变形且具备较好的稳定性。

相对于现有技术，本发明技术方案的双程形状记忆合金驱动的软体模块具有以下优点：

1)控制简易。本发明技术方案的双程形状记忆合金驱动的软体模块通过电源向形状记忆合金弹簧通入不同的电流值即可实现形状记忆合金弹簧产生不同的收缩变形量。

2)应用广泛。本发明技术方案通过多个形状记忆合金弹簧的收缩变形相互配合，同时软体模块的弯曲角度范围为-90°～90°且摆动的方向角为0°～360°，因此可灵活地摆动至不同位置，使得双程形状记忆合金驱动的软体模块能够适用于不同的应用。另外，由于本发明技术方案的软体模块通过形状记忆合金弹簧构建收缩变形骨架部件，因此本发明的软体模块整体重量较轻，多节双程形状记忆合金驱动的软体模块依次串联相连，即可实现软体机器人产生不同的形状和位移，以应用于不同的应用场景。

3)工作可靠。本发明技术方案的双程形状记忆合金驱动的软体模块采用形状记忆合金弹簧，其中形状记忆合金具有受热收缩变形，冷却后恢复原状的特性，因此形状记忆合金弹簧可靠的工作性能，并且通过以单片机电路组成的MCU模块电路控制通入形状记忆合金弹簧的电流大小，使得本发明技术方案的软体模块应用更加可靠。

附图说明

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明双程形状记忆合金驱动的软体模块的结构示意图；

图2为本发明双程形状记忆合金驱动的软体模块的另一结构示意图；

图3为本发明双程形状记忆合金驱动的软体模块的多节相连结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	端盘	3	弹性躯体
2	形状记忆合金弹簧	4	蒙皮

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种双程形状记忆合金驱动的软体模块。

请参见图1和图2，本发明实施例的双程形状记忆合金驱动的软体模块，包括设置于两端的端盘1，两个端盘1之间设有三根形状记忆合金弹簧2，形状记忆合金弹簧2两端分别与两个端盘1相连，形状记忆合金弹簧2还与电源电连接。相对的两个端盘1之间设有弹性弯曲变形的弹性躯体3，弹性躯体3的两端分别与两个端盘1之间相连。

本发明实施例中，相对的两个端盘1之间设有三根形状记忆合金弹簧2，三根形状记忆合金弹簧2与端盘1之间的连接点相连呈等边三角形，弹性躯体3与端盘1之间的连接位置设置于等边三角形的中心。

本发明实施例中，软体模块的弯曲角度范围为-90°～90°

本发明实施例中，形状记忆合金弹簧2与单片机电路组成的MCU模块电路电连接。

本发明实施例中，形状记忆合金弹簧2表面包裹有弹性弯曲变形的绝缘保护套。

本发明实施例中，软体模块轴向设有弹性变形的圆筒状的蒙皮4包裹软体模块。

请参见图1和图2，本发明实施例中，弹性躯体3与端盘1以插接相连，弹性躯体3的端头插入端盘1的插头孔内，弹性躯体3端头与端盘1垂直相连位置设有粘接胶将弹性躯体3端头与端盘1粘接相连。形状记忆合金弹簧2的材质为镍钛合金，弹性躯体3的材质为橡胶，绝缘保护套和蒙皮4的材质为硅胶或橡胶。

本发明实施例中，由于形状记忆合金具有加热收缩、冷却伸长双程效应的特性，因此向形状记忆合金弹簧2进行通电，使得形状记忆合金弹簧2内部受热以进行收缩。通过向部分形状记忆合金弹簧2进行通电，而另外的形状记忆合金弹簧2则不通电，则会使得部分的形状记忆合金弹簧2发生加热收缩，收缩变形的形状记忆合金弹簧2通过拉动两端的端盘1向收缩变形的形状记忆合金弹簧2中心倾斜和靠拢，其他未通电的形状记忆合金弹簧2也会相应地被拉伸而弯曲，这样即可实现双程形状记忆合金驱动的软体模块朝向某一方向倾斜。

