CN109551470A - 一种变直径蛇形机器人模块及蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

一种变直径蛇形机器人模块及蛇形机器人，机器人模块包括智能材料制成的第一直径调节环、第二直径调节环、轴向驱动器和扭转驱动器，第一直径调节环、第二直径调节环同轴间隔设置，轴向驱动器包括连接第一直径调节环和第二直径调节环的轴向驱动丝，扭转驱动器包括连接第一直径调节环和第二直径调节环的扭转驱动丝，第一直径调节环、第二直径调节环的形状随温度或压力或湿度发生变化从而调节机器人模块直径，轴向驱动丝、扭转驱动丝随温度或压力或湿度发生变化从而驱动机器人模块做移动、扭转运动。本发明实现了蛇形机器人直径的变化，使得机器人直径可根据工作空间变化而调整，环境适应能力强。驱动器结构简单、质量轻，减小了机器人的质量和体积。

Description

一种变直径蛇形机器人模块及蛇形机器人

技术领域

本发明涉及一种变直径蛇形机器人模块及蛇形机器人，属机器人领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展，机器人在各个领域都得到了广泛的应用，蛇形机器人由于其具有稳定性好、灵活度高、环境适应性强等优点，可以穿过孔洞、管道等狭小空间执行任务，更是得到了人们的重视。但是，一方面，蛇形机器人只能穿越大于机器人的直径的空间，而随着机器人工作任务和环境越来越复杂多变，对于直径大小固定的机器人而言，其应用范围就受到了限制；另一方面，目前机器人多使用电机、气泵等作为驱动装置，这使得机器人的质量较重、体积较大、结构复杂，也限制了其应用范围。

公开号为CN105150242B的中国专利提出了一种自变形机器人模块单元及蛇形机器人，实现了多模块单元连接，依靠电机驱动自主完成机器人构型变化。但其自变形只是完成了机器人外形的变化，机器人为刚性结构，对环境适应能力较弱。且机器人采用电机驱动，其质量、体积较大。

此外，公开号为CN102837307A的中国专利提出了一种基于多自由度柔性运动单元的水陆两栖蛇形机器人，其利用介电型EAP驱动器，减轻了机器人的质量，能够实现柔性运动。但其无法实现蛇形机器人直径的变化，且需要安装弹簧和中心轴来使驱动器恢复原状，使机器人结构复杂化，在实际应用时有所限制。

可见，研究直径可以变化的蛇形机器人能够大大增加其环境适应能力和越障能力，同时，简化机器人驱动装置的结构、减小机器人的质量和体积，也能够拓展蛇形机器人的应用领域。形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料等智能材料的发展，为我们解决上述问题提供了新的方法。智能材料是一种能感知外部刺激并采取一定的措施进行适度响应的新型功能材料，能够检测并且识别如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等外界或者内部的变化，进而改变其形状、长度、力学性能等属性，当外部刺激消除后又迅速恢复到原始状态。利用智能材料，可以实现蛇形机器人直径的变化并简化机器人的驱动器结构，拓展机器人应用范围。

发明内容

本发明创新性地使用形状记忆合金等智能材料实现机器人直径的变化，能够使机器人根据不同工作空间调整其直径，穿越直径小于其初始直径的孔洞；使用智能材料作为驱动器，结构简单、容易控制。此外，机器人还可以增加吸附装置以实现爬壁功能、搭载摄像头等传感器完成在复杂环境下的探测任务等等，为蛇形机器人在复杂环境下的应用提供了很好的参考和实践模型。

一种变直径蛇形机器人模块，包括第一直径调节环、第二直径调节环、轴向驱动器和扭转驱动器，所述第一直径调节环、第二直径调节环同轴间隔设置，所述轴向驱动器包括多根连接第一直径调节环和第二直径调节环的轴向驱动丝，所述扭转驱动器包括多根连接第一直径调节环和第二直径调节环的扭转驱动丝，其中，轴向驱动丝均平行于第一直径调节环和第二直径调节环的轴线，其中，扭转驱动丝倾斜于第一直径调节环和第二直径调节环的轴线，所述第一直径调节环、第二直径调节环、轴向驱动器和扭转驱动器均采用智能材料制成，所述第一直径调节环的形状随所述第一直径调节环的温度或压力或湿度发生变化，所述第二直径调节环的形状随所述第二直径调节环的温度或压力或湿度发生变化，从而调节机器人模块的直径，各轴向驱动丝随该轴向驱动丝的温度或压力或湿度发生变化从而驱动机器人模块移动，各扭转驱动丝随该扭转驱动丝的温度或压力或湿度发生变化从而驱动机器人模块扭转运动。

