CN108045448A - 一种记忆合金驱动的多模态机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金驱动的多模态机器人，属于机器人技术领域。本发明根据海洋生物海星的运动特点，利用仿生学、机械制造学及材料学制作出了壳体形状为球形的多模态机器人。机器人的足部采用硅胶材料制作而成，利用形状记忆合金集成性高、输出功重比大的特点，将形状记忆合金弹簧作为机器人的驱动器。为了进一步提升机器人的运动效率、环境适应能力，为机器人设计了壳体分离模块，在电磁铁的驱动下，机器人的球形壳体可实现分离与闭合，机器人壳体分离后可呈现两个相同的运动模块。为机器人在不同作业任务下设计了不同的步态规划，在开环的控制下，能使机器人实现爬行、绕障、跨障、滚动及壳体分离等动作。该发明提出了机器人制作方面的“多模态”思想，刚柔结合的理念可帮助机器人具备刚性、柔性机器人的优点，提升了其环境适应能力。

Description

一种记忆合金驱动的多模态机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术，更具体地说，本发明是利用智能材料驱动柔性材料的机器人结构设计。

背景技术

虽然经过多年发展，机器人在各个领域大显身手，但目前机器人大多是由金属等构成的刚体机器人。刚体机器人虽具有很高的运动精度，但在以下方面仍然存在不足：在复杂地形缺乏稳定性、灵活性和环境适应性；抓取易碎物体；在狭窄空间内的作业能力受限；输出体积比不高；控制上也较复杂。而若借鉴仿生学的一些结构与理论，将软体生物的柔顺性、运动特点移植到机器人身上，则可以使机器人弥补刚体机器人的缺点。目前，软体机器人还在不断探索阶段，但其应用前景广泛。例如：在各种地震海啸等灾难中进行复杂地形的探索及搜救；在医疗手术中任意改变形状以方便医生的手术；在反恐及战争中对狭窄复杂地形进行情报收集等等。

但目前软体机器人的模态较为单一，基本停留在了“软”的模态上，这使得机器人的运动效率、适应能力较低，机器人躯体的柔软性，使机器人很难独立搭载比如传感器、电源等不可忽视重量的器件，这些特点大大限制了软体机器人的应用场合。虽然对机器人的变模态也有研究，但是研究并不深入，并没有实现机器人的多模态设计，机器人的应用场合以及适应性受到了大大限制。

发明内容

针对目前软体机器人所存在的问题，本发明提出一种基于SMA驱动的多模态机器人，该机器人可呈现刚与柔两种运动模态：当机器人呈球状滚动的时候，机器人为刚性模态；当机器人在爬行运动式，机器人为柔性模态。机器人能在平地、斜坡等陆地上实现爬行、滚动、避障及壳体分离等动作，运动效率高、适应能力强，具备一定的负载能力，改善了目前软体机器人所存在的运动模态单一、运行效率低、负载能力弱等缺点。

本发明包括一下五大部分：机器人球形曲面壳体设计、机器人软足结构设计、驱动模块设计、壳体分离模块设计及不同任务下的步态设计。足部是由硅胶足、形状记忆合金(SMA) 弹簧及聚醚醚酮(PEEK)板制作而成。足部与壳体之间利用M5的螺栓进行约束，5个硅胶足在壳体上呈现72度均匀分布。两个半球之间利用电磁铁进行约束，半球由树脂材料经3D 制作而成。

本发明通过以下技术方案实现。

该方法包括如下步骤：

步骤1：参照海星的运动结构并结合仿生机理制作出柔性足，为了使柔性足按照标准弧线弯曲，将足的表面布置齿形结构，柔性材料硅胶作为柔性足的制作材料；

步骤2：结合运动效率较高的球形机器人表面结构，利用3D打印技术制作机器人的刚性部分的躯体，制作材料采用树脂；

步骤3：根据机器人的硅胶足弯曲所需要的力，选择出合适的记忆合金弹簧作为足部驱动器，由于足可以实现上下弯曲，因此在足的两侧布置SMA弹簧作为硅胶足的驱动器；

步骤4：根据壳体、形状记忆合金弹簧及硅胶足的重量，选择出合适的电磁铁作为机器人能实现壳体分离的模块；

步骤5：将机器人的部件进行组装。包含：足部单元、壳体单元、电磁铁单元、驱动单元。其中SMA弹簧在硅胶足中由PEEK板进行约束。硅胶足与壳体之间采用M5的螺栓进行约束。电磁铁与壳体之间采用3D打印的树脂板进行约束；

