CN110562347B

CN110562347B - 一种基于sma驱动的仿生螳螂

Info

Publication number: CN110562347B
Application number: CN201910760893.2A
Authority: CN
Inventors: 梁威; 吕德稳; 周朋飞; 唐术锋
Original assignee: Inner Mongolia University of Technology
Current assignee: Inner Mongolia University of Technology
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2039-08-16
Also published as: CN110562347A

Abstract

本发明涉及一种基于SMA驱动的仿生螳螂，属于机器人技术领域。该基于SMA驱动的仿生螳螂，其包括驱动机构、后架、支架和弯曲单元体。驱动机构包括第一SMA弹簧组件和第二SMA弹簧组件，第一SMA弹簧组件的一端和后架连接，第一SMA弹簧组件的另一端和第一支撑板连接，支架通过第二支撑板和后架转动连接。弯曲单元体包括第一端盖、第二端盖和转动板，第一端盖和第二端盖相对设置，转动板设置于第一端盖和第二端盖之间。该基于SMA驱动的仿生螳螂通过SMA弹簧组件作为驱动机构，保证了该基于SMA驱动的仿生螳螂具有运行噪音小，控制精准度高的特点，同时，通过后架、支架和弯曲单元作出仿生螳螂腿部的机械结构，使得该仿生螳螂，结构简单，安装简便。

Description

一种基于SMA驱动的仿生螳螂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种基于 SMA 驱动的仿生螳螂。

背景技术

SMA 弹簧是一种记忆弹簧，其利用了形状记忆合金的双程记忆效应，是一种随温度的变化可自行伸缩的感温驱动元件。这种弹簧充分展示了工业用形状记忆合金元件的典型结构形式。Al 记忆合金丝绕制成的，同样利用了形状记忆合金的双程记忆效应，亦是一种随温度的变化可自行伸缩的感温驱动元件。

现如今，各种移动式机器人的运动方式也各不相同，其中足式机器人主要是靠仿生肢节来运动，现有出现的仿生肢节存在结构复杂、重量较重、安装繁琐的缺陷，另外，靠电机驱动仿生肢节动作，还存在噪音大、不易控制等问题。

发明人在研究中发现，现有的相关技术中至少存在以下缺点：结构复杂、运行噪音大、控制精准性不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于 SMA 驱动的仿生螳螂，改善现有技术的不足，通过 SMA 弹簧组件作为驱动机构，保证了该基于 SMA 驱动的仿生螳螂具有运行噪音小，控制精准度高的特点，同时，通过后架、支架和弯曲单元作出仿生螳螂腿部的机械结构，使得该仿生螳螂，结构简单，安装简便，该结构设计合理，实用性强。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明的实施例提供了一种基于 SMA 驱动的仿生螳螂，其包括：驱动机构、后架、支架和弯曲单元体，所述支架包括第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板和所述第二支撑板固定连接或一体成型，所述第一支撑板的一端与第二支撑板连接，且第一支撑板与第二支撑板之间具有小于90°的夹角，所述第一支撑板位于后架的上方；第一 SMA 弹簧组件拉动第一支撑板从而带动第二支撑板绕与后架(11)转动连接点转动；所述驱动机构包括第一 SMA 弹簧组件和第二 SMA 弹簧组件，所述第一 SMA 弹簧组件的一端和所述后架连接，所述第一 SMA 弹簧组件的另一端和所述第一支撑板连接，所述支架通过所述第二支撑板和所述后架转动连接；所述弯曲单元体包括第一端盖、第二端盖和转动板，所述第一端盖和所述第二端盖相对设置，所述转动板设置于所述第一端盖和所述第二端盖之间，且分别和所述第一端盖和所述第二端盖转动连接，所述第二SMA 弹簧组件的一端和所述第一端盖连接，所述第二 SMA 弹簧组件的另一端和所述第二端盖连接，所述弯曲单元体和所述支架连接。

具体的，该基于 SMA 驱动的仿生螳螂通过 SMA 弹簧组件作为驱动机构，保证了该基于 SMA 驱动的仿生螳螂具有运行噪音小，控制精准度高的特点，同时，通过后架、支架和弯曲单元作出仿生螳螂腿部的机械结构，使得该仿生螳螂，结构简单，安装简便，该结构设计合理，实用性强。

