CN109552445A - 记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，包括左身体板、右身体板、横梁状结构、足部结构及记忆金属弹簧驱动结构，所述左身体板与右身体板平行布置。本发明由两块身体板和六条足部组成，并通过记忆金属弹簧驱动实现六足协同步态，从而有效减少零部件数量，有效减小了机器人体积和质量需求，大大降低了小型机器人的加工难度和制造成本，进而实现节能、减小体积的目的，有效提高爬壁机器人的实用性和适用性。

Description

记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人。

背景技术

攀爬机器人在攀爬救援、航天器舱外行走等领域有着广泛的应用前景，但是，爬壁机器人的设计和应用方面有很大的缺陷。目前投入应用的爬壁机器人多数采用真空吸附，磁力吸附或者空气反推作用力的思路，能耗非常大，或是应用场合限制很大，例如在太空、非磁性材料表面无法使用。

另外，仿生学的思路具有很大的优越性，节省能耗，减少设计难度。但是，采用仿生方法的爬壁机器人体积都过于庞大，难以满足灵活性的场景需求。小型的爬壁机器人则能够同时满足灵活性和低耗能的需求，在太空、建筑物等多种场景中都得到应用，然而小型机器人加工难度大，制作成本低，有待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，实现节能、减小体积的目的，有效提高爬壁机器人的实用性和适用性。

本发明提供了一种记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，包括左身体板、右身体板、横梁状结构、足部结构及记忆金属弹簧驱动结构，左身体板与右身体板平行布置；

左身体板固定连接有向右伸出的第一横梁状结构，第一横梁状结构的伸出端与右身体板的底面接触连接；右身体板固定连接有向左伸出的第二横梁状结构，第二横梁状结构的伸出端与左身体板的底面接触连接；

第一横梁状结构与第二横梁状结构彼此之间构成活塞式结构，用于执行第一横梁状结构、第二横梁状结构间的前后相互运动，以带动左、右身体板实现前后相互运动；

足部结构包括腿部结构和足底结构，腿部结构与所述左身体板、右身体板两端以及第一横梁状结构、第二横梁状结构的伸出端固定连接，足底结构由足底板及与其固定连接的细杆状结构组成，细杆状结构与腿部结构构成活塞式结构，用于执行足底结构的上下运动；

记忆金属弹簧驱动结构由记忆金属弹簧嵌套普通弹簧构成，设于活塞式结构，用于驱动左、右身体板发生前后相对运动及驱动足部结构发生上下相对运动，以使机器人实现三角步态。

进一步地，第一横梁状结构、第二横梁状结构彼此之间构成的活塞式结构采用杆状结构与套管结构间隙配合方式，通过套装于杆状结构上的记忆金属弹簧驱动横梁状结构执行前后相对运动，以实现左、右身体板的前后相对运动。

进一步地，细杆状结构与腿部结构构成的活塞式结构采用细杆与腿部结构的空洞间隙配合方式，通过套装于细杆上的记忆金属弹簧驱动足底结构执行上下运动。

进一步地，记忆金属弹簧的外径小于普通弹簧内径或记忆金属弹簧的内径大于普通弹簧的外径，用于记忆金属弹簧与普通弹簧的间隙配合嵌套。

进一步地，记忆金属弹簧驱动结构与外置电源直接连接，通过外置电源直接加热记忆金属弹簧。

进一步地，足底板附有粘性材料。

进一步地，机器人的尺寸限制在100mm见方的空间内。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

该记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，由两块身体板和六条足部组成，并通过记忆金属弹簧驱动实现六足协同步态，从而有效减少零部件数量，有效减小了机器人体积和质量需求，大大降低了小型机器人的加工难度和制造成本，进而实现节能、减小体积的目的，有效提高爬壁机器人的实用性和适用性。

