CN108974167B - 一种新型螺旋状的仿生记忆合金机器人及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，为螺旋状的仿生记忆合金机器人及制作方法，机器人结构包括头部、角位移装置、板块和尾部；板块设有两个，一个板块与头部连接，另外一个板块与尾部连接，两个板块之间连接角位移装置；头部、尾部均呈螺旋状且外表均设有突兀，外表的空腔内设有形状记忆合金片。本发明驱动稳定，结构简单，能够克服多种地形并能够利用斜坡滚动，使机器人快速到达目的地，而位于头部的摄像头和LED模块使机器人能够在黑暗的环境下捕捉环境信息。

Description

一种新型螺旋状的仿生记忆合金机器人及制作方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种用于陆地多环境下的新型螺旋状的仿生记忆合金机器人及制作方法。

背景技术

在国内，西北工业大学申请的专利申请号为201510244090.3(公开号为CN104859732A，2015年8月26日公开)，名称为“一种仿蠕虫运动装置”发明专利中，所公开的仿蠕虫装置速度快、动力足，但是以活塞运动为基础，使得装置的适应性差，能耗大。在上海大学申请的专利申请号为201610386602.4(公开号为CN105881493A,2016年8月24日公开)，名称为“一种环足式微型机器人”的发明专利中，机器人单靠伸缩段控制，前进缓慢，且正方形的身体无法适应多种环境。上海交通大学还申请了有关磁动多节蠕动机器人的专利，依靠电磁铁的相互排斥吸引来前进。

在国外，以色列古里昂大学的研究人员研制了SAW机器人，能在水面上游动；塔夫茨大学的小组研发了采用硅氧橡胶制成一种体长仅10厘米的蠕虫机器人；2018年Yamazaki等人在美国Advanced Robotics发表了关于在蚯蚓运动激励下窄管道巡检机器人蠕动爬行运动向形态学变化的论文；在2018年1月份，外媒The Verge报道了湿度蠕动机器人，仅靠空气的湿度差就能够驱动前进。

传统的机器人用电动、气动的方式进行驱动，速度上有很大的优势，但是适应性差，且功率大，结构复杂，噪声大，不适合在野外进行勘测。而近年来新研发的新型驱动材料机器人，虽然有结构简单、易于隐匿的特点，但是行动缓慢，技术尚未成熟。相比之下，记忆合金作为一种一直在机器人、航空航天等领域备受关注的材料，无论在驱动方面，还是在不同环境下的运动方面，均能够承担在野外进行勘察的任务。

发明内容

为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供一种新型螺旋状的仿生记忆合金机器人，能够适应并利用野外的不同环境进行野外勘测，驱动稳定，结构简单。

本发明还提供一种新型螺旋状的仿生记忆合金机器人的制作方法。

本发明机器人采用以下技术方案来实现：一种新型螺旋状的仿生记忆合金机器人，包括头部、角位移装置、板块和尾部；板块设有两个，一个板块与头部连接，另外一个板块与尾部连接，两个板块之间连接角位移装置；头部、尾部均呈螺旋状且外表均设有突兀，外表的空腔内设有形状记忆合金片。

优选地，所述形状记忆合金片缠绕电阻丝。

优选地，所述头部上设有用于放置摄像头和LED灯的球体。

优选地，所述头部、突兀、板块和尾部都由硅胶灌胶制作。

优选地，所述角位移装置包括至少一个SMA弹簧，SMA弹簧的两端分别与两个板块连接。

本发明机器人的制作方法，包括以下步骤：

S1、建模，将螺旋状的头部与板块一体成模，建模时设置空腔，外面设置突兀，把头部模具分成两半并3D打印；再建模等体积缩放的头部与板块一体化实体，打印；然后均匀涂上凡士林脱模剂，把两半合在一起，并把等体积缩放的一体化实体固定在两半上，倒入硅胶后加热，脱模；

S2、采用所述步骤S1制作尾部；

S3、把模具拆开后，拿出制作好的头部和尾部的整体实物，再分割成两半；然后把形状记忆合金片缠绕固定好电阻丝，测试完毕后，把形状记忆合金片放置于头部和尾部的整体实物中，把头部、尾部的两半粘合。

优选地，本发明机器人的制作方法还包括以下步骤：

S4、制作与头部连接的球体，将摄像头和LED灯安置在球体正中间；

S5、采用形状记忆合金制作弹簧，将弹簧的两端分别与两个板块连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明机器人的头部和尾部都是螺旋状结构，由硅胶包裹的SMA片，外部的软硅胶突兀结构，使得机器人即使受到外力翻转也能够正常运动，遇到斜坡还能够控制其滚动，也能够爬一定坡度的斜坡；头部置有摄像头用于监测外部环境，伸缩部分是长方形状SMA弹簧嵌于螺旋状头部与尾部，用于转弯的是角位移装置，通过热弹性与马氏体相变来实现驱动。

2、设有螺旋状结构，且设计的突兀能够克服多种地形并能够利用斜坡滚动，使机器人快速到达目的地，而位于头部的摄像头和LED模块使机器人能够在黑暗的环境下捕捉环境信息。

3、本发明体积小巧、质量轻、驱动简单，不需要外拉引线，能够前进、后退、转弯，能监测外部环境；又因为身体是由10度的医用硅胶制成，柔软性好，重心低，故该机器人还能在受压力的情况下前进，有很强的适应性。