本发明实施例中调节不同形状记忆合金弹簧2通以不同数值的电流，则会使得不同的形状记忆合金弹簧2发生不同长度的收缩变形，相应地，使得双程形状记忆合金驱动的软体模块表现出不同的形状变形。相对于现有技术，本发明实施例中，只需通过向不同的形状记忆合金弹簧2通入不同数值的电流，则会使得双程形状记忆合金驱动的软体模块在控制上更加简便，同时变换形状可更加丰富多样。

请参见图1和图2，本发明实施例中，相对的两个端盘1之间设有可弹性弯曲变形的弹性躯体3，弹性躯体3的两端分别与两个端盘1之间相连。通过在双程形状记忆合金驱动的软体模块内部设置可弹性弯曲变形的弹性躯体3，弹性躯体3能够有效支撑本发明实施例的双程形状记忆合金驱动的软体模块，在结构强度上有所提升。并且能够限制形状记忆合金弹簧2产生过多的偏移，同时也能使得双程形状记忆合金驱动的软体模块更为容易地恢复初始状态。

请参见图1和图2，本发明实施例中，相对的两个端盘1之间设有三根形状记忆合金弹簧2，三根形状记忆合金弹簧2与端盘1之间的连接点相连呈等边三角形，弹性躯体3与端盘1之间的连接位置设置于等边三角形的中心。通过使得三根形状记忆合金弹簧2与端盘1之间的连接点相连呈等边三角形，使得端盘1在受力上更加稳定，并且弹性躯体3与端盘1之间的连接位置设置于等边三角形的中心，这样使得弹性躯体3的中心轴线与双程形状记忆合金驱动的软体模块的中心轴向相互重合，可在弹性躯体3的中心设置通道，以便在弹性躯体3中心通过穿线孔穿入漆包线以对形状记忆合金弹簧2进行供电。另外，双程形状记忆合金驱动的软体模块的部分形状记忆合金弹簧2被通入电流发生收缩变形时，弹性躯体3也能与双程形状记忆合金驱动的软体模块的变形基本相一致，以保证软体模块的弯曲变形稳定性。

请参见图1和图2，本发明实施例的软体模块的弯曲角度范围为-90°～90°，形状记忆合金弹簧2与单片机电路组成的MCU模块电路电连接。通过设置MCU模块与形状记忆合金弹簧2电连接，从而可控制通入部分形状记忆合金弹簧2的电流大小，以使得形状记忆合金弹簧2实现不同程度的收缩变形，相应地，双程形状记忆合金驱动的软体模块也通过形状记忆合金弹簧2的角度控制变形而在弯曲角度范围为-90°～90°的范围内进行变形。

请参见图1和图2，本实施例中的形状记忆合金弹簧2表面包裹有弹性弯曲变形的绝缘保护套，软体模块轴向设有弹性变形的圆筒状的蒙皮4包裹软体模块。通过在形状记忆合金弹簧2表面设置绝缘保护套，以防止相互交叉接触导通影响特定变形的形状记忆合金弹簧2的变形可靠性。同时在双程形状记忆合金驱动的软体模块表面设置蒙皮4包裹，以避免灰尘等杂物进入模块内部影响正常工作。

请参见图1和图2，本实施例中的弹性躯体3与端盘1以插接相连，弹性躯体3的端头插入端盘1的插头孔内，弹性躯体3端头与端盘1垂直相连位置设有粘接胶将弹性躯体3端头与端盘1粘接相连。弹性躯体3通过与端盘1之间的插接相连，并且两者插接相连位置附近通过粘接相连，以进一步保证连接的可靠性。