附图说明

图1是本发明记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人的结构示意图；

图2是本发明记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人左身体板或右身体板的结构示意图；

图3是本发明记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人左身体板或右身体板的视图一；

图4是本发明记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人左身体板或右身体板的视图二；

图5是本发明记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人的一条左侧足部结构示意图；

图6是本发明记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人的记忆金属弹簧驱动的结构示意图。

图中标号：

10－左身体板，11－第一横梁状结构；

20－右身体板，21－第二横梁状结构；

30－足部结构，311－足底板，312－细杆，32－腿部结构；

40－第一记忆金属弹簧驱动结构，41－第一记忆金属弹簧，42－第一普通弹簧；

50－第二记忆金属弹簧驱动结构，51－第二记忆金属弹簧，52－第二普通弹簧。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图6所示，本实施例提供了一种记忆金属驱动基于蜜蜂三角步态的仿生爬壁机器人，包括左身体板10、右身体板20、横梁状结构、足部结构30及记忆金属弹簧驱动结构(第一记忆金属弹簧驱动结构40、第二记忆金属弹簧驱动结构50)，左身体板10与右身体板20平行布置；

左身体板10固定连接有向右伸出的第一横梁状结构11，第一横梁状结构11的伸出端与右身体板20的底面接触连接；右身体板20固定连接有向左伸出的第二横梁状结构21，第二横梁状结构21的伸出端与左身体板10的底面接触连接；

第一横梁状结构11与第二横梁状结构21彼此之间构成活塞式结构，用于执行第一横梁状结构11、第二横梁状结构21间的前后相互运动，以带动左、右身体板实现前后相互运动；

足部结构30包括腿部结构32和足底结构，腿部结构32与左身体板10、右身体板20两端以及第一横梁状结构11、第二横梁状结构21的伸出端固定连接，足底结构由足底板311及与其固定连接的细杆312组成，细杆312与腿部结构32构成活塞式结构，用于执行足底结构的上下运动；

记忆金属弹簧驱动结构由记忆金属弹簧嵌套普通弹簧构成，设于活塞式结构，用于驱动左、右身体板发生前后相对运动及驱动足部结构发生上下相对运动，以使机器人实现三角步态。

该机器人能够有效减少零部件数量，有效减小机器人体积和质量需求，大大降低小型机器人的加工难度和制造成本，进而实现节能、减小体积的目的，有效提高爬壁机器人的实用性和适用性。

在本实施例中，第一横梁状结构11、第二横梁状结构21彼此之间构成的活塞式结构采用杆状结构与套管结构间隙配合方式，通过套装于杆状结构上的记忆金属弹簧驱动横梁状结构执行前后相对运动，以实现左、右身体板的前后相对运动。

在本实施例中，细杆312与腿部结构32构成的活塞式结构采用细杆312 与腿部结构32的空洞间隙配合方式，通过套装于细杆312上的记忆金属弹簧驱动足底结构执行上下运动。

在本实施例中，记忆金属弹簧的外径小于普通弹簧内径或记忆金属弹簧的内径大于普通弹簧的外径，用于记忆金属弹簧与普通弹簧的间隙配合嵌套。

在本实施例中，记忆金属弹簧驱动结构与外置电源直接连接，通过外置电源直接加热记忆金属弹簧。

在本实施例中，足底板311附有粘性材料，以便于附着。

在本实施例中，机器人的尺寸限制在100mm见方的空间内。

下面对本发明作进一步详细说明。

该记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，包括：左右身体板以及与其固定连接的横梁状结构；固定连接在左右每一个身体板和横梁结构上的三条活塞式足部结构，足部分为足底与腿部结构，腿部保持不动可以实现足底的上下运动；连接两个横梁状结构以及足底与腿的记忆金属弹簧及普通弹簧组成的混合驱动结构。

