CN107433579B - 一种sma驱动的多节仿生尾装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SMA驱动的多节仿生尾装置，包括：第一架盘、弹性连接件以及形状记忆合金丝；其中：第一架盘间隔设置多个，第一架盘之间通过所述的弹性连接件连接，构成仿生尾主体；记忆合金丝分布在相邻的第一架盘之间，通过给记忆合金丝通断电以改变记忆合金丝的长度，从而改变相邻的第一架盘的相对位置关系；记忆合金丝在第一架盘的圆周方向上分布多段，每一段记忆合金丝采用独立的通断电控制方式。本发明的多节式仿生尾装置，能够产生多自由度旋摆运动，在仿生机器人运动过程中，借助记忆合金丝的双程记忆效应，调节仿生尾旋摆形态进而调控仿生机器人身体的姿态，有效避免其在高速运动中失稳事故的发生，提高仿生机器人运动快捷灵活性。

Description

一种SMA驱动的多节仿生尾装置

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种仿生动物多节式尾部结构的机器人平衡调节装置，适用于提升仿生机器人运动快捷灵活性的场合。

背景技术

仿生机器人在抢险救援、反恐及地面作战等领域日益受到重视。这些场合，由于地形和作业环境的复杂性，往往要求仿生机器人具有良好的运动灵活性。现有绝大部分仿生机器人主要包含躯干和四肢两部分。目前，受美国国防部资助，仿生机器人BigDog、WildCat、Cheetah等代表了高性能运动的领先水平。然而这些机器人因受限于姿态调控与平衡技术的不足，其奔跑速度及快捷灵活性的提升已受到明显制约。

经过亿万年的进化，尾巴成为世界上绝大多数动物重要的平衡器官，在其复杂地形高速运动中起了姿态调节与平衡控制的作用。为了使仿生机器人在非结构化复杂环境具有快捷灵活的运动性能，解决复杂地形高速运动的姿态快速调控问题，越来越多的学者开始重视仿生尾巴的作用，尝试通过将其引入机器人的设计以提高其运动性能。

麻省理工学院研制的猎豹机器人Cheetah Robot增加了单节尾巴以进行姿态调控；加州大学伯克利分校设计了利用尾巴单方向旋摆调节身躯姿态的壁虎机器人；开普敦大学设计的Dima仿生猎豹，通过尾巴调节身躯姿态，使其具有高速转弯的能力。国内也对仿生尾姿态调控与平衡能力展开了相关研究，西北工业大学仿袋鼠设计了双足跳跃式机器人，该机器人可通过尾巴摆动平衡跳跃过程中的多余角动量，保证机器人运动稳定性；北京交通大学设计带头尾协调装置的四足机器人，通过样机试验，证实了头、尾等附属肢体作为调节装置对改善四足机器人动态运动性能具有积极作用；南京航空航天大学设计的大壁虎机器人有着长长的尾巴，可用于地震搜救、反恐侦查以及未来外太空飞船舱外清洁等场合。

综上所述，将仿生尾引入机器人改善了机器人的运动快捷灵活性，但现阶段仿生尾结构模式与生物形态存在较大差异，绝大部分将其简化为单刚体模型，只有一个俯仰自由度，自平衡只能在二维平面内完成，其空间调节有效性、响应速度、姿态调控能力等方面均不能比拟动物尾巴。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种形状记忆合金(SMA)丝驱动的多节仿生尾装置，仿生自然界中动物的多节尾巴结构，能够产生多自由度旋摆运动，在仿生机器人运动过程中，借助形状形状记忆合金丝的双程记忆效应，调节仿生尾旋摆形态进而调控仿生机器人身体的姿态，有效避免其在高速运动中失稳事故的发生，提高仿生机器人运动快捷灵活性。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种SMA驱动的多节仿生尾装置，包括：第一架盘、弹性连接件以及记忆合金丝；其中：