附图说明

图1是本发明机器人的立体图；

图2是本发明机器人的正向剖视图；

图3是本发明机器人的局部剖视图；

图4是本发明机器人的运动状态示意图之一；

图5是本发明机器人的运动状态示意图之二；

图6是角位移装置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例，对本发明加以详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1-6所示，本发明仿生记忆合金机器人为螺旋状SMA记忆合金片式的仿蚯蚓蠕动机器人，其包括头部2、角位移装置3(也叫身体部分)、板块4和尾部5，头部上设有用于放置摄像头的球体1；板块4设有两个，用于固定头部、尾部和角位移装置，一个板块与头部2连接，另外一个板块与尾部5连接，两个板块之间连接角位移装置3。

头部2和尾部5均呈螺旋状，外表设有两条硅胶制成的突兀7，突兀固定于板块4；头部和尾部外表的空腔内放置和固定双程SMA(Shape Memory Alloy，形状记忆合金)片、锂电池电源、驱动模块和电路。双程SMA片缠绕三圈电阻丝，头部通电时电阻丝加热，形状记忆合金发生形变；尾部通电时电阻丝加热，头部降温尾部升温，共同发生形变，使得机器人能够前进后退。球体采用20度硅胶制成，球体里面放置摄像头模块和小型LED灯，用于获取信息。

在本实施例中，球体1、头部2、板块4、尾部5都由硅胶灌胶制作，其中头部和尾部由10度医用硅胶灌胶制成，板块由20度医用硅胶制成。先用软件SOLIDWORKS建模，将螺旋状的头部与板块一体成模，建模时设置空腔6，外面设置突兀7，把头部模具分成两半并用3D打印机打印，再建模等体积缩放4mm的头部与板块一体化实体，打印；然后均匀涂上凡士林脱模剂，把两半合在一起，并把等体积缩放的一体化实体固定在两半上，从小孔倒入硅胶后加热80°脱模；采用同样的方法制作尾部。把模具拆开后，拿出制作好的头部和尾部的整体实物，再分割成两半，然后把在马弗炉训练好的SMA片缠绕固定好电阻丝，测试完毕后，把SMA片放置于头部和尾部的整体实物中，把头部的两半用高温硅胶粘合剂HZ-740粘合，尾部的两半也用高温硅胶粘合剂HZ-740粘合。摄像头和LED灯安置在球体正中间，摄像头与LED灯的供电、摄像头信息传输数据置于球体1中，也一样用高温硅胶粘合剂粘合在头部。而突兀7因为较软，体积较小，呈三角形，因为头部伸长，头部突兀向后，尾部突兀向前，头部摩擦力变小，尾部提供的摩擦力变大，使得机器人能够前进更大的位移。

角位移装置包括四个SMA弹簧，SMA弹簧由形状记忆合金制成，SMA弹簧的两端分别与两个板块连接。当一边的弹簧通电变形弯曲，该角位移装置能够向通电弹簧弯曲，当想快速滚下斜坡的时候可以通过弹簧的角位移使机器人C、I型移动，为机器人提供滚动趋势。由于机器人是螺旋状、突兀环绕，且角位移装置(即身体部分)有四个SMA弹簧，能够提供四个方向的角位移，故当机器人滚动之后无论滚到哪个位置都能够前进、后退和转弯。由于角位移装置，也使得摄像头可以多方向转动，收集多个角度的环境信息。

把头部、尾部以及角位移装置控制的导线引入硅胶板块，板块集成了电路驱动通讯模块，用于供电以及控制头部、尾部、角位移装置。

上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理机器、功效和优点，本发明不受上述的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型螺旋状的仿生记忆合金机器人，其特征在于，包括头部、角位移装置、板块和尾部；板块设有两个，一个板块与头部连接，另外一个板块与尾部连接，两个板块之间连接角位移装置；头部、尾部均呈螺旋状且外表均设有突兀，外表的空腔内设有形状记忆合金片；

所述形状记忆合金片缠绕电阻丝；

所述角位移装置包括至少一个SMA弹簧，SMA弹簧的两端分别与两个板块连接。

2.根据权利要求1所述的仿生记忆合金机器人，其特征在于，所述头部上设有用于放置摄像头和LED灯的球体。

3.根据权利要求1所述的仿生记忆合金机器人，其特征在于，所述头部、突兀、板块和尾部都由硅胶灌胶制作。

4.根据权利要求3所述的仿生记忆合金机器人，其特征在于，所述头部和尾部由10度医用硅胶灌胶制成，板块由20度医用硅胶制成。

5.根据权利要求1所述的仿生记忆合金机器人，其特征在于，所述角位移装置包括四个SMA弹簧。

6.一种权利要求1所述仿生记忆合金机器人的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建模，将螺旋状的头部与板块一体成模，建模时设置空腔，外面设置突兀，把头部模具分成两半并3D打印；再建模等体积缩放的头部与板块一体化实体，打印；然后均匀涂上凡士林脱模剂，把两半合在一起，并把等体积缩放的一体化实体固定在两半上，倒入硅胶后加热，脱模；

S2、采用所述步骤S1制作尾部；

S3、把模具拆开后，拿出制作好的头部和尾部的整体实物，再分割成两半；然后把形状记忆合金片缠绕固定好电阻丝，测试完毕后，把形状记忆合金片放置于头部和尾部的整体实物中，把头部、尾部的两半粘合。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S4、制作与头部连接的球体，将摄像头和LED灯安置在球体正中间；

S5、采用形状记忆合金制作弹簧，将弹簧的两端分别与两个板块连接。

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