优选地，所述智能材料包括形状记忆合金、磁致伸缩材料、压电材料中的一种或多种。

优选地，第一直径调节环和第二直径调节环均由具有全程形状记忆功能的形状记忆合金制成；各轴向驱动丝、各扭转驱动丝均是由双程形状记忆功能的形状记忆合金制成。

优选地，第一直径调节环、第二直径调节环的形状、大小、材质相同。

优选地，各轴向驱动丝在直径调节环的端面上均匀布置。

优选地，轴向驱动器包括第一轴向驱动SMA丝、第二轴向驱动SMA丝、第三轴向驱动SMA丝、第四轴向驱动SMA丝，扭转驱动器包括第一扭转驱动SMA丝和第二扭转驱动SMA丝，第一扭转驱动SMA丝和第二扭转驱动SMA丝的倾斜方向相反。

优选地，通过电流或激光照射的方式来改变第一直径调节环、第二直径调节环、各扭转驱动SMA丝、各轴向驱动SMA丝的温度。

本发明还提供一种变直径蛇形机器人，利用以上所述的变直径蛇形机器人模块制成，包括多个变直径蛇形机器人模块，各机器人模块依次串联连接，相邻的两个机器人模块使用同一个直径调节环。

优选地，变直径蛇形机器人外侧包裹有柔性蒙皮，所述柔性蒙皮上有向变直径蛇形机器人的尾部方向倾斜的凸起，使机器人前进时的摩擦力小于后退时的摩擦力。

优选地，变直径蛇形机器人还设置有吸附装置以实现爬壁功能。

本发明具有以下有益效果：

1.利用智能材料制作直径调节环，通过改变环境来改变直径调节环的横截面积，实现了蛇形机器人直径的变化，使得机器人直径可以根据工作空间的变化而调整，其环境适应能力强。

2.驱动器结构简单、质量轻，大大减小了机器人的质量和体积，只需要通过控制环境参数就可以使机器人运动，易于操作，机器人具有很强的灵活性，便于机器人的实际应用。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为本发明实施例中变直径蛇形机器人模块的整体结构图；

图2为本发明实施例中变直径蛇形机器人模块的左视图；

图3-a为本发明实施例中变直径蛇形机器人模块的直径调节环扩大后外切圆直径增加的形状示意图；

图3-b为本发明实施例中变直径蛇形机器人模块的初始状态直径调节环的形状示意图；

图3-c为本发明实施例中变直径蛇形机器人模块的直径调节环收缩后使外切圆直径减小的形状示意图；

图4为本发明实施例中具有两个模块单元的蛇形机器人示意图；

图5为本发明实施例中机器人柔性蒙皮外侧凸起的局部放大示意图。

图中：

1-第一直径调节环，2-第二直径调节环，31-第一轴向驱动SMA丝，32-第二轴向驱动SMA丝，33-第三轴向驱动SMA丝，34-第四轴向驱动SMA丝，41-第一扭转驱动SMA丝，42-第二扭转驱动SMA丝，5-第一模块单元，6-第二模块单元，7-柔性蒙皮，71-蒙皮凸起。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细介绍本发明的变直径蛇形机器人模块及蛇形机器人的具体结构、工作原理的内容。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

在本实施例中，直径调节环、轴向驱动器和扭转驱动器所使用的智能材料选用形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)，形状记忆合金具有形状记忆功能，能够检测环境温度的变化并进行响应。此外智能材料还可以选用压电材料、磁致伸缩材料等，在所处环境的压力、温度、湿度等发生变化时，所选用智能材料的形状、长度、力学性能发生变化，从而实现调节直径和驱动功能。下面以形状记忆合金为例进行说明。

