CN109015617A - 形状记忆合金驱动的蠕动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于形状记忆合金驱动的蠕动机器人，属于机器人技术领域。本发明根据自然界生物毛毛虫的运动特点，利用仿生学、机械制造学及材料学制作出了躯体形状为毛毛虫的蠕动机器人。该机器人的躯体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。结合毛毛虫的运动机理，在机器人的躯体两端设计了摩擦效率不同的结构，使机器人能实现蠕动前进。该蠕动机器人躯体弯曲角度范围较大，运动效率高，具有较好的环境适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术，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
如今机器人技术发展迅速，机器人已经被应用于各个领域，但目前常见的机器人大多是由硬质材料构成的刚体机器人。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。自然界的生物结构为机器人的设计带来了灵感，结合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。目前软体机器人技术在工业领域及医疗领域已经取得突破进展，比如用于抓取易碎物品的气驱动抓手和用于医疗康复的助力手套等。
但是软体机器人也面临很多不足，比如驱动形式比较少、负载较差、控制精度差等，这些问题需要研究者从软体机器人的材料、结构设计及运动控制等方面进行不断的深入研究。目前比较流行的线型驱动及气体驱动型软体机器人需要提及庞大的能源装置及外部传感器并产生噪音，机器人很难应用于狭小空间和实施秘密侦查。
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驱动的蠕动机器人。SMA 材料具有形状记忆功能，体积小，功重比大，在驱动中不产生噪音及气味，非常适合应用于微小型机器人的制作。该机器人的躯体是由柔软材料硅胶制作而成，躯体两端的结构并不相同使机器人的两端的摩擦力并不相同。机器人利用躯体在弯曲过程中，躯干两端的摩擦力并不相同而实现蠕动前进。机器人在运动中不产生噪音且运动灵活，较适应用于空间狭小的场所。
本发明包括一下两个部分：机器人的躯体设计和驱动模块设计。机器人的躯体是根据自然界中蠕动运动的毛毛虫的结构设计和制作。在躯体的上下两侧设计直角结构能让躯体按照一定的弧度进行弯曲，提升机器人的可控性。由于聚醚醚酮PEEK板具有质量小且耐高温的特点，因此将形状记忆合金(SMA)弹簧由PEEK制作的约束板固定。躯体下侧的弹簧被约束在躯体的槽中，下侧的SMA弹簧通电导线由躯体上侧引入。躯体两侧的弹簧可以使机器人的躯体实现弯曲，其中上侧的SMA弹簧是为了加快机器人的躯体恢复初始姿态。
本发明通过以下技术方案实现。
该方法包括如下步骤：
步骤1：参照自然界中具有蠕动运动方式的生物，为了使机器人的躯体能按照一定弧线弯曲，将躯体的表面设计成齿形结构，使用柔性材料硅胶作为躯体的制作材料；
步骤2：结合PEEK具有耐高温、刚度大的特点，将此材料加工成约束SMA弹簧的板子。
步骤3：将硅胶倒入设计好的模具中，并在模具中放置步骤2中的约束板；
步骤4：用测力计测量出机器人的躯体上下两侧弯曲所需要的力，根据力的大小选择出合适的SMA弹簧作为躯体的驱动器；
步骤5：将机器人的部件进行组装，包含：躯体单元和驱动单元。其中SMA弹簧在躯体中被PEEK板所约束；
步骤6：根据SMA弹簧在通电受热中其内部电阻值会不断变化，不同电阻值将对应硅胶躯体不同的弯曲角度，因此将SMA弹簧在通电中电阻值的变化作为机器人的运动控制信息；
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：该机器人能实现快速的蠕动前进，运动无声，利用SMA材料集驱动及传感于一体的特点，将SMA弹簧作为驱动器，使机器人的体积较小，结构设计与制作较为简单，具有自主控制能力，提升了目前软体蠕动机器人的运动灵活性及复杂环境的适应能力。
附图说明
图1为SMA弹簧在通电中“时间-力”曲线图；
图2为机器人整体外观图；
图3为机器人的正视图；
图4为机器人的底部结构图；
图5为机器人的PEEK板结构图；
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：
参见图一，本发明所选取的SMA弹簧为直径是4.7mm，线径是0.7mm，将初始长度为30mm的SMA弹簧拉伸至90mm，对其通电加热可测得通电时间与产生力的关系图。
参见图2，本发明所制作的蠕动机器人在结构上主要由硅胶躯体1与SMA弹簧2及PEEK 板3组成。参见图3，SMA弹簧2穿插在PEEK板3内的通孔中，硅胶躯体1上需要布置三个PEEK板3，SMA弹簧2被约束在硅胶躯体1的槽中。
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1：参照自然界中具有蠕动运动方式的生物，为了使机器人的躯体能按照一定弧线弯曲，将躯体的表面设计成齿形结构，使用柔性材料硅胶制作硅胶躯体1；
步骤2：结合PEEK具有耐高温、刚度大的特点，将此材料加工成约束SMA弹簧的PEEK板3。
步骤3：将硅胶倒入设计好的模具中，并在模具中放置PEEK板3；
步骤4：用测力计测量出硅胶躯体1上下两侧弯曲所需要的力，根据力的大小选择出合适的SMA弹簧2作为硅胶躯体1的驱动器；
步骤5：将机器人的部件进行组装，包含：硅胶躯体1和SMA弹簧2。其中SMA弹簧 2被PEEK板3所约束；
步骤6：根据SMA弹簧2在通电受热中其内部电阻值会不断变化，测量出硅胶躯体1的弯曲角度所对应的不同电阻值，将SMA弹簧2在通电中的电阻值的变化作为机器人的运动控制信息。
Claims (1)
1.形状记忆合金驱动的蠕动机器人，其特征在于：
本发明所制作的机器人由硅胶制作的机器人躯体和形状记忆合金弹簧；机器人可以实现如毛毛虫般的蠕动运动；
该方法包括如下步骤：
步骤1：参照毛毛虫的躯体构造并结合其运动机理，利用三维软件SolidWorks制作出机器人的躯体图及躯体的模具图；
步骤2：利用3D打印技术将树脂材料制作成机器人躯体的模具，将由聚醚醚酮材料制作的约束板用于固定形状记忆合金弹簧，且约束板需要在硅胶浇注前放置在模具中；
步骤3：将柔性材料硅胶与凝固剂混合后浇注至模具中，待冷却一段时间后取出机器人躯体；
步骤5：将蠕动机器人的部件进行组装。包含：躯体单元和驱动单元；
步骤6：根据形状记忆合金弹簧在通电中电阻值的变化，标定出机器人躯体的弯曲角度与形状记忆合金弹簧所对应的电阻值，将电阻值作为机器人的运动控制信息。
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