CN107972754B - 一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及软体机器人的驱动领域，特指一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人。所述形状记忆合金丝驱动的软体爬行机器人在组成软体机器人表皮结构材料内以机器人前进方向为轴线均匀缠绕形状记忆合金丝，导电超弹性材料把表皮结构材料内的形状记忆合金丝和无线收发模块相连接，导电超弹性材料嵌入表皮结构中，表皮结构由具有伸缩变形能力的聚合物弹性材料制成，在软体单胞中放置一个液体空腔；利用形状记忆合金丝通电时发热使马氏体达到相变温度产生收缩动作，断电时形状记忆合金丝冷却恢复到伸长，恢复到初始形状，同时结合聚合物材料的弹性，通过无线收发模块控制不同单胞单元的通断电来实现软体爬行机器人的前进和转弯。

Description

一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人

技术领域

本发明涉及软体机器人的驱动领域，具体涉及一种利用形状记忆合金丝作为致动器驱动软体机器人爬行运动。

研究背景

近年来,随着新材料与快速加工制造技术的发展，软体机器人技术已成为机器人技术领域的研究热点。软体机器人主要由柔软的、具有弹性的聚合物制成，因而理论上具有无限多的自由度和连续变形的能力，这将导致软体机器人可以获得无限多的机器人形状，使之能够到达复杂空间结构的每一个点。相比于传统刚性机器人，软体机器人可以通过自身变形顺应障碍物，施加柔软的有效载荷却不产生伤害。在医疗检测、抢险救灾、间谍侦查等众多高精尖领域将具有广阔的应用前景。

目前,软体机器人研究主要借助于智能材料(如超弹性硅橡胶材料、形状记忆合金、电活性聚合物DEA等)和新型驱动技术(如气动、液压、磁流变、电致伸缩等),开发具有充分柔顺性、适应性、超冗余性的软体机器人。上海交通大学机器人所设计了一种仿尺蠖蠕动球型模块化软体机器人，通过球型模块的依次膨胀和收缩，以及摩擦腹足的交替及附和撤离，实现在粗糙面上的蠕动前进，但此结构采用气体驱动需要外置空气压缩泵和复杂的管路，而且它只能在一定的范围内运动。哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室所设计的形状记忆合金丝驱动的仿生喷射推进器通过模仿乌贼的运动方式制成在水中运动的仿生乌贼机器人，具有结构简单噪音小等优点，但其在地面上无法运动。申请号为201610705682.5的中国专利申请公开了一种基于形态记忆合金驱动的软体机器人，通过形状记忆合金丝的通断电所带来的伸缩变化控制四个足的运动，但其主体结构无法自主变形，且采用在主体结构正上方开孔散热的方式，无法使形态记忆合金丝充分暴露在空气中得到有效快速散热，机动性差，动作连续性差。申请号为201710627578.3的中国专利申请公开了一种电磁驱动的软体爬行机器人，但电磁力的大小随相邻电磁铁单元的距离增大衰减过快，同一个软体单胞内的两个电磁铁距离5mm时，需要加大电流才能满足腔体结构变形对力的要求；同一个软体单胞内的两个电磁铁距离超过10mm时，为满足腔体变形对力的要求，所施加的电流已经大大超过电磁铁的额定电流，造成电磁铁发热过多，对电路影响较大，且难以实现持续连贯的动作；同一个软体单胞内的两个电磁铁之间的作用力随距离的减小而快速增大，对机器人整体会产生较大的冲击，不利于整体的稳定工作。

发明内容

为了解决现有软体机器人中存在刚性单元、致动器致动距离的限制、形状记忆合金丝的散热以及陆地适应性等问题，在申请号为201710627578.3的中国专利申请的基础上，本发明利用其软体单胞、头部控制系统等主体结构，提供了一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人，用形状记忆合金丝替代电磁铁，增加聚合物伸缩连通导管增大整体的变形量，采用水冷的方式基本实现了全软体机器人这一概念，并能实现动作连续这一要求。