请参见图1和图2，本实施例中的形状记忆合金弹簧2的材质为镍钛合金，弹性躯体3的材质为橡胶，绝缘保护套和蒙皮4的材质为硅胶或橡胶。本发明实施例中，形状记忆合金弹簧2的材质为镍钛合金，使得双程形状记忆合金驱动的软体模块通过通电实现可靠变形，并且将弹性躯体3的材质设置为橡胶，绝缘保护套和蒙皮4的材质设置为硅胶或橡胶，使得双程形状记忆合金驱动的软体模块的弯曲变心时具有一定的弹性变形量，并且弹性变形过程中通过弹性躯体以保证变形且具备较好的稳定性。

相对于现有技术，本发明实施例的双程形状记忆合金驱动的软体模块通过电源向形状记忆合金弹簧2通入不同的电流值即可实现形状记忆合金弹簧2不同的收缩变形量。

请参见图1至图3，本发明本实施例中，通过多个形状记忆合金弹簧2的收缩变形相互配合，同时软体模块的弯曲角度范围为-90°～90°且摆动的方向角为0°～360°，因此可灵活地摆动至不同的位置，使得双程形状记忆合金驱动的软体模块能够适用于不同的应用。另外，由于本发明实施例的软体模块通过形状记忆合金弹簧2构建收缩变形骨架，因此本发明的软体模块整体重量较轻，多节双程形状记忆合金驱动的软体模块依次串联相连，即可实现软体机器人产生不同的形状和位移，以应用于不同的应用场景。

另外，本发明实施例的双程形状记忆合金驱动的软体模块采用形状记忆合金弹簧2，形状记忆合金弹簧2具有受热收缩变形，冷却后恢复原状的特性，因此形状记忆合金弹簧2可靠的工作性能，并且通过以单片机电路组成的MCU模块电路控制通入形状记忆合金弹簧2的电流大小，使得本发明本实施例的软体模块应用起来更加可靠。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.双程形状记忆合金驱动的软体模块，其特征在于，包括设置于两端的端盘，两个端盘之间设有若干根形状记忆合金弹簧，所述形状记忆合金弹簧两端分别与两个所述端盘相连，所述形状记忆合金弹簧还与电源电连接。

2.如权利要求1所述的双程形状记忆合金驱动的软体模块，其特征在于，相对的两个所述端盘之间设有弹性弯曲变形的弹性躯体，所述弹性躯体的两端分别与两个所述端盘之间相连。

3.如权利要求2所述的双程形状记忆合金驱动的软体模块，其特征在于，相对的两个所述端盘之间设有三根所述形状记忆合金弹簧，三根所述形状记忆合金弹簧与所述端盘之间的连接点相连呈等边三角形，所述弹性躯体与所述端盘之间的连接位置设置于所述等边三角形的中心。

4.如权利要求3所述的双程形状记忆合金驱动的软体模块，其特征在于，所述软体模块的弯曲角度范围为-90°～90°。

5.如权利要求1所述的双程形状记忆合金驱动的软体模块，其特征在于，所述形状记忆合金弹簧与单片机电路组成的MCU模块电路电连接。

6.如权利要求1所述的双程形状记忆合金驱动的软体模块，其特征在于，所述形状记忆合金弹簧表面包裹有弹性弯曲变形的绝缘保护套。

7.如权利要求6所述的双程形状记忆合金驱动的软体模块，其特征在于，所述软体模块轴向设有弹性变形的圆筒状的蒙皮包裹所述软体模块。

8.如权利要求1至7任一所述的双程形状记忆合金驱动的软体模块，其特征在于，所述弹性躯体与所述端盘以插接相连，所述弹性躯体的端头插入所述端盘的插头孔内，所述弹性躯体端头与所述端盘垂直相连位置设有粘接胶将所述弹性躯体端头与所述端盘粘接相连。

9.如权利要求8所述的双程形状记忆合金驱动的软体模块，其特征在于，所述形状记忆合金弹簧的材质为镍钛合金，所述弹性躯体的材质为硅胶或橡胶，所述绝缘保护套和所述蒙皮的材质为硅胶或橡胶。