可选的，所述第二 SMA 弹簧组件包括设置于所述转动板两侧的两组

SMA 弹簧，所述 SMA 弹簧的两端分别与第一端盖和第二端盖连接，两组所述 SMA弹簧被设置用于控制所述第一端盖和所述第二端盖的相对转动方向。

具体的，第二 SMA 弹簧组件包括设置于转动板两侧的两组 SMA 弹簧，从而可以保证转动板两侧均能通过伸缩来调整第一端盖和第二端盖的相对位置，提高了该弯曲单元体的弯曲精度，从而保证了该 SMA 驱动的仿生螳螂的仿生精准性。

可选的，两组所述 SMA 弹簧相对于所述转动板对称设置。

具体的，对称设置的两组 SMA 弹簧，能够提高转动板两侧的弯曲角度，从而扩大弯曲精度。

可选的，所述弯曲单元体还包括防滑帽，所述防滑帽为半球状，所述防滑帽和所述第二端盖远离所述转动板的一侧连接。

具体的，防滑帽的设置可以使得该 SMA 驱动的仿生螳螂和平面接触时，具有良好的接触张力，在起到防滑作用的同时，保证了该装置的稳定运行。

可选的，所述防滑帽上设置有卡槽，所述第二端盖远离所述转动板的一侧设置有卡块，所述卡槽和所述卡块相互适配，所述防滑帽和所述第二端盖相互卡接。

具体的，设置卡槽和卡块的结构形式，可以使得第一端盖和第二端盖能够紧密连接，同时卡接的结构形式具有结构简单，安装便捷的优点，能够减少该装置的复杂性。

可选的，所述防滑帽为橡胶材料。

具体的，橡胶材料具有高弹性的特点，其弹性模量低，伸长变形大，有可恢复的变形，并能在很宽的温度范围内保持弹性，同时橡胶材料具备良好的电绝缘性和防滑性能，能够使得该防滑帽适用于不同的工作环境。

可选的，所述第二支撑板远离后架的一端设置有连接板，所述连接板和所述第一端盖卡接。

可选的，所述第二支撑板靠近后架的一端设置有连接轴，所述后架靠近所述第二支撑板的一侧设置有轴套，所述轴套和所述连接轴适配。

具体的，通过设置连接轴和轴套，可以使得后架和第二支撑板铰接，其具有结构简单的同时具备良好的转动能力，能够保证该装置的转动精准性。

可选的，所述第一 SMA 弹簧组件包括至少两根互相围绕设置的 SMA 弹簧。

具体的，第一 SMA 弹簧组件包括至少两根互相围绕设置的 SMA 弹簧，其能够保证 SMA 弹簧作为驱动机构起到驱动后架和支架相对运动的同时，提高第一 SMA 弹簧组件的牢固性，提高该装置的使用效果和使用寿命。

可选的，所述轴套内设置有扭簧，以加快所述第一 SMA 弹簧组件的回复速度。

具体的，扭簧的设置可以加快 SMA 弹簧的回复速度，同时增大橡胶外帽与地面的摩檫力，以免运动过程中打滑。

与现有的技术相比，本发明实施例的有益效果包括，例如：该基于 SMA 驱动的仿生螳螂通过 SMA 弹簧组件作为驱动机构，保证了该基于 SMA 驱动的仿生螳螂具有运行噪音小，控制精准度高的特点，同时，通过后架、支架和弯曲单元作出仿生螳螂腿部的机械结构，使得该仿生螳螂，结构简单，安装简便，该结构设计合理，实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的基于 SMA 驱动的仿生螳螂的结构示意图；图2为本发明实施例提供的弯曲单元体的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的第一端盖的结构示意图；图4为本发明实施例提供的第二端盖的结构示意图；图5为本发明实施例提供的防滑帽的结构示意图；图6为本发明实施例提供的支架的结构示意图。

图标：100-基于 SMA 驱动的仿生螳螂；10-驱动机构；101-第一 SMA 弹簧组件；102-第二 SMA 弹簧组件；11-后架；111-轴套；112-扭簧； 12-支架；121-第一支撑板；122-第二支撑板；1221-连接板；1222-连接轴；13-弯曲单元体；131-第一端盖；132-第二端盖；133-转动板； 134-防滑帽；135-卡槽；136-卡块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，“垂直”等术语并不表示要求部件之间绝对垂直，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体