一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人，所述软体爬行机器人包括组成躯干的两个软体单胞组成的软体单胞单元、头部、四对摩擦腹足和单胞之间的橡胶材料组成，其中两个软体单胞单元并排组成一个具有左右两排软体单胞的软体爬行机器人，每个单胞下面设有一对摩擦腹足，软体单胞单元之间由橡胶材料胶接，其特征在于：所述的形状记忆合金丝驱动的软体爬行机器人的两个软体单胞之间通过聚合物伸缩连通导管导通连接组成一个软体单胞单元，所述软体单胞主要包括液体空腔、形状记忆合金丝、表皮结构和嵌入表皮的导电超弹性材料；所述形状记忆合金丝驱动的软体爬行机器人在组成软体机器人表皮结构材料内以机器人前进方向为轴线均匀缠绕形状记忆合金丝，导电超弹性材料把表皮结构材料内的形状记忆合金丝和无线收发模块相连接，导电超弹性材料嵌入表皮结构中，表皮结构由具有伸缩变形能力的聚合物弹性材料制成，在软体单胞中放置一个液体空腔；利用形状记忆合金丝通电时发热使马氏体达到相变温度产生收缩动作，断电时形状记忆合金丝冷却恢复到伸长，恢复到初始形状，同时结合聚合物材料的弹性，通过无线收发模块控制不同单胞单元的通断电来实现软体爬行机器人的前进和转弯。

同申请号为201610705682.5的中国专利申请相比，在结构和材料方面，本发明实现了全软体这一概念；在形状记忆合金丝冷却方面，本发明采用水冷的方式，冷却速度超过其空气冷却的方式；在完成一组动作单元方面，本发明只需给形状记忆合金丝通电一次即可完成伸长到收缩的过程，而上述专利需通电两次才能完成一组动作。

同申请号为201710627578.3的中国专利申请相比，在致动器方面，本发明所用的形状记忆合金丝通电时产生的收缩力能够满足腔体变形的要求且不受距离的限制，上述专利所用的电磁铁单元之间的吸合力对距离要求较高且难以实现；在材料方面，本发明采用可以任意变形的发展较为成熟的形状记忆合金丝，较为容易实现全软体，上述专利采用发展处于起步阶段的柔性电磁铁，在实际中难以实现，多以吸盘式电磁铁代替，而吸盘式电磁铁属于刚性致动器，不能满足全软体这一要求；在结构方面，本发明采用聚合物伸缩连通导管连通两个软体单胞，大大的增加了整体的变形量，上述专利采用电磁铁吸合挤压液体空腔偏置的软体单胞使其腹部具有相对较大的变形量，然而在实际测试中其变形量仍然较小且电磁铁吸合时会使腹部表皮结构材料较薄的部分凹陷进去，难以实现其预期目标。

本发明进一步限定的技术方案如下：

前述表皮结构分为等厚的内层和外层，分别由3D打印技术打印出模具用Ecoflex00-20A、Ecoflex00-20B和PDMS以10:10:1比例配合的混合胶浇筑制成。

前述形状记忆合金丝以机器人前进方向为中心线均匀缠绕在等厚的内层表皮结构材料外侧，以使得腔体变形均匀。

前述形状记忆合金丝的嵌入，为使形状记忆合金丝的布置均匀位置固定，将缠绕好的形状记忆合金丝用胶粘接，再在缠绕好形状记忆合金丝的内层表皮结构外侧涂抹胶，将外层表皮结构套在内层表皮结构上。

前述聚合物伸缩连通导管，由3D打印技术制作出模具，用Ecoflex00-20A、Ecoflex00-20B和PDMS以10:10:0.8比例配合的混合胶浇筑制成，为使导管能够容易伸长且伸长量大，将导管管壁做成褶皱形状，实现更大位移。

