CN108839722A - 一种基于sma弹簧驱动的仿毛虫软体机器人 - Google Patents

一种基于sma弹簧驱动的仿毛虫软体机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人，由三个驱动模块和四个吸附模块组成；所述的驱动模块由四个SMA弹簧、两个固定板和一个外壳组成；四个SMA弹簧采用并联的方式均匀分布在外壳内；当SMA弹簧通电收缩时，驱动模块会发生相应变形，断电后可回复原状；所述的吸附模块由一个单元体和两个吸附单元组成，两个吸附单元对称分布在单元体上；所述的吸附单元由一个SMA弹簧、一个柱塞、一个隔板和一个吸盘组成；通过驱动SMA弹簧可使吸盘吸附在运动表面，并可在断电后使吸盘脱离运动表面；三个驱动模块按从左到右的顺序分别布置在每两个吸附模块之间；通过协调控制驱动模块和吸附模块可实现仿毛虫运动。

Description

一种基于SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人
技术领域
本发明涉及一种基于SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人，具体涉及一种可以通过驱动SMA弹簧实现模仿毛虫运动的软体机器人，属于软体机器人领域。
背景技术
经过多年发展，机器人在各个领域被广泛应用，但现行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；在狭窄空间内的通过能力受限；控制上也较复杂。而若借鉴仿生学的一些结构与理论，运用软体结构，则可以避免刚体机器人的以上不足。
目前，软体机器人还在探索阶段，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。
另外，本软体机器人从仿生的角度出发，采用吸盘来代替普通软体机器人的足部；采用驱动模块来模仿毛虫的身体；将吸附模块和驱动模块相结合，设计了一种新型的软体机器人，通过协调控制驱动模块和吸附模块可使机器人产生转弯、爬坡、前进、后退，并可通过相应控制方式实现模仿毛虫运动。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人，通过吸盘代替普通软体机器人的足部，提高了软体机器人的可靠性。
本发明具体技术实施方案如下：
一种基于SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人，由四个吸附模块（1）和三个驱动模块（2）组成；三个驱动模块（2）按从左到右的顺序分别布置在每两个吸附模块（1）之间；所述的驱动模块（2）由四个SMA弹簧一（12）、两个固定板（3）和一个外壳（4）组成，固定板（3）与外壳（4）粘接固定；四个SMA弹簧一（12）采用并联的方式均匀分布在外壳（4）内，并且两端分别固定在固定板（3）上，固定板（3）上设有孔，便于工作过程中SMA弹簧一（12）的散热；同时给驱动模块（2）的四个SMA弹簧一（12）通电，驱动模块（2）会发生收缩变形，当断电时，由于外壳（4）的回弹力使其恢复原状；当给驱动模块（2）左侧、右侧、上侧或下侧的两个SMA弹簧一（12）通电时，驱动模块（2）会发生向左、向右、向上或向下弯曲，并在断电后恢复原状；所述的吸附模块（1）由一个单元体（11）和两个吸附单元组成，两个吸附单元对称布置在单元体（11）内；所述的吸附单元由一个SMA弹簧二（5）、一个柱塞（7）、一个隔板（8）和一个吸盘（9）组成；所述的单元体（11）内设有两个对称分布的通道（6）和一对矩形孔（13）；所述的通道（6）用于布置SMA弹簧二（5），SMA弹簧二（5）的一端固定在通道（6）顶部，另一端固定在柱塞（7）顶部；隔板（8）中心与柱塞（7）固定，外沿与通道（6）内壁固定；吸盘（9）位于单元体（11）底部，并设有吸附腔（10），吸附腔（10）与通道（6）被隔板（8）隔离；当SMA弹簧二（5）通电收缩时，带动柱塞（7）向上移动，同时拉动隔板（8），使隔板（8）由下凹状变为上凸状，使吸附腔（10）体积增大产生负压，从而吸盘吸附在运动表面（14）上，当SMA弹簧二（5）断电后，由于隔板（8）的回弹力和吸附腔（10）的负压力，使柱塞（7）恢复至原来位置，吸附腔（10）负压消失使吸盘（9）与运动表面（14）脱离。通过协调控制驱动模块（2）和吸附模块（1）软体机器人可以实现前进、后退、转弯、爬坡等运动；在特定的控制方式下软体机器人可以模仿毛虫运动。
所述的固定板（3）用于连接固定SMA弹簧一（12），中心设有孔，用于工作过程中SMA弹簧一（12）的扇热。
所述的一种基于SMA弹簧的仿毛虫软体机器人，除驱动SMA弹簧一（12）与SMA弹簧二（5）采用镍钛合金丝制造外，其它零部件均由硅胶制造，易变形，且有较好的弹性。
所述的SMA弹簧一（12）与SMA弹簧二（5），具有高温下收缩，低温下强度降低易被拉伸的特点，通过电流加热，用于提供驱动模块（2）和吸附模块（1）的驱动力。
所述的隔板（8）其作用之一是隔离通道与吸附腔，保证工作时吸附腔能产生有效的负压；二是SMA弹簧断电后为其提高回弹力。
所述的吸盘（9），其与运动表面（14）接触，当吸附腔产生负压时使其吸附在运动表面。具体结构如图4。
所述的运动表面为光滑平整的平面。