情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

图 1 为本发明实施例提供的基于 SMA 驱动的仿生螳螂 100 的结构示意图，请参照图 1，一种基于 SMA 驱动的仿生螳螂 100 包括驱动机构 10、后架 11、支架 12 和弯曲单元体 13，所述支架 12 包括第一支撑板 121 和第二支撑板 122，所述第一支撑板121 和所述第二支撑板 122 固定连接或一体成型，所述第一支撑板121的一端与第二支撑板122连接，且第一支撑板121与第二支撑板122之间具有小于90°的夹角，所述第一支撑板121位于后架11的上方；第一 SMA 弹簧组件101拉动第一支撑板121从而带动第二支撑板122绕与后架11转动连接点转动；所述驱动机构 10 包括第一 SMA 弹簧组件 101 和第二SMA 弹簧组件102，所述第一 SMA 弹簧组件 101 的一端和所述后架 11 连接，所述第一SMA 弹簧组件 101 的另一端和所述第一支撑板 121 连接，所述支架 12 通过所述第二支撑板 122 和所述后架 11 转动连接；所述弯曲单元体 13 包括第一端盖 131、第二端盖132 和转动板 133，所述第一端盖 131 和所述第二端盖 132 相对设置，所述转动板 133设置于所述第一端盖 131 和所述第二端盖 132 之间，且分别和所述第一端盖131 和所述第二端盖 132 转动连接，所述第二 SMA 弹簧组件 102 的一端和所述第一端盖 131 连接，所述第二 SMA 弹簧组件 102 的另一端和所述第二端盖 132 连接，所述弯曲单元体13 和所述支架 12 连接。

值得说明的是，该基于 SMA 驱动的仿生螳螂 100 通过 SMA 弹簧组件作为驱动机构 10，保证了该基于 SMA 驱动的仿生螳螂 100 具有运行噪音小，控制精准度高的特点，同时，通过后架 11、支架 12 和弯曲单元作出仿生螳螂腿部的机械结构，使得该仿生螳螂，结构简单，安装简便，该结构设计合理，实用性强。

请再次参照图 1，所述第一 SMA 弹簧组件 101 包括至少两根互相围绕设置的SMA 弹簧。

值得说明的是，第一 SMA 弹簧组件 101 包括至少两根互相围绕设置的 SMA 弹簧，其能够保证 SMA 弹簧作为驱动机构 10 起到驱动后架 11 和支架 12 相对运动的同时，提高第一 SMA 弹簧组件 101 的牢固性，提高该装置的使用效果和使用寿命。

请再次参照图 1，所述轴套 111 内设置有扭簧 112，以加快所述第一 SMA 弹簧组件 101 的回复速度。

值得说明的是，在本实施例中设置扭簧 112 能够加快 SMA 弹簧的回复速度，增大防滑帽 134 与地面的摩檫力，以免运动过程中打滑。同时能够增加越障性能，前侧的弯曲单元体 13 可以通过抬起越障，后架 11的越障可通过扭簧 112 实现，对模块化后的越障能起到铺垫作用。图2为本发明实施例提供的弯曲单元体13的结构示意图。

请参照图 1 和图 2，所述第二 SMA 弹簧组件 102 包括设置于所述转动板 133两侧的两组 SMA 弹簧，所述 SMA 弹簧的两端分别与第一端盖 131 和第二端盖 132 连接，两组所述 SMA 弹簧被设置用于控制所述第一端盖131 和所述第二端盖 132 的相对转动方向。

值得说明的是，第二 SMA 弹簧组件 102 包括设置于转动板 133 两侧的两组SMA 弹簧，从而可以保证转动板 133 两侧均能通过伸缩来调整第一端盖 131 和第二端盖132 的相对位置，提高了该弯曲单元体 13 的弯曲精度，从而保证了该 SMA 驱动的仿生螳螂的仿生精准性。

还值得说明的是，在本实施例中，第二 SMA 弹簧组件 102 中靠近第一 SMA 弹簧组件 101 的一组 SMA 弹簧被设置用于使弯曲单元体 13 翻转，进行越障。

请再次参照图 1 和图 2，两组所述 SMA 弹簧相对于所述转动板 133 对称设置。

值得说明的是，对称设置的两组 SMA 弹簧，能够提高转动板 133 两侧的弯曲角度，从而扩大弯曲精度。

图3为本发明实施例提供的第一端盖131的结构示意图。图4为本发明实施例提供的第二端盖132的结构示意图。

请参照图 1、图 3 和图 4，所述弯曲单元体 13 包括第一端盖 131、第二端盖132 和转动板 133，所述第一端盖 131 和所述第二端盖 132 相对设置，所述转动板 133设置于所述第一端盖 131 和所述第二端盖 132之间，且分别和所述第一端盖 131 和所述第二端盖 132 转动连接，所述第二 SMA 弹簧组件 102 的一端和所述第一端盖 131 连接，所述第二 SMA 弹簧组件 102 的另一端和所述第二端盖 132 连接，所述弯曲单元体13和所述支架 12 连接。