前述摩擦腹足设计成一定的形状，并以一定的角度安装，使它在工作时限制软体单胞只能沿一个方向收缩，实现前进运动。

前述两单胞单元之间的橡胶材料在动作过程中也发生一定量的变形。

前述每次形状记忆合金通电变形后断电，利用空腔液体冷却，恢复原状，继而再次通电。

本发明的有益效果是：

1.本发明形状记忆合金丝驱动的软体爬行机器人可以通过增加软体单胞单元的个数或增大驱动电流来调节软体机器人运动速度的快慢，以及实现蜿蜒等方式的爬行。

2.本发明软体爬行机器人多采用柔性单元且形状记忆合金丝可以任意折叠变形通电后都会恢复到原始规则形状，可以承受极大的挤压力。

3.本发明采用液源内置的液压传动，取消了外接复杂的液压控制单元，在单胞之间设置聚合物伸缩连通导管连通，将形状记忆合金的小变形量通过腔体变形带来的液体流动变成聚合物伸缩连通导管伸长的大变形量，从而实现单次运动的较大位移。

4.本发明采用形状记忆合金丝，产生的变形量和变形力的大小不受致动器之间距离的限制，实现了整体结构的大小不受致动器致动距离的限制。

5.本发明采用导电超弹性材料，不需要大量电量，并且可以在一定的情况下弯曲和伸展，实现了整体结构运动的灵活性。

6.本发明通过安装无线收发模块实现远程控制。

附图说明

图1是本发明所述软体爬行机器人的立体图，便于直观显示整体结构及各个部分的特征；

图2是本发明所述软体爬行机器人的阶梯剖视图，已标出相应组成结构的编号；

图3是本发明所述软体爬行机器人的俯视图，已标出相应组成结构的编号；

图4是本发明所述软体爬行机器人的横向剖面图，剖视腔体结构；

图5、图6是本发明所述软体爬行机器人断电、通电的运动示意图。

图中：1-软体单胞；2-液体空腔；3-形状记忆合金丝；4-表皮结构；5-聚合物伸缩连通导管；6-无线收发模块；7-头部；8-摩擦腹足；9-导电超弹性材料；10-橡胶材料。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明一种形状记忆合金丝驱动软体爬行机器人，主要包括组成躯干的软体单胞1、聚合物伸缩连通导管5、头部7、四对摩擦腹足8组成。软体单胞1主要包括液体空腔2、形状记忆合金丝3、表皮结构4和嵌入表皮结构的导电超弹性材料9。

在表皮结构4材料中间以前进方向为中心线均匀缠绕形状记忆合金丝3，导电超弹性材料9把单胞中的形状记忆合金丝3和无线收发模块6相连接，且导电超弹性材料9嵌入表皮结构4中。

两个软体单胞单元间通过橡胶材料10胶接，头部7中装有无线收发模块6，摩擦腹足8的安装具有一定的角度。

表皮结构4和聚合物伸缩连通导管5是由具有伸缩变形能力的聚合物弹性体材料制成的，具有良好的弹性。聚合物伸缩连通导管5材料中的PDMS含量相对于表皮结构4来说较少，所以聚合物伸缩连通导管具有更易变形的能力。

当无线收发模块6接收到信号以后，给软体单胞单元中的形状记忆合金丝3通电，形状记忆合金丝3通电发热，达到马氏体相变温度时产生收缩变形，压缩单胞腔体，从而有腔体变形，垂直于前进方向的单胞截面积减小，空腔伸长，单胞下面的腹足间距离增大使机构向前运动；又有腔体变形时液体流向更易伸缩的单胞单元中两单胞连接处的聚合物伸缩连通导管5，使导管伸长，推动整体运动。断电后，液体空腔2的液体使形状记忆合金丝3加速冷却，使软体单胞单元恢复到初始形状。给两侧形状记忆合金丝3同时通电，实现软体机器人向前爬行；给单侧形状记忆合金丝通电，实现软体机器人转弯。