如图1、图2所示，该仿生爬壁机器人包括：左身体板10、右身体板20、足部结构30、第一记忆金属弹簧驱动结构40、第二记忆金属弹簧驱动结构 50，外加电源。

其中，左身体板10设置有向右伸出的第一横梁状结构11。右身体板20 设置有向左伸出的第二横梁状结构21。第一横梁状结构11和第二横梁状结构21之间用第一记忆金属弹簧驱动结构40连接，且采用间隙配合。足部结构30由足底结构和腿部结构32构成，足底结构由足底板311和细杆312组成，足底板311由三层板状结构和弹性缓冲结构组成。第一记忆金属弹簧驱动结构40由第一记忆金属弹簧41和第二普通弹簧42嵌套组成，第二记忆金属弹簧驱动结构50由第二记忆金属弹簧51和第二普通弹簧52嵌套组成。本发明实施例的机器人可以由两块身体板及六条足部组成，一块身体板上固连三条足部，通过记忆金属弹簧驱动固连在身体板的横梁结构产生前后相对运动，从而带动身体板及其固连的足部实现前后相对运动，产生“向前迈”动作；通过连接在足底与腿部结构之间的记忆金属驱动实现足底相对于固连在身体板的腿部的上下相对运动，实现“抬腿”动作。

可以理解的是，本发明实施例可以通过记忆金属弹簧的轴向变形驱动实现仿蜜蜂六足协同步态，利用简化的机构有效减轻机器人质量，并且本发明实施例的机器人的制造过程简单，可以实现由二维平面到三维空间的折叠，从而简化驱动模式和制造工艺，有效降低爬壁所需能量，体积足够小因而应用范围广泛，且具有很强的可扩展性。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一记忆金属弹簧驱动结构40、第二记忆金属弹簧驱动结构50由第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧 51和第一普通弹簧42、第二普通弹簧52嵌套构成，第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51的外径小于第一普通弹簧42、第二普通弹簧52内径或第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51的内径大于第一普通弹簧42、第二普通弹簧52的外径，实现第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51 与第一普通弹簧42、第二普通弹簧52的间隙配合嵌套。

具体而言，如图3至图6所示，记忆金属弹簧驱动结构的驱动原理为：第一记忆金属弹簧驱动结构40、第二记忆金属弹簧驱动结构50的初态为：在室温条件下，第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51处于拉伸状态，第一普通弹簧42、第二普通弹簧52处于压缩状态，第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51的回复力与第一普通弹簧42、第二普通弹簧52的回复力平衡。加热时，第一记忆金属弹簧驱动结构40、第二记忆金属弹簧驱动结构50会发生如下变化：第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51受热，温度升高，由于第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51受热时会恢复原长的特性，第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51开始收缩恢复，但由于有第一普通弹簧42、第二普通弹簧52的弹力，第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51不能完全回复原长，但与初态相比，第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51伸长量变小，接近原长；而此时第一普通弹簧 42、第二普通弹簧52由于第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51的压力将在原有的压缩状态下继续压缩，压缩量变大，回复力变大；第一记忆金属弹簧驱动结构40、第二记忆金属弹簧驱动结构50整体长度变短，相比于初态发生收缩。停止加热后，待温度恢复至室温：第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51加热特性消失，第一记忆金属弹簧驱动结构40、第二记忆金属弹簧驱动结构50会在第一普通弹簧42、第二普通弹簧52的回复力作用下发生轴向伸长，恢复至初态。综上，第一记忆金属弹簧驱动结构40可以通过对第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51加热与否控制第一记忆金属弹簧驱动结构40的轴向形变，产生驱动力。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一记忆金属弹簧驱动结构40、第二记忆金属弹簧驱动结构50与外置电源(图中未示出)直接连接，通过外置电源直接加热第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51。

可以理解的是：由于第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51本身存在电阻且其电阻值可以选择，在外加电源的作用下，电阻在电流的作用下发热使自身温度升高，达到对第一记忆金属弹簧41、第二记忆金属弹簧51 进行加热的目的，此法控制操作简单，只需控制加热电流的开闭即可。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一横梁状结构11、第二横梁状结构21与左身体板10、右身体板20结构固定连接，且第一横梁状结构 11、第二横梁状结构21之间采用间隙配合，可以通过实现第一横梁状结构 11、第二横梁状结构21的前后相对运动实现左身体板10、右身体板20的前后相对运动。

具体来说，由于第一记忆金属弹簧驱动结构40的两自由端面分别与第一横梁状结构11、第二横梁状结构21固连，在第一记忆金属弹簧驱动结构 40的驱动下，第一横梁状结构11、第二横梁状结构21会跟随第一记忆金属弹簧驱动结构40的两自由端面产生前后相对运动，同时由于第一横梁状结构11、第二横梁状结构21与左身体板10、右身体板20结构固连，从而带动左身体板10、右身体板20发生前后相对运动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述足底结构的细杆312和所述腿部结构32的空洞采用间隙配合，以实现足底板311的上下运动。