第一架盘间隔设置多个，第一架盘之间通过所述的弹性连接件连接，构成仿生尾主体；

记忆合金丝分布在相邻的第一架盘之间，通过给记忆合金丝通断电以改变记忆合金丝的长度，从而改变相邻的第一架盘的相对位置关系；所述的记忆合金丝在第一架盘的圆周方向上分布多段，每一段记忆合金丝采用独立的通断电控制方式。

进一步地，所述的第一架盘设置复数个，当记忆合金丝不通电时，所有的第一架盘沿轴向排布，且第一架盘的直径沿轴向逐渐减小。

进一步地，所述的仿生尾主体直径较大的一端通过弹性连接件连接有第二架盘，第二架盘上设置有耳板，通过耳板将仿生尾主体安装在仿生机器人上；所述的仿生尾主体端部的第一架盘与第二架盘之间亦分布有记忆合金丝。

进一步地，所述的第一架盘上开设有中心孔，中心孔一端设置有第一内螺纹筒，中心孔的另一端设置有第二内螺纹筒，第二内螺纹筒的直径较第一内螺纹筒的直径小；所述的弹性连接件采用圆柱弹簧，圆柱弹簧表面包裹有一层绝缘材料制成的弹性薄膜。

进一步地，所述的圆柱弹簧的旋绕比为6～12，螺旋角为8°～10°；圆柱弹簧的端面加工为平面。

进一步地，所述的第一架盘上沿圆周方向分布有一圈外侧螺纹孔和一圈内侧螺纹孔，其中：

在第一架盘前端面的内侧螺纹孔上安装接线柱，前端面的外侧螺纹孔上安装接线环，第一架盘后端面的外侧螺纹孔上安装缠丝器；所述的记忆合金丝的安装方式是：记忆合金丝的一端固定在第一架盘后端面的接线柱上，另一端经缠丝器上缠绕后，固定于相邻的第一架盘前端面的接线环上。

进一步地，所述的缠丝器为圆柱形结构，缠丝器的一端设置有外螺纹柱，缠丝器的外部加工有螺旋槽，螺旋槽的横截面为矩形；所述的记忆合金丝在螺旋槽中盘绕4～6圈。

进一步地，所述的第一架盘和第二架盘为正六边形或圆形结构，所述的记忆合金丝在第一架盘和第二架盘之间、相邻的第一架盘之间分布6段。

进一步地，所述的外侧螺纹孔到第一架盘中心的距离与第一架盘直径之比为0.92～0.97:1，内侧螺纹孔到第一架盘中心的距离与第一架盘直径之比为0.8～0.9:1。

进一步地，所述的复数个第一架盘中，相邻的第一架盘的直径之比为0.5～0.85:1。

进一步地，所述的第一内螺纹筒的内径与第一架盘直径之比为0.4～0.8:1。

本发明具有以下技术特点：

1.本发明中，节式仿生尾包括复数个第一架盘，复数个第一架盘结构相同，按照一定比例缩小，从大到小通过弹性连接件依次连接，形成仿生尾主体；仿生尾主体直径较大的一端通过弹性连接件连接有一第二架体；第二架体设有安装耳板，通过耳板将仿生尾主体安装在仿生机器人上。本发明设计的多节式仿生尾，贴近动物尾巴的多节式结构，刚柔体混合，可以实现多自由度的动作。

2.仿生机器人运动时通过身体内部的控制电路驱动形状记忆合金(SMA)丝伸缩，使第一架体偏转，改变相邻的第一架盘的相对位置关系，仿生尾主体由此发生动作。形状记忆合金具有与动物骨骼肌相似的生物力学行为，由其作为仿生尾的执行元件，使得仿生尾主体的动作更加柔和、真实，更贴近生物尾巴。