图5为本发明实施例提供的防滑帽134的结构示意图。

请参照图 1 和图 5，所述弯曲单元体 13 还包括防滑帽 134，所述防滑帽 134为半球状，所述防滑帽 134 和所述第二端盖 132 远离所述转动板 133 的一侧连接。

值得说明的是，防滑帽 134 的设置可以使得该 SMA 驱动的仿生螳螂和平面接触时，具有良好的接触张力，在起到防滑作用的同时，保证了该装置的稳定运行。

请参照图 4 和图 5，所述防滑帽 134 上设置有卡槽 135，所述第二端盖 132 远离所述转动板 133 的一侧设置有卡块 136，所述卡槽 135 和所述卡块 136 相互适配，所述防滑帽 134 和所述第二端盖 132 相互卡接。

值得说明的是，设置卡槽 135 和卡块 136 的结构形式，可以使得第一端盖 131和第二端盖 132 能够紧密连接，同时卡接的结构形式具有结构简单，安装便捷的优点，能够减少该装置的复杂性。

还值得说明的是，在本实施例中，所述防滑帽 134 为橡胶材料。橡胶材料具有高弹性的特点，其弹性模量低，伸长变形大，有可恢复的变形，并能在很宽的温度范围内保持弹性，同时橡胶材料具备良好的电绝缘性和防滑性能，能够使得该防滑帽 134 适用于不同的工作环境。可以理解的是，根据具体实施环境的不同，防滑帽 134 也可以采用别的材料，以达到具有可恢复的弹性形变且防滑的目的，本实施例并不对防滑帽134 具体材料进行限定，仅仅是对其材料的一种举例说明。图6为本发明实施例提供的支架12的结构示意图。

请参照图 1 和图 6，所述第二支撑板 122 远离后架 11 的一端设置有连接板1221，所述连接板 1221 和所述第一端盖 131 卡接。

所述第二支撑板 122 靠近后架 11 的一端设置有连接轴 1222，所述后架 11 靠近所述第二支撑板 122 的一侧设置有轴套 111，所述轴套 111和所述连接轴 1222 适配。

值得说明的是，通过设置连接轴 1222 和轴套 111，可以使得后架11 和第二支撑板122 铰接，其具有结构简单的同时具备良好的转动能力，能够保证该装置的转动精准性。

请参照图 1-图 6，值得说明的是，该基于 SMA 驱动的仿生螳螂 100 可通过磁铁等方式连接在一起组成仿生机器人，该基于 SMA 驱动的仿生螳螂 100 可作为模块化的结构和不同部件进行组装，其模块化的结构形式具有运动稳定、承载能力大、越障能力强等优点

综上所述，本发明提供一种基于 SMA 驱动的仿生螳螂 100，其包括驱动机构 10、后架 11、支架 12 和弯曲单元体 13。支架 12 包括第一支撑板 121 和第二支撑板 122，第一支撑板 121 和第二支撑板 122 固定连接或一体成型。驱动机构 10 包括第一 SMA弹簧组件 101 和第二 SMA 弹簧组件 102，第一 SMA 弹簧组件 101 的一端和后架 11 连接，第一 SMA 弹簧组件 101 的另一端和第一支撑板 121 连接，支架 12 通过第二支撑板122 和后架 11 转动连接。弯曲单元体 13 包括第一端盖 131、第二端盖132 和转动板133，第一端盖 131 和第二端盖 132 相对设置，转动板 133设置于第一端盖 131 和第二端盖 132 之间，且分别和第一端盖 131 和第二端盖 132 转动连接，第二 SMA 弹簧组件102 的一端和第一端盖 131 连接，第二 SMA 弹簧组件 102 的另一端和第二端盖 132 连接，弯曲单元体13 和支架 12 连接。该基于 SMA 驱动的仿生螳螂 100 通过 SMA 弹簧组件作为驱动机构 10，保证了该基于 SMA 驱动的仿生螳螂 100 具有运行噪音小，控制精准度高的特点，同时，通过后架 11、支架 12 和弯曲单元作出仿生螳螂腿部的机械结构，使得该仿生螳螂，结构简单，安装简便，该结构设计合理，实用性强。