图1是本实施例的变直径蛇形机器人模块的整体结构，图2是图1的左视图。变直径蛇形机器人模块包括第一直径调节环1、第二直径调节环2、第一轴向驱动SMA丝31、第二轴向驱动SMA丝32、第三轴向驱动SMA丝33、第四轴向驱动SMA丝34、第一扭转驱动SMA丝41和第二扭转驱动SMA丝42。第一直径调节环1和第二直径调节环2形状、大小、材质相同。四根轴向驱动SMA丝组成机器人模块的轴向驱动器，两根扭转驱动SMA丝组成机器人模块的扭转驱动器，安装于第一直径调节环1和第二直径调节环2之间。其中，如图2所示，第一直径调节环1和第二直径调节环2的圆周方向均为波纹状。并且，第一轴向驱动SMA丝31的一端与第一直径调节环1的波纹状的波谷连接，另一端与第二直径调节环2的对应的波谷连接。然后，间隔相同的波谷数，在第一直径调节环1和第二直径调节环2之间连接第二轴向驱动SMA丝32。以相同的方式在第一直径调节环1和第二直径调节环2分别连接第三轴向驱动SMA丝33、第四轴向驱动SMA丝34。优选地，第一轴向驱动SMA丝31、第二轴向驱动SMA丝32、第三轴向驱动SMA丝33、第四轴向驱动SMA丝34是均匀分布在圆周方向的，以使得轴向驱动力均衡。以上仅是举例说明，实际上，轴向驱动SMA丝只要是平行的安装于第一直径调节环1和第二直径调节环2之间即可，并不需要连接在波纹状的波谷位置。此处所说平行是指在安装的初始状态，第一直径调节环1和第二直径调节环2同轴放置，轴向驱动SMA丝均与第一直径调节环1和第二直径调节环2的轴线平行。

第一扭转驱动SMA丝41则是倾斜地安装在第一直径调节环1和第二直径调节环2之间，例如，第一扭转驱动SMA丝41的一端连接在第一直径调节环1的波纹状的波谷，另一端则连接在第二直径调节环2的与第一直径调节环1的该波谷错开的波谷上。如图1所示，第一扭转驱动SMA丝41的一端连接在第一直径调节环1的左上侧的波谷上，第一扭转驱动SMA丝41的另一端连接在第二直径调节环2的左下侧的波谷上。第二扭转驱动SMA丝42的一端连接在第一直径调节环1的右下侧的波谷上，第二扭转驱动SMA丝42的另一端连接在第二直径调节环2的右上侧的波谷上。

另外，以上对于第一直径调节环1和第二直径调节环2的形状并没有限制，第一直径调节环1和第二直径调节环2也可以是其他形状，例如，在圆周上为螺旋状，随着环境变化而改变螺距从而调节直径大小。

第一直径调节环1和第二直径调节环2均使用具有全程形状记忆功能的形状记忆合金制成，其形状随温度的变化而变换。其中，全程形状记忆功能是指加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。以第一直径调节环1进行说明，常温下，第一直径调节环1向内部分卷曲收缩，外切圆直径为D₂，其形状如图3-b所示；当温度升高时，第一直径调节环1向外舒展，其外切圆直径增加为D₁，使得蛇形机器人的直径也增加，如图3-a所示；当温度降低时，第一直径调节环1向内卷曲程度增加，其外切圆直径减小为D₃，使得蛇形机器人的直径也减小，能够穿越更为狭窄的间隙或孔洞，如图3-c所示。

第一轴向驱动SMA丝31、第二轴向驱动SMA丝32、第三轴向驱动SMA丝33、第四轴向驱动SMA丝34、第一扭转驱动SMA丝41和第二扭转驱动SMA丝42均为波浪形，使用双程形状记忆合金制成。其中，双程形状记忆合金可以在加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状。因此，当温度升高时，轴向驱动SMA丝长度缩短，带动与之相连接的直径调节环相互靠近；当温度恢复后，轴向驱动SMA丝长度伸长，恢复到初始长度，从而实现驱动功能。