3.本发明中，仿生控制蜥蜴尾旋摆运动的六根主要肌肉，且尾巴六根肌肉对每个尾骨都有单独作用点，在相邻第一架体之间呈正六边形对称布置六根记忆合金丝，对仿生尾主体的驱动形成记忆合金丝阵列，更加符合尾巴的生物特性。

4.本发明中，根据蜥蜴尾巴的四个基本动作模式，即俯仰方向的调整、偏航方向的调整、身体旋转方向的调整、以及尾巴卷曲方向的调整，将多节式仿生尾划分为三种运动模式：俯仰摆动、水平摆动、旋摆运动，使本装置能更好地模拟动物尾巴的实际形态。

附图说明

图1为本发明初始状态的结构示意图；

图2为本发明摆动状态(包括俯仰摆动和水平摆动)的结构示意图；

图3为本发明旋摆状态的结构示意图；

图4中(a)和(b)分别为第一架盘的主视和俯视结构示意图；

图5中(a)和(b)为缠丝器上未盘绕、盘绕了记忆合金丝时的示意图；

图6中，(a)为记忆合金丝与缠丝器部分的结构示意图，(b)为记忆合金丝在缠丝器上的分布示意图；

图7中(a)、(b)、(c)为俯仰摆动时，记忆合金丝的状态示意图；

图8中(a)、(b)、(c)为水平摆动时，记忆合金丝的状态示意图；

图9中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)为旋摆运动时，记忆合金丝的状态示意图；

在图7至图9中，为某相邻的第一架盘之间的6根记忆合金丝的平面示意图，其沿顺时针方向的编号为71、72、73、74、75和76，图中的黑点表示记忆合金丝通电。

图中标号代表：1—第一架盘，2—第二架盘，21—耳板，3—弹性连接件，4—接线柱，5—缠丝器，6—接线环，7—记忆合金丝，8—外侧螺纹孔，9—内侧螺纹孔，10—仿生尾主体，11—第一内螺纹筒，12—第二内螺纹筒，13—导引槽，14—导线孔。

具体实施方式

如图所示，本发明提供了一种SMA驱动的多节仿生尾装置，包括：第一架盘1、弹性连接件3以及记忆合金丝7；其中：

第一架盘1间隔设置多个，第一架盘1之间通过所述的弹性连接件3连接，构成仿生尾主体10；弹性连接件3的作用是保证第一架盘1之间的相互连接，以使仿生尾主体10构成节段式结构；弹性连接件3可发生弹性形变。

记忆合金丝7分布在相邻的第一架盘1之间，通过给记忆合金丝7通断电以改变记忆合金丝7的长度，从而改变相邻的第一架盘1的相对位置关系；记忆合金丝7(SMA)具有变形恢复能力，根据不同的热力荷载条件，可呈现不同的形态。本实施例中，记忆合金丝7采用双程形状记忆合金，其在加热时回复高温相形状，冷却时又能回复低温相形状，记忆合金丝7在高温收缩状态下固定在仿生尾上形成预紧状态。这样，仿生尾主体10在记忆合金丝7预紧力的作用下，初始(未通电时)为笔直伸长状态。所述的记忆合金丝7在第一架盘1的圆周方向上分布多段，每一段记忆合金丝7采用独立的通断电控制方式，即，每一段记忆合金丝7的通断电是独立控制的，这样当相邻的第一架盘1之间的不同记忆合金丝7在同一时刻通断电状态不同时，就可以使相邻的两个第一架盘1的相对位置发生改变，如图2、图3所示。通过对不同第一架盘1之间记忆合金丝7的控制，可以使仿生尾主体10形成不同的动作，如弯折、摆动等。本发明的这种多节式结构，能更为细腻地进行仿生模拟。记忆合金丝7作为驱动装置，需要通电加热提供热源，通过控制电流以调节记忆合金丝7的温度，进而调整收缩力；通过对记忆合金丝7加热—冷却的循环并借助弹性连接件3的支撑作用，即可不间断地输出扭矩和位移，实现尾巴的旋摆运动。