所述的模仿毛虫运动是通过协调控制各个驱动模块和吸附模块的顺序来实现的，如图6，具体控制步骤为：1)驱动吸附模块三，然后驱动驱动模块三，如图6（b）；2)待驱动模块三完成收缩后，同时驱动吸附模块二与吸附模块四，断开驱动模块三，驱动驱动模块二，如图6（c）；3）待驱动模块二完成收缩后，同时驱动吸附模块一和吸附模块三，再断开吸附模块二和吸附模块四，最后驱动驱动模块一，如图6（d）；4）待驱动模块一完成收缩后，驱动吸附模块二，断开吸附模块一和吸附模块三，使驱动模块一在外壳（4）的弹力下自动伸展，如图6（e）；5）断开吸附模块二，恢复至机器人的原始状态，如图6（a）；此五步为模仿毛虫运动的一个控制周期。
本发明的有益效果是：采用本发明的基于SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人，可以通过协调控制各个驱动模块和吸附模块的顺序来实现模仿毛虫运动；所述的基于SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人无任何硬质零件与结构，完全由软材料制成，整体柔韧性很好，具有较强的环境适应性；本发明的基于SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人不仅可以模仿毛虫运动，而且通过不同的控制策略实现蠕动、尺蠖运动、后退、爬坡和转弯等运动，具有较强的灵活性；普通软体机器人多采用“各向异性摩擦力”实现单方向的运动，而本发明的软体机器人采用了吸附原理，可实现前进、倒退与转弯等运动，并具有较高的稳定性。
附图说明
图1为基于SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人的主视图。
图2为吸附模块的外部结构示意图。
图3为驱动模块的外部结构示意图。
图4为图2 A方向的半剖视图。
图5为图4去除外壳（4）的内部结构示意图。
图6为模仿毛虫运动的示意图。图中圆圈表示该吸附模块（1）处于工作状态，及该吸附模块（1）的吸盘（9）吸附在运动表面（14）。
1、吸附模块；2、驱动模块；3、固定板；4、外壳；5、SMA弹簧二；6、通道；7、柱塞；8、隔板；9、吸盘；10、吸附腔；11、单元体；12、SMA弹簧一；13、矩形孔；14、运动表面；15、吸附模块一；16、驱动模块一；17、吸附模块二；18、驱动模块二；19、吸附模块三；20、驱动模块三；21、吸附模块四。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及一种SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人，采用模块化设计思路，由三个驱动模块（2）和四个吸附模块（1）组成；三个驱动模块（2）按从左到右的顺序分别布置在每两个吸附模块（1）之间，并通过粘接的方式固定，如图1所示；所述的驱动模块由四个SMA弹簧一（12）、两个固定板（3）和一个外壳（4）组成；固定板（3）与外壳（4）粘接固定，四个SMA弹簧一（12）采用并联的方式均匀分布在外壳（4）内，并且两端分别固定在固定板（3）上，固定板（3）上设有孔，方便工作过程中SMA弹簧一（12）的散热；所述的吸附模块（1）由一个单元体（11）和两个吸附单元组成，两个吸附单元对称布置在单元体（11）内；吸附单元由一个SMA弹簧二（5）、一个柱塞（7）、一个隔板（8）和一个吸盘（9）；单元体（11）内设有两个对称分布的通道（6）用于布置两个SMA弹簧二（5），SMA弹簧二（5）的一端固定在通道（6）的顶部，一端固定在柱塞（7）的顶部；隔板（8）的中心与柱塞（7）固定，外延与通道（6）内壁固定；吸盘（9）位于单元体（11）底部，并设有吸附腔（10），吸附腔（10）与通道（6）被隔板隔离。
本发明的工作原理如下：
1、SMA弹簧一（12）在驱动模块（2）中的布置如图3与图5所示，当SMA弹簧一（12）通电时产生收缩，由于固定板（3）和外壳（4）连接，使外壳（4）发生变形，当SMA弹簧一（12）断电时，在外壳（4）的弹力作用下自动恢复原状。当四个SMA弹簧一（12）同时通电时,四个SMA弹簧一（12）的收缩拉动外壳（4）缩短，并在断电后自动恢复原状，以此来实现伸缩运动；仅让左右两部分SMA弹簧一（12）中的一部分通电，另一部分不通电，这可以实现左右弯曲运动；同理让上下两部分的一部分SMA弹簧一（12）通电，可以实现上下弯曲运动。
2、吸附模块（1）的结构示意图如图与图4所示，当SMA弹簧二（5）通电收缩时，拉动柱塞（7）向上移，由于柱塞（7）与隔板（8）连接，使隔板（8）由下凹状变为上凸状，使得吸附腔（10）腔体增大产生负压，从而使吸盘（9）吸附在运动表面（14）上；当SMA弹簧二（5）断电后，由于吸附腔（10）负压和隔板（8）的弹性使柱塞（7）恢复至原来位置，负压消失使吸盘（9）从运动表面（14）脱离。
3、软体机器人模仿毛虫运动方式是通过协调控制驱动模块（2）和吸附模块（1）来实现的，具体控制步骤（如图6）为：1)驱动吸附模块三，然后驱动驱动模块三，如图6（b）；2)待驱动模块三完成收缩后，同时驱动吸附模块二与吸附模块四，断开驱动模块三，驱动驱动模块二，如图6（c）；3）待驱动模块二完成收缩后，同时驱动吸附模块一和吸附模块三，再断开吸附模块二和吸附模块四，最后驱动驱动模块一，如图6（d）；4）待驱动模块一完成收缩后，驱动吸附模块二，断开吸附模块一和吸附模块三，使驱动模块一在外壳（4）的弹力下自动伸展，如图6（e）；5）断开吸附模块二，恢复至机器人的原始状态，如图6（a）；此五步为模仿毛虫运动的一个控制周期。软体机器人可按以上述的控制步骤为周期完成模仿毛虫运动。