具体而言，足部结构30的腿部结构32与左身体板10、右身体板20或是第一横梁状结构11、第二横梁状结构21固连，而足部结构30的足底结构不与左身体板10、右身体板20或是第一横梁状结构11、第二横梁状结构21 固连。足底结构包括足底板311与细杆312，两者固定连接。足底板311与腿部结构32之间用第二记忆金属弹簧驱动机构50连接；足底结构的细杆312 和腿部结构32的空洞322采用间隙配合。

可以理解的是，由于第二记忆金属弹簧驱动结构50的两自由端面分别与足底板311与腿部结构32固连，在第二记忆金属弹簧驱动结构50的驱动下，同时由于腿部结构32与左身体板10、右身体板20或是第一横梁状结构 11、第二横梁状结构21固连，因此足底板311将产生上下运动。

进一步地，在发明的一个实施例中，足底板311附有粘性材料，以便于附着。

可选地，在发明的一个实施例中，机器人的尺寸可以限制在100mm见方的空间内。其中，关于机器人的具体尺寸，本领域的技术人员可以根据实际需求进行设置，在此不做具体限定。

根据本发明实施例提出的记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，可以由两块底板和六条足部组成，并通过记忆金属驱动实现六足协同步态，从而有效减少零部件数量，有效减小了机器人体积和质量需求，大大降低了小型机器人的加工难度和制造成本，进而实现节能、减小体积的目的，有效提高爬壁机器人的实用性和适用性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，包括左身体板、右身体板、横梁状结构、足部结构及记忆金属弹簧驱动结构，所述左身体板与右身体板平行布置；

所述左身体板固定连接有向右伸出的第一横梁状结构，所述第一横梁状结构的伸出端与所述右身体板的底面接触连接；所述右身体板固定连接有向左伸出的第二横梁状结构，所述第二横梁状结构的伸出端与所述左身体板的底面接触连接；

所述第一横梁状结构与第二横梁状结构彼此之间构成活塞式结构，用于执行第一横梁状结构、第二横梁状结构间的前后相互运动，以带动左、右身体板实现前后相互运动；

所述足部结构包括腿部结构和足底结构，所述腿部结构与所述左身体板、右身体板两端以及所述第一横梁状结构、第二横梁状结构的伸出端固定连接，所述足底结构由足底板及与其固定连接的细杆状结构组成，所述细杆状结构与所述腿部结构构成活塞式结构，用于执行足底结构的上下运动；

所述记忆金属弹簧驱动结构由记忆金属弹簧嵌套普通弹簧构成，设于所述活塞式结构，用于驱动左、右身体板发生前后相对运动及驱动所述足部结构发生上下相对运动，以使所述机器人实现三角步态。

2.根据权利要求1所述的记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述第一横梁状结构、第二横梁状结构彼此之间构成的活塞式结构采用杆状结构与套管结构间隙配合方式，通过套装于杆状结构上的所述记忆金属弹簧驱动横梁状结构执行前后相对运动，以实现左、右身体板的前后相对运动。

3.根据权利要求1所述的记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述细杆状结构与所述腿部结构构成的活塞式结构采用所述细杆与腿部结构的空洞间隙配合方式，通过套装于所述细杆上的所述记忆金属弹簧驱动所述足底结构执行上下运动。

4.根据权利要求1所述的记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述记忆金属弹簧的外径小于普通弹簧内径或记忆金属弹簧的内径大于普通弹簧的外径，用于所述记忆金属弹簧与普通弹簧的间隙配合嵌套。

5.根据权利要求1所述的记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述记忆金属弹簧驱动结构与外置电源直接连接，通过外置电源直接加热所述记忆金属弹簧。

6.根据权利要求1所述的记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述足底板附有粘性材料。

7.根据权利要求1至6任一项所述的记忆金属驱动基于蜜蜂三足步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述机器人的尺寸限制在100mm见方的空间内。