如图所示，本实施例中，为了便于对整个仿生尾姿态的控制，第一架盘1设置复数个，当记忆合金丝7不通电时，仿生尾主体10处于笔直状态，所有的第一架盘1沿轴向排布，第一架盘1的直径沿轴向逐渐减小。如图1所示，为更好模拟动物尾部的实际形态，本方案中第一架盘1的直径是逐渐变化的，即沿轴向，第一架盘1的直径逐渐减小。对应地，弹性连接件3的直径也逐渐减小。在本实施例中，经过发明人试验验证，相邻的第一架盘1的直径之比为0.5～0.85:1时，整体效果较好。

为了便于安装，本方案中，仿生尾主体10直径较大的一端通过弹性连接件3连接有第二架盘2，第二架盘2的直径较第一架盘1直径大，第二架盘2上设置有耳板21，通过耳板21将仿生尾主体10安装在仿生机器人上；所述的仿生尾主体10端部的第一架盘1与第二架盘2之间亦分布有记忆合金丝7，用以调节第二架盘2与仿生尾主体10之间的姿态。

如图4的(a)和(b)所示，第一架盘1上开设有中心孔，中心孔一端设置有第一内螺纹筒11，中心孔的另一端设置有第二内螺纹筒12，第二内螺纹筒12的直径较第一内螺纹筒11的直径小；所述的弹性连接件3采用圆柱弹簧，圆柱弹簧的表面包裹有一层绝缘材料制成的弹性薄膜，优选地，第一内螺纹筒11的内径为第一架盘1直径的0.4～0.8倍。第一内螺纹筒11和第二内螺纹筒12同轴设置，并且通过中心孔相连通，具有两个重要作用：其一是用来安装圆柱弹簧，实现架盘之间的连接；其二是内部可用来布设导线，通过导线将记忆合金丝7与仿生机器人内部的驱动电路和控制电路连接。其中，驱动电路用来控制记忆合金丝7内部电流的大小和通断，以控制记忆合金丝7的伸缩状态，而控制电路用来控制不同的驱动电路，决定同一时刻每段记忆合金丝7的电流通断状态，从而使仿生尾主体10呈现不同的形态。圆柱弹簧本身即为螺旋形结构，在安装时，只需要将圆柱弹簧的两端分别旋入前一个第一架盘1的第二内螺纹筒12中，然后再旋入后一个第一架盘1的第一内螺纹筒11中即可。圆柱弹簧的旋绕比为6～12，螺旋角为8°～10°；圆柱弹簧的端面加工为平面，这样使圆柱弹簧能更紧密地与架盘连接，且保证在初始状态下第一架盘1能与仿生尾整体的轴线相垂直。在设置时，根据前一个第一架盘1上的第二内螺纹筒12直径来调整后一个第一架盘1上第一内螺纹筒11的直径，保证二者大小相同。

本实施例中，主要考虑到仿生蜥蜴的设计特点，蜥蜴尾旋摆运动主要由六根主要肌肉控制，且尾巴六根肌肉对每个尾骨都有单独作用点，因此，本实施例中为了让仿生尾主体10的形状更像动物的真实尾巴，第一架盘1和第二架盘2可以为正六边形或圆形结构，在第一架盘1和第二架盘2之间、相邻的第一架盘1之间呈正六边形对称布置六根记忆合金丝7，对仿生尾主体10的驱动形成记忆合金丝7阵列，更加符合尾巴的生物特性。

如图4所示的示例中，第一架盘1上沿圆周方向分布有一圈外侧螺纹孔8和一圈内侧螺纹孔9，按照顺时针排序分别编号为：81、82、83、84、85、86，和91、92、93、94、95、96，并与记忆合金丝71、72、73、74、75和76一一对应，其中：