Claims (3)

1.一种基于SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人，由四个吸附模块（1）和三个驱动模块（2）组成；三个驱动模块（2）按从左到右的顺序分别布置在每两个吸附模块（1）之间；所述的驱动模块（2）由四个SMA弹簧一（12）、两个固定板（3）和一个外壳（4）组成，固定板（3）与外壳（4）粘接固定；四个SMA弹簧一（12）采用并联的方式均匀分布在外壳（4）内，并且两端分别固定在固定板（3）上，固定板（3）上设有孔，便于SMA弹簧一（12）的散热；协调控制驱动模块（2）中的四个SMA弹簧一（12），可以实现伸缩、弯曲运动；所述的吸附模块（1）由一个单元体（11）和两个吸附单元组成，两个吸附单元对称布置在单元体（11）上；所述的吸附单元由一个SMA弹簧二（5）、一个柱塞（7）、一个隔板（8）和一个吸盘（9）组成；所述的单元体（11）内设有两个对称分布的通道（6）和一对矩形孔（13）；所述的通道（6）用于布置两个SMA弹簧二（5），SMA弹簧二（5）的一端固定在通道（6）顶部，另一端固定在柱塞（7）顶部；隔板（8）中心与柱塞（7）固定，外沿与通道（6）内壁固定；吸盘（9）位于单元体（11）底部，并设有吸附腔（10），吸附腔（10）与通道（6）被隔板（8）隔离；当SMA弹簧二（5）通电收缩时，带动柱塞（7）向上移动，同时拉动隔板（8），使隔板（8）由下凹状变为上凸状，使吸附腔（10）变大产生负压，从而吸盘吸附在运动表面（14）上，当SMA弹簧二（5）断电后，由于隔板（8）的回弹力和吸附腔（10）的负压力，使柱塞（7）恢复至原来位置，吸附腔（10）负压消失使吸盘（9）与运动表面（14）脱离；通过协调控制驱动模块（2）和吸附模块（1）软体机器人可以模仿毛毛虫运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人，其特征在于：由吸附模块（1）和驱动模块（2）组成，驱动模块（2）为机器人的移动提供动力，吸附模块（1）用于提供机器人运动所需的吸附力，驱动模块（1）与吸附模块（2）相结合，使机器人产生前进、后退、转弯等运动。
3.根据权利要求1所述的一种基于SMA弹簧驱动的仿毛虫软体机器人，其特征在于：除SMA弹簧用镍钛合金制造外，机器人的其它所有材料均是由硅胶通过注射、冷却、拔模等工艺制成。
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