步骤6：根据机器人将实现不同的作业任务，为机器人设计出不同的步态规划，由于机器人能实现爬行、绕障、避障、滚动及壳体分离等功能，因此需要为机器人设计5种步态规划，即为硅胶足部的SMA弹簧设计通电时序图；

与已有技术相比，本发明的有益效果在于：该机器人能实现多模态运动，不仅具有刚体机器人运动效率高的优点，同时还具有软体机器人运动灵活的特点，具备一定的负载能力，改善了目前软体机器人负载能力差、运动效率低等特点。

附图说明

图1为SMA弹簧的“加热时间-应力”曲线图；

图2为机器人整体外观图；

图3为硅胶足部结构三视图；

图4为机器人壳体分离模块结构；

图5为机器人模块分离后的半球形结构；

图6为机器人整球形爬行图；

图7为机器人在断电情况下，在平地上的姿态；

图8为机器人爬行运动时的对硅胶足下侧SAM弹簧通电时序图；

具体实施方式：

下面通过结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的实施方式：

参见图2，本发明所制作的多模态机器人在结构上主要由半球形壳体1、硅胶足2组成。硅胶足2与半球形壳体1之间能实现球形面配合。参见图3，机器人的足部驱动结构由SMA弹簧3、PEEK板4组成。SMA弹簧3穿插在PEEK板4内的通孔中，每个硅胶足2上需要布置三个PEEK4板。参见图4，机器人的分离模块单元由电磁铁约束板5、电磁铁6组成。电磁铁约束板5与电磁铁6之间采用M3的螺栓进行约束，电磁铁约束板5与半球形壳体1 之间采用,3的螺钉进行约束。

下面为本发明方法的步骤做详细的说明。

本发明方法的具体实施步骤如下：

步骤1：参照海星的运动结构并结合仿生机理制作出柔性足，为了使柔性足能按照标准弧线弯曲，将足的表面布置齿形结构，采用柔性材料硅胶作为柔性足的制作材料，加工出齿形硅胶足2；

步骤2：结合运动效率较高的球形机器人表面结构，利用3D打印技术制作机器人的刚性部分的壳体1，制作材料采用树脂；

步骤3：根据机器人的硅胶足弯曲所需要的力，选择出合适的SMA弹簧3作为硅胶足2 的驱动器，由于足可以实现上下弯曲，因此在硅胶足2的两侧布置驱动器；

步骤4：根据壳体1、SMA弹簧3及硅胶足2的重量，选择出合适的电磁铁6作为机器人能实现壳体1分离的模块；

步骤5：将机器人的部件进行组装。包含：足部单元、壳体单元、电磁铁单元、驱动单元。其中SMA弹簧3在硅胶足中由PEEK板4进行约束。硅胶足2与壳体1之间采用M5的螺栓进行约束。电磁铁5与壳体1之间由电磁铁约束板5进行约束；

步骤6：根据机器人将实现不同的作业任务，为机器人设计出不同的步态规划，由于机器人能实现爬行、绕障、避障、滚动及壳体分离等功能，因此需要为机器人设计5种步态规划，即为硅胶足部的SMA弹簧设计通电时序图。

Claims (1)

1.一种记忆合金驱动的多模态机器人，其特征在于：

本发明所制作的机器人由3D打印的球形壳体、硅胶制作的软足、形状记忆合金弹簧和电磁铁组成；机器人可以呈现柔性模态和刚性模态；

该方法包括如下步骤：

步骤1：参照海星的运动结构并结合仿生机理制作出齿形足，采用柔性材料硅胶作为齿形足的制作材料；

步骤2：结合运动效率较高的球形机器人表面结构，利用3D打印技术制作机器人的刚性部分的躯体，制作材料采用树脂；

步骤3：根据机器人的硅胶足弯曲所需要的力，选择出合适的记忆合金弹簧作为足部驱动器，由于足的两侧受力不同，因此采用两种形状记忆合金弹簧分别作为上下侧的驱动器；

步骤4：根据壳体、形状记忆合金弹簧及硅胶足的重量，选择出合适的电磁铁作为机器人实现壳体分离的模块；

步骤5：将机器人的部件进行组装。包含：足部单元、壳体单元、电磁铁单元、驱动单元；

步骤6：根据机器人索要实现不同的作业任务，为机器人设计出不同的步态规划，由于机器人能实现爬行、绕障、避障、滚动及壳体分离等功能，因此需要为机器人设计5种步态规划。