在第一架盘1前端面的内侧螺纹孔9上安装接线柱4，前端面的外侧螺纹孔8上安装接线环6，接线环6、接线柱4与第一架盘1均通过螺纹配合的方式连接，旋动接线环6可以调节记忆合金丝7的预紧程度。第一架盘1后端面的外侧螺纹孔8上安装缠丝器5；所述的记忆合金丝7的安装方式是：记忆合金丝7的一端固定在第一架盘1后端面的接线柱4上，另一端经缠丝器5缠绕后，固定于相邻的第一架盘1前端面的接线环6上，如图6所示。在第一内螺纹筒11的端部开设有半圆形的导引槽13，侧壁上分布有导线孔14。圆柱弹簧的内部以及第一内螺纹筒11、第二内螺纹筒12和中心孔构成了一个布线通道，内部用来布设与驱动电路连接的导线。单独的一段记忆合金丝7，其一端在接线柱4上与从导引槽13引出的导线连接，另一端在接线环6上与从导线孔14引出的导线连接，从而构成电流回路。外侧螺纹孔8到第一架盘1中心的距离与第一架盘1直径之比为0.92～0.97:1，内侧螺纹孔9到第一架盘1中心的距离与第一架盘1直径之比为0.8～0.9:1。

记忆合金丝7的驱动形式主要有两种：记忆合金丝7的可恢复应变往往只有5％左右，很小的输出位移就需要很长的一段记忆合金丝7驱动；由记忆合金丝7绕制的螺旋弹簧，虽具有较好的应变特性，驱动速度却很慢。在提供足够输出位移的同时仍可维持大的输出力和驱动速度，本发明提供了一种被缠丝器5：

缠丝器5为圆柱形结构，缠丝器5的一端设置有外螺纹柱，另一端外部加工有螺旋槽，螺旋槽的横截面为矩形；为减低摩擦力对记忆合金丝7的影响，选取具有良好自润滑性能的材料，盘绕圈数为4～6圈。缠丝器5本质仍是记忆合金丝驱动形式，能维持较大的驱动力和驱动速度，但是拓展了记忆合金丝7的可用空间，提升了其应变特性。

如图1所示，第二架盘2与第一架盘1结构形式相同，只是设置有用于连接仿生机器人身体的耳板21；在第二架盘2的前端面、后端面上也设置有接线柱4、缠丝器5，但不设置接线环6；第二架盘2上亦设置有中心孔、第一内螺纹筒11和第二内螺纹筒12，第二架盘2与仿生尾主体10上前端部的第一架盘1之间的连接方式与第一架盘1之间的连接方式相同，在此不赘述。

本装置的基本工作方式是，仿生尾主体10在记忆合金丝7预紧力作用下，初始为笔直状态；控制电路通过驱动电路可以单独控制每一段记忆合金丝7的电流，记忆合金丝7通电加热收缩，输出指定的位移和收缩力，在其作用下，其相连的仿生尾主体10之后一个第一架盘1压缩圆柱弹簧并扭转，从而带动该第一架盘1其后相连的仿生尾主体10偏转；切断电流，记忆合金丝7散热冷却，被圆柱弹簧的回复力拉伸为预紧状态，仿生尾主体10恢复初始状态。相邻的第一架盘1之间有六根记忆合金丝7固定相连，通过协同控制六根记忆合金丝7的电流，实现相邻第一架盘1间的任意偏转；通过控制复数个第一架盘1之间的偏转方向和角度，实现多节式仿生尾的多种运动模式：俯仰摆动，水平摆动，旋摆运动。

参照图2和图7，该多节式仿生尾俯仰摆动时的工作方法：记忆合金丝7全部断电时，仿生尾处于笔直伸长状态；将记忆合金丝7划分为仰摆、俯摆两组，仰摆组包含记忆合金丝71、72、76，俯摆组包含记忆合金丝73、74、75，控制电路控制复数个第一架盘1的记忆合金丝7仰摆、俯摆两组的电流就能控制仿生尾做出相应的俯仰摆动动作。