该基于 SMA 驱动的仿生螳螂 100 的运动方式为：第一 SMA 弹簧组件101 通电收缩后通过支架 12 带动弯曲单元体 13 脱离地面，脱离地面后立即将第一弹簧组件 101断电，并同时将转动板 133 前侧的第二 SMA 弹簧组件 102 通电使其弯曲，此时 111 处扭簧加快第一 SMA 弹簧的回复速度，当橡胶外帽接触到地面时，立即将 133 前侧弹簧断电，并同时将这两组弹簧组件断电后将转动板 133 后侧的第二 SMA 弹簧组件 102 通电使机器人向前爬行。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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

1.一种基于 SMA 驱动的仿生螳螂，其特征在于，包括驱动机构(10)、后架(11)、支架(12)和弯曲单元体(13)，所述支架(12)包括第一支撑板(121)和第二支撑板(122)，所述第一支撑板(121)和所述第二支撑板(122)固定连接或一体成型，所述第一支撑板(121)的一端与第二支撑板(122)连接，且第一支撑板(121)与第二支撑板(122)之间具有小于90°的夹角，所述第一支撑板(121)位于后架(11)的上方；

所述驱动机构(10)包括第一 SMA 弹簧组件(101)和第二 SMA 弹簧组件(102)，所述第一 SMA 弹簧组件(101)的一端和所述后架(11)连接，所述第一 SMA 弹簧组件(101)的另一端和所述第一支撑板(121)连接，所述支架(12)通过所述第二支撑板(122)和所述后架(11)转动连接；第一 SMA 弹簧组件(101)拉动第一支撑板(121)从而带动第二支撑板(122)绕与后架(11)转动连接点转动；

所述弯曲单元体(13)包括第一端盖(131)、第二端盖(132)和转动板(133)，所述第一端盖(131)和所述第二端盖(132)相对设置，所述转动板(133)设置于所述第一端盖(131)和所述第二端盖(132)之间，且分别和所述第一端盖(131)和所述第二端盖(132)转动连接，所述第二 SMA 弹簧组件(102)的一端和所述第一端盖(131)连接，所述第二 SMA 弹簧组件(102)的另一端和所述第二端盖(132)连接，所述第二支撑板(122)远离后架(11)的一端设置有连接板(1221)，所述连接板(1221)和所述第一端盖(131)卡接。

2.根据权利要求 1 所述的基于 SMA 驱动的仿生螳螂，其特征在于，所述第二 SMA弹簧组件(102)包括设置于所述转动板(133)两侧的两组SMA 弹簧，所述 SMA 弹簧的两端分别与第一端盖(131)和第二端盖(132) 连接，两组所述 SMA 弹簧被设置用于控制所述第一端盖(131)和所述第二端盖(132)的相对转动方向。

3.根据权利要求 2 所述的基于 SMA 驱动的仿生螳螂，其特征在于，两组所述 SMA弹簧相对于所述转动板(133)对称设置。

4.根据权利要求 1 所述的基于 SMA 驱动的仿生螳螂，其特征在于，所述弯曲单元体(13)还包括防滑帽(134)，所述防滑帽(134)为半球状，所述防滑帽(134)和所述第二端盖(132)远离所述转动板(133)的一侧连接。

5.根据权利要求 4 所述的基于 SMA 驱动的仿生螳螂，其特征在于，所述防滑帽(134)上设置有卡槽(135)，所述第二端盖(132)远离所述转动板(133)的一侧设置有卡块，所述卡槽(135)和所述卡块相互适配，所述防滑帽(134)和所述第二端盖(132)相互卡接。

6.根据权利要求 4 所述的基于 SMA 驱动的仿生螳螂，其特征在于，所述防滑帽(134)为橡胶材料。

7.根据权利要求 1所述的基于 SMA 驱动的仿生螳螂，其特征在于，所述第二支撑板(122)靠近后架(11)的一端设置有连接轴(1222)，所述后架(11)靠近所述第二支撑板(122)的一侧设置有轴套(111)，所述轴套(111)和所述连接轴(1222)适配。

8.根据权利要求 1 所述的基于 SMA 驱动的仿生螳螂，其特征在于，所述第一 SMA弹簧组件(101)包括至少两根互相围绕设置的 SMA 弹簧。

9.根据权利要求7 所述的基于 SMA 驱动的仿生螳螂，其特征在于，所述轴套(111)内设置有扭簧(112)，以加快所述第一 SMA 弹簧组件(101)的回复速度。