CN110523979A - 一种基于4d打印技术的蜘蛛爬行机器人 - Google Patents

一种基于4d打印技术的蜘蛛爬行机器人 Download PDF

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甘杰
文世峰
段隆臣
陈道兵
史玉升
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Abstract

本发明公开了一种基于4D打印技术的蜘蛛爬行机器人的方法，将镍钛形状记忆合金3D打印成机械腿。该一种基于记忆合金3D打印的仿生机械腿的伸展和弯曲是由于记忆合金本身所具有的物性作用完成的，无繁琐的机械机构，并且可以由主体内的电路控制系统控制，具有简洁、高效、高机动性、智能化等特点；同时本发明所述的一种基于记忆合金3D打印的仿生机械腿是根据生物体蜘蛛仿生而来，具有推进、平衡、爬行的作用；而且本发明能够自动控制伸展和弯曲，其自动伸展和弯曲是由于记忆合金所具有的形状记忆功能实现的。本发明所述的一种基于3D打印技术的镍钛形状记忆合金仿生机械腿具有质轻便捷、响应速度快、智能化等特点。

Description

一种基于4D打印技术的蜘蛛爬行机器人
技术领域
本发明属于4D打印技术领域，更具体地，涉及一种基于4D打印技术的蜘蛛爬行机器人。
背景技术
随着科学技术的不断进步，人类在生活、生产中逐渐向人工智能化迈进，最近几年来，得益于计算机的高速发展，机器人技术发展迅猛，各式各样的机器人已然成为人们生活生产中不可或缺的一部分，我们的生活生产活动也因为机器人的协助变得更加高效。蜘蛛爬行机器人作为机器人的一个重要分支，由于其出色的运动能力及在复杂特殊环境中优良的协调性，逐渐被人们用于执行高空作业、消防救援、高危巡检、地形勘测以及废墟搜救等领域的多种任务。
目前，蜘蛛爬行机器人的机械腿主要由多个舵机交替拼接而成，通过单片机来控制舵机工作以实现对机械腿的控制，但由于其结构复杂、零部件多，使得机器人整体重量增加且反应速度不够迅速，同时加工较为困难，阻碍了其进一步的发展。
因此，适用于机械腿的新材料与加工方法亟待探寻，镍钛形状记忆合金以及3D打印技术的出现为解决上诉问题提供了良好的契机，镍钛智能材料在热驱动作用下，有非常好的双程形状记忆效应，且响应速度快，将其直接应用作为蜘蛛爬行机器人的机械退材料，可省去其他多余部件，极大减轻机器人整体重量；3D打印可精确成形任意具有复杂结构的零部件，此优势可解决爬行机器人复杂结构难以制件的问题，镍钛智能材料与3D打印技术的结合，为制备基于4D打印技术的爬行机器人提供了新方法、新思路。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于4D打印技术的蜘蛛爬行机器人。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于3D打印技术成形蜘蛛爬行机器人机械腿的制备方法，将镍钛形状记忆合金3D打印成机械腿。
优选的，所述镍钛合金的成分为镍钛原子比近1:1，且镍质量分数为54～56％，而且其余量为钛，并含有少量杂质。
优选的，所述打印方法为选区激光熔化，工艺参数为：
激光功率150～250W；
扫描速度1000～1400mm/s；
层厚30～40μm；
扫描间距80～120μm。
优选的，所述蜘蛛爬行机器人主要由主体部分和执行部分组成，且其中主体部分包含电路控制系统，而且执行部分包含3D打印形状记忆合金仿生机械腿以及电阻丝。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述的一种基于记忆合金3D打印的仿生机械腿的伸展和弯曲是由于记忆合金本身所具有的物性作用完成的，无繁琐的机械机构，并且可以由主体内的电路控制系统控制，具有简洁、高效、高机动性、智能化等特点；
2、本发明所述的一种基于记忆合金3D打印的仿生机械腿是根据生物体蜘蛛仿生而来，具有推进、平衡、爬行的作用；
3、本发明所述的一种基于3D打印技术的镍钛形状记忆合金仿生机械腿能够自动控制伸展和弯曲。其自动伸展和弯曲是由于记忆合金所具有的形状记忆功能实现的。本发明所述的一种基于3D打印技术的镍钛形状记忆合金仿生机械腿具有质轻便捷、响应速度快、智能化等特点；
4、本发明所述的一种基于4D打印技术的蜘蛛爬行机器人的原理为：位于主体内部的电路控制系统将适量电流注入3D打印形状记忆合金仿生机械腿内部的电阻丝中产生热量，3D打印形状记忆合金仿生机械腿材料在温度的作用下发生马氏体相变，从而实现仿生机械腿智能化可控伸展和弯曲。
附图说明
图1为本发明的立体结构图；
图2为本发明执行部分立体结构示意图；
图3为本发明的弯曲状态结构示意图；
图4为本发明的伸展状态结构示意图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参阅图1-4，一种基于4D打印技术的蜘蛛爬行机器人的方法，将镍钛形状记忆合金3D打印成机械腿。
优选的，所述镍钛合金的成分为镍钛原子比近1:1，且镍质量分数为54～56％，而且其余量为钛，并含有少量杂质。
优选的，所述打印方法为选区激光熔化，工艺参数为：
激光功率150～250W；
扫描速度1000～1400mm/s；
层厚30～40μm；
扫描间距80～120μm。
优选的，所述蜘蛛爬行机器人主要由主体部分和执行部分组成，且其中主体部分包含电路控制系统，而且执行部分包含3D打印形状记忆合金仿生机械腿以及电阻丝。
参阅1-2，本发明由主体部分、执行部分组成，其中主体部分包含电路控制系统，执行部分包含3D打印形状记忆合金仿生机械腿以及电阻丝；
本发明首先运用3D打印机将双程记忆NiTi合金打印成仿生机械腿，其低温状态为弯曲态，然后在电阻丝产热高温状态下，通过记忆性能使其伸展，此时仿生机械腿为展开状态，机械腿与地面相互作用即可实现机器人的爬行动作。
参阅图3-4，当主体部分内部的电路控制系统将电流注入3D打印形状记忆合金仿生机械腿内的电阻丝中，电阻丝产生热量，高温使得3D打印形状记忆合金仿生机械腿记忆高温时形状，伸展开来，此时机械腿呈展开状态；
此时，若主体部内部的电路控制系统将电流断开，3D打印形状记忆合金仿生机械腿内的电阻丝不再产热，温度降低使得3D打印形状记忆合金仿生机械腿记忆低温时形状，此时仿生机械腿呈弯曲状态。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (4)

1.一种基于4D打印技术的蜘蛛爬行机器人的方法，其特征在于：将镍钛形状记忆合金3D打印成机械腿。
2.根据权利要求1所述的一种基于4D打印技术的蜘蛛爬行机器人的方法，其特征在于，所述镍钛合金的成分为镍钛原子比近1:1，且镍质量分数为54～56％，而且其余量为钛，并含有少量杂质。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于4D打印技术的蜘蛛爬行机器人的方法，其特征在于，所述打印方法为选区激光熔化，工艺参数为：
激光功率150～250W；
扫描速度1000～1400mm/s；
层厚30～40μm；
扫描间距80～120μm。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于4D打印技术的蜘蛛爬行机器人的方法，其特征在于，所述蜘蛛爬行机器人主要由主体部分和执行部分组成，且其中主体部分包含电路控制系统，而且执行部分包含3D打印形状记忆合金仿生机械腿以及电阻丝。
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