参照图2和图8，该多节式仿生尾水平摆动时的工作方法：记忆合金丝7全部断电时，仿生尾处于笔直伸长状态；将记忆合金丝7划分为左摆、右摆两组，左摆组包含记忆合金丝75、76，右摆组包含记忆合金丝72、73，控制电路控制复数个第一架盘1的记忆合金丝7左摆、右摆两组的电流就能控制仿生尾做出相应的水平摆动动作。

参照图3和图9，该多节式仿生尾旋摆运动时的工作方法：记忆合金丝7全部断电时，仿生尾处于笔直伸长状态；通过控制电路控制复数个第一架盘1的记忆合金丝7的电流，就能控制仿生尾做出相应的旋摆动作。

Claims (5)

1.一种SMA驱动的多节仿生尾装置，包括：第一架盘（1）、弹性连接件（3）以及记忆合金丝（7）；其中：第一架盘（1）间隔设置多个，第一架盘（1）之间通过所述的弹性连接件（3）连接，构成仿生尾主体（10），其特征在于，仿生尾主体（10）直径较大的一端通过弹性连接件（3）连接有第二架盘（2），在第一架盘（1）和第二架盘（2）之间、相邻的第一架盘（1）之间呈正六边形对称布置六根记忆合金丝（7），每一段记忆合金丝（7）采用独立的通断电控制方式，通过给记忆合金丝（7）通断电以改变记忆合金丝（7）的长度，从而改变相邻的第一架盘（1）的相对位置关系；第一架盘（1）为正六边形或圆形结构；

第一架盘（1）上沿圆周方向分布有一圈外侧螺纹孔（8）和一圈内侧螺纹孔（9），其中：在第一架盘（1）前端面的内侧螺纹孔（9）上安装接线柱（4），前端面的外侧螺纹孔（8）上安装接线环（6），第一架盘（1）后端面的外侧螺纹孔（8）上安装缠丝器（5）；

所述的记忆合金丝（7）的安装方式是：记忆合金丝（7）的一端固定在第一架盘（1）前端面的接线柱（4）上，另一端经缠丝器（5）缠绕后，固定于相邻的第一架盘（1）前端面的接线环（6）上；缠丝器（5）为圆柱形结构，缠丝器（5）的一端设置有外螺纹柱，缠丝器（5）另一端的外部加工有螺旋槽，螺旋槽的横截面为矩形；所述的记忆合金丝（7）在螺旋槽中盘绕 4～6圈；

当记忆合金丝（7）不通电时，所有的第一架盘（1）沿轴向排布，且第一架盘（1）的直径沿轴向逐渐减小，相邻的第一架盘（1）的直径之比为 0.5～0.85。

2.如权利要求 1 所述的 SMA 驱动的多节仿生尾装置，其特征在于，第二架盘（2）上设置有耳板（21），通过耳板（21）将仿生尾主体（10）安装在仿生机器人上。

3.如权利要求 1 所述的 SMA 驱动的多节仿生尾装置，其特征在于，所述的第一架盘（1）上开设有中心孔，中心孔一端设置有第一内螺纹筒（11），中心孔的另一端设置有第二内螺纹筒（12），第二内螺纹筒（12）的直径较第一内螺纹筒（11）的直径小；所述的弹性连接件（3）采用圆柱弹簧。

4.如权利要求3所述的SMA驱动的多节仿生尾装置，其特征在于，所述的圆柱弹簧的旋绕比为6~12，螺旋角为8°~10°；圆柱弹簧的端面加工为平面。

5.如权利要求1所述的 SMA 驱动的多节仿生尾装置，其特征在于，所述的外侧螺纹孔（8）到第一架盘（1）中心的距离与第一架盘（1）直径之比为 0.92～ 0.97，内侧螺纹孔（9）到第一架盘（1）中心的距离与第一架盘（1）直径之比为 0.8～0.9。

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