下面说明一下其具体运动过程，如果只对第一轴向驱动SMA丝31加热使其温度升高，其长度变短，则机器人模块左侧收缩，其余部分长度不变，机器人模块向左偏移；同理，只加热第二轴向驱动SMA丝32可以使机器人模块向右偏移；只加热第三轴向驱动SMA丝33或第四轴向驱动SMA丝34可以实现机器人模块的俯仰功能。当机器人模块需要向前运动时，同时加热轴向驱动器的四根SMA丝，机器人模块纵向收缩，温度恢复后机器人模块纵向伸长，机器人模块整体向前运动。

加热第一扭转驱动SMA丝41和第二扭转驱动SMA丝42，第一扭转驱动SMA丝41收缩，对第二直径调节环2的左下侧有沿顺时针拉拽的力，而第二扭转驱动SMA丝42对第二直径调节环2的右上侧有沿顺时针拉拽的力，这使得第二直径调节环2相对于第一直径调节环1发生转动，从而完成机器人模块的顺时针扭转运动。

相反，如果第一扭转驱动SMA丝41的一端连接在第一直径调节环1的左下侧的波谷上，第一扭转驱动SMA丝41的另一端连接在第二直径调节环2的左上侧的波谷上。第二扭转驱动SMA丝42的一端连接在第一直径调节环1的右上侧的波谷上，第二扭转驱动SMA丝42的另一端连接在第二直径调节环2的右下侧的波谷上。则加热第一扭转驱动SMA丝41和第二扭转驱动SMA丝42，第一扭转驱动SMA丝41和第二扭转驱动SMA丝42对第二直径调节环2有逆时针拉拽的力，使机器人模块逆时针扭转运动。

当然，可以同时设置4根扭转驱动SMA丝，使得机器人模块既可以顺时针扭转，也可以逆时针扭转。只要根据需要加热对应的扭转驱动SMA丝即可。

在一个可选实施例中，可以将扭转驱动SMA丝、各轴向驱动SMA丝与电源连接，通过电流控制其温度来控制其长度的伸缩，从而驱动仿生爬壁机器人腿单元的移动。

在一个可选实施例中，可以根据机器人所要穿越的空间大小改变直径调节环的温度，如用激光照射使其温度达到相应值，从而使机器人的直径适应工作空间，完成穿越任务。

本发明还提供一种变直径蛇形机器人。如图4所示为利用2个上述变直径蛇形机器人模块制成的蛇形机器人，包括第一模块5、第二模块6。第一模块5和第二模块6串联连接，两个模块的连接部分使用同一个直径调节环。

在一个可选实施例中，还在变直径蛇形机器人外侧包裹柔性蒙皮7。柔性蒙皮7为具有一定弹性的柔性材料，可以随着直径调节环和驱动器形状的变化而收缩或舒张。

在一个可选实施例中，柔性蒙皮7外侧有向变直径蛇形机器人尾部方向倾斜的蒙皮凸起71，如图5所示，使机器人前进时的摩擦力小于后退时的摩擦力(如图5中箭头方向为前进方向)，因此当轴向驱动器SMA丝长度缩短时，机器人尾部向前运动，当轴向驱动器SMA丝长度恢复时，机器人头部向前运动，从而实现机器人的前进运动。

另外，本发明还可以应用磁致伸缩材料来制作变直径蛇形机器人模块，磁致伸缩材料可以在磁化方向发生伸长或缩短，当通过线圈的电流变化或者是改变与磁体的距离时，磁致伸缩材料尺寸即发生显著变化。因此，完全可以利用磁致伸缩材料来制作上述的变直径蛇形机器人模块中的第一直径调节环、第二直径调节环、轴向驱动器和扭转驱动器，从而在磁场发生变化时，驱动变直径蛇形机器人模块发生移动和扭转运动。

同样地，本发明还可以应用压电材料来制作变直径蛇形机器人模块，压电材料可以在电流发生变化的情况下发生伸长或缩短，当通过压电材料的电流变化时压电材料的尺寸即发生变化。因此，完全可以利用压电材料来制作上述的变直径蛇形机器人模块中的第一直径调节环、第二直径调节环、轴向驱动器和扭转驱动器，从而在电流发生变化时，驱动变直径蛇形机器人模块发生移动和扭转运动。