同时，可以通过增加软体单胞单元的个数，来实现软体机器人蜿蜒爬行等各种动作。可以在软体机器人上方再放置一个软体单胞单元，实现软体机器人的抬头等动作。

Claims (8)

1.一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人，所述软体爬行机器人包括组成躯干的两个软体单胞组成的软体单胞单元、头部、四对摩擦腹足和单胞之间的橡胶材料组成，其中两个软体单胞单元并排组成一个具有左右两排软体单胞的软体爬行机器人，每个单胞下面设有一对摩擦腹足，软体单胞单元之间由橡胶材料胶接，其特征在于：所述的形状记忆合金丝驱动的软体爬行机器人的两个软体单胞之间通过聚合物伸缩连通导管导通连接组成一个软体单胞单元，所述软体单胞主要包括液体空腔、形状记忆合金丝、表皮结构和嵌入表皮的导电超弹性材料；所述形状记忆合金丝驱动的软体爬行机器人在组成软体机器人表皮结构材料内以机器人前进方向为轴线均匀缠绕形状记忆合金丝，导电超弹性材料把表皮结构材料内的形状记忆合金丝和无线收发模块相连接，导电超弹性材料嵌入表皮结构中，表皮结构由具有伸缩变形能力的聚合物弹性材料制成，在软体单胞中放置一个液体空腔；利用形状记忆合金丝通电时发热使马氏体达到相变温度产生收缩动作，断电时形状记忆合金丝冷却恢复到伸长，恢复到初始形状，同时结合聚合物材料的弹性，通过无线收发模块控制不同单胞单元的通断电来实现软体爬行机器人的前进和转弯；所述形状记忆合金丝以机器人前进方向为中心线均匀缠绕在表皮结构的等厚的内层外侧，以使得腔体变形均匀；所述形状记忆合金丝的缠绕，为使形状记忆合金丝的布置均匀位置固定，将缠绕好的形状记忆合金丝用胶粘接，再在缠绕好形状记忆合金丝的表皮结构内层外侧涂抹胶，将表皮结构外层套在表皮结构内层上。

2.如权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述表皮结构分为等厚的内层和外层，分别由3D打印技术打印出模具用Ecoflex00-20A、Ecoflex00-20B和PDMS以10:10:1比例配合的混合胶浇筑制成。

3.如权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述聚合物伸缩连通导管，由3D打印技术制作出模具，用Ecoflex00-20A、Ecoflex00-20B和PDMS以10:10:0.8比例配合的混合胶浇筑制成，为使导管能够容易伸长且伸长量大，将导管管壁做成褶皱形状，实现更大位移。

4.如权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述摩擦腹足的形状和安装角度，应使它在工作时限制软体单胞只能沿一个方向收缩，实现前进运动。

5.如权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述两单胞单元之间的橡胶材料在动作过程中也发生一定量的变形。

6.如权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人，其特征在于：每次形状记忆合金通电变形后断电，利用空腔内的液体冷却，恢复原状，继而再次通电。

7.如权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人，其特征在于：当无线收发模块接收到信号以后，给软体单胞单元中的形状记忆合金丝通电，形状记忆合金丝通电发热，达到马氏体相变温度时产生收缩变形，压缩单胞腔体，从而有腔体变形，垂直于前进方向的单胞截面积减小，空腔伸长，单胞下面的腹足间距离增大使机构向前运动；又有腔体变形时液体流向更易伸缩的单胞单元中两单胞连接处的聚合物伸缩连通导管，使导管伸长，推动整体运动；断电后，液体空腔的液体使形状记忆合金丝加速冷却，使软体单胞单元恢复到初始形状， 给两侧形状记忆合金丝同时通电，实现软体机器人向前爬行；给单侧形状记忆合金丝通电，实现软体机器人转弯。

8.如权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人，其特征在于：通过增加软体单胞单元的个数，来实现软体机器人蜿蜒爬行等各种动作；在软体机器人上方再放置一个软体单胞单元，实现软体机器人的抬头等动作。

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