同样的，本发明还可以应用其他具有类似性能的智能材料来制作变直径蛇形机器人模块。

采用磁致伸缩材料和压电材料的变直径蛇形机器人模块、变直径蛇形机器人都和采用形状记忆合金的技术方案相同，在此不再做详细描述。

另外，本发明不排除将磁致伸缩材料、压电材料、形状记忆合金结合来制作变直径蛇形机器人模块、变直径蛇形机器人的方案。例如，第一直径调节环1、第二直径调节环2采用形状记忆合金，轴向驱动SMA丝采用磁致伸缩材料，扭转驱动SMA采用压电材料。以以上三种材料任意组合形成的变直径蛇形机器人模块、变直径蛇形机器人都属于本发明的技术方案。

另外，本发明还可以是磁致伸缩材料、压电材料、形状记忆合金或其他具有类似性能的智能材料任意组合形成的变直径蛇形机器人模块、变直径蛇形机器人。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变直径蛇形机器人模块，其特征在于，包括第一直径调节环、第二直径调节环、轴向驱动器和扭转驱动器，

所述第一直径调节环、第二直径调节环同轴间隔设置，所述轴向驱动器包括多根连接第一直径调节环和第二直径调节环的轴向驱动丝，所述扭转驱动器包括多根连接第一直径调节环和第二直径调节环的扭转驱动丝，

其中，轴向驱动丝均平行于第一直径调节环和第二直径调节环的轴线，

其中，扭转驱动丝倾斜于第一直径调节环和第二直径调节环的轴线，

所述第一直径调节环、第二直径调节环、轴向驱动器和扭转驱动器均采用智能材料制成，所述第一直径调节环的形状随所述第一直径调节环的温度或压力或湿度发生变化，所述第二直径调节环的形状随所述第二直径调节环的温度或压力或湿度发生变化，从而调节机器人模块的直径，

各轴向驱动丝随该轴向驱动丝的温度或压力或湿度发生变化从而驱动机器人模块移动，

各扭转驱动丝随该扭转驱动丝的温度或压力或湿度发生变化从而驱动机器人模块扭转运动。

2.根据权利要求1所述的变直径蛇形机器人模块，其特征在于，

所述智能材料包括形状记忆合金、磁致伸缩材料、压电材料中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的变直径蛇形机器人模块，其特征在于，

第一直径调节环和第二直径调节环均由具有全程形状记忆功能的形状记忆合金制成；

各轴向驱动丝、各扭转驱动丝均是由双程形状记忆功能的形状记忆合金制成。

4.根据权利要求3所述的变直径蛇形机器人模块，其特征在于，

第一直径调节环、第二直径调节环的形状、大小、材质相同。

5.根据权利要求1所述的变直径蛇形机器人模块，其特征在于，

各轴向驱动丝在直径调节环的端面上均匀布置。

6.根据权利要求4所述的变直径蛇形机器人模块，其特征在于，

轴向驱动器包括第一轴向驱动SMA丝、第二轴向驱动SMA丝、第三轴向驱动SMA丝、第四轴向驱动SMA丝，扭转驱动器包括第一扭转驱动SMA丝和第二扭转驱动SMA丝，

第一扭转驱动SMA丝和第二扭转驱动SMA丝的倾斜方向相反。

7.根据权利要求3所述的变直径蛇形机器人模块，其特征在于，通过电流或激光照射的方式来改变第一直径调节环、第二直径调节环、各扭转驱动SMA丝、各轴向驱动SMA丝的温度。

8.一种变直径蛇形机器人，其特征在于，利用权利要求1至7中任意一项所述的变直径蛇形机器人模块制成，包括多个变直径蛇形机器人模块，各变直径蛇形机器人模块依次串联连接，相邻的两个变直径蛇形机器人模块使用同一个直径调节环。

9.根据权利要求8所述的变直径蛇形机器人，其特征在于，变直径蛇形机器人外侧包裹有柔性蒙皮，所述柔性蒙皮上有向变直径蛇形机器人的尾部方向倾斜的凸起，使机器人前进时的摩擦力小于后退时的摩擦力。

10.根据权利要求8所述的变直径蛇形机器人，其特征在于，变直径蛇形机器人还设置有吸附装置以实现爬壁功能。