CN110587619A - 一种基于温度驱动的4d打印机器人 - Google Patents

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刘洋
周燕
陈柯宇
王冲
陈道兵
胡辉
史玉升
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    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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Abstract

本发明属于机器人领域，并公开了一种基于温度驱动的4D打印机器人。该机器人包括机器人本体和设置在机器人本体四周的驱动脚，其中，驱动脚的中心贯穿设置有液体介质管道，该管道中设置有液体介质，机器人本体中设置有温度控制单元，该温度控制单元用于实时调节管道中液体介质的温度，驱动脚采用形状记忆合金材料，当液体介质的温度发生改变时，驱动脚根据温度变化发生形变，以此改变驱动脚的形态，进而使得机器人本体发生移动。通过本发明，在无需借助外力的情况下即可根据需求实现机器人的向左或者向右行走，具有结构简单、爬行机构效率较高、适用智能化控制、多自由度行走等特点。

Description

一种基于温度驱动的4D打印机器人
技术领域
本发明属于机器人领域，更具体地，涉及一种基于温度驱动的4D打印机器人。
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。小型爬行软体机器是一种可以沿着管道内部或者在狭小地形自动行走的一种操作机器，这种机器可以代替人类对狭小地形进行检测，能在各种复杂管道环境中，进行诊断和检测，因而广泛的而应用于管道损伤检测，地质考察，地震后生命勘探等方面。目前传统的小型爬行机器主要由刚体和关节组成，他们可以快速的完成爬行动作，然而，他们也有着一些劣势。
除此之外，目前已有的利用形状记忆合金丝驱动的爬行软体机器，大多数是利用接线通电加热形状记忆合金丝，这种通电加热方法有以下缺点，其一是通电线路复杂，其二，电源耗尽后，更换电源较为麻烦。次之，直接让形状记忆合金丝与空气换热，由于空气的导热系数比较低，所以形状记忆合金丝无法实现快速散热，因而使得该爬行机构效率较低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于温度驱动的4D打印机器人，其通过采用具有形状记忆功能的机器人本体，及对其驱动脚中设置液体介质管道，通过改变液态介质的温度使得驱动脚感应温度的变化，以此改变驱动脚的形态实现机器人的移动，可通过实时调控温度调节管道的温度，进而实现本体进行前进或者后退，在无需借助外力的情况下即可根据需求实现机器人的向左或者向右行走，具有结构简单、爬行机构效率较高、适用智能化控制、多自由度行走等特点。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于温度驱动的4D打印机器人，该机器人包括机器人本体和设置在机器人本体四周的驱动脚，其中，所述驱动脚的中心贯穿设置有液体介质管道，该管道中设置有液体介质，所述机器人本体中设置有温度控制单元，该温度控制单元用于实时调节所述管道中液体介质的温度，所述驱动脚采用形状记忆合金材料，当所述液体介质的温度发生改变时，所述驱动脚根据温度变化发生形变，以此改变所述驱动脚的形态，进而使得所述机器人本体发生移动。
进一步优选地，所述驱动脚采用的记忆合金材料为镍钛合金，所述镍钛合金中镍的质量分数为50％～60％。
进一步优选地，所述驱动脚采用4D打印的方法成形。
进一步优选地，所述4D打印中激光功率为150W～250W，扫描速度为1000mm/s～1400mm/s，层厚设置为30μm～40μm，扫描间距为80μm～120μm。
进一步优选地，所述温度控制单元中设置有温度传感器，用于实时检测所述管道中液体介质的温度。
进一步优选地，所述管道中液体介质的温度的变化范围为0℃～90℃。
进一步优选地，所述驱动脚的数量不少于4。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过采用具有形状记忆功能的机器人本体，及对其驱动脚中设置液体介质管道，通过改变液态介质的温度使得驱动脚感应温度的变化，以此改变驱动脚的形态实现机器人的移动，可通过实时调控温度调节管道的温度，进而实现本体进行前进或者后退，在无需借助外力的情况下即可根据需求实现机器人的向左或者向右行走，具有结构简单、爬行机构效率较高、适用智能化控制、多自由度行走等特点；
2、本发明采用的驱动脚的形式结构简单，且制备方法简单，制造成本低，应用面广，其中，通过改变驱动脚的数量，可以实现机器人的平移，旋转等多项运动。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于温度驱动的4D打印机器人的俯视图结构示意图；
图2是是按照本发明的优选实施例所构建的基于温度驱动的4D打印机器人的侧视图结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的驱动脚结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的基于温度驱动的4D打印机器人移动时的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-机器人本体，2-驱动脚，3-管道。
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。
如图1所示，一种基于温度驱动的4D打印机器人，该机器人包括机器人本体1和设置在机器人本体四周的驱动脚2，其中，
如图3所示，所述驱动脚2的中心贯穿设置有液体介质管道3，该管道3中设置有液体介质，所述机器人本体1中设置有温度控制单元，该温度控制单元用于实时调节所述管道中液体介质的温度，所述驱动脚2采用形状记忆合金材料，当所述液体介质的温度发生改变时，所述驱动脚2根据温度变化发生形变，以此改变所述驱动脚的形态，进而使得所述机器人本体1发生移动。
如图2所示，驱动脚2包括前后的驱动脚A和B，通过前后驱动脚的配合实现机器人本体的移动，驱动脚均采用形状记忆合金的材料、液体介质管道3，沿驱动脚的轴向设置，管道3中充入有液体介质；
温度控制单元设于机器人主体1上，用于根据机器人本体向前或向后的需求，实时调节温度调节管道温度，以实现所述机器人主体1前进或者后退。机器人本体和驱动脚均采用4D打印设备打印而成的形状记忆合金。所述形状记忆合金为镍钛合金，所述镍钛合金中镍的质量分数为50％～60％。
基于温度驱动的4D打印机器人的成型方法，包括以下步骤：
S11将驱动脚三维模型转化有层片信息的STL格式文件，然后将该STL格式文件导入4D打印设备；
S12 4D打印设备根据层片信息对驱动脚三维模型切片处理，并获取所有切片截面轮廓的图像二维数据；
S13设置所述4D打印设备的打印参数，并在该打印参数下，根据切片截面轮廓的图像二维数据，采用具有形状记忆功能的材料进行分层打印，且在打印的同时，采用紫外光照射已打印好的部位，直至完成所有切片的打印。
进一步的，步骤S13中，所述4D打印设备的打印参数设置为：激光功率150W～250W，扫描速度1000mm/s～1400mm/s，层厚30μm～40μm，扫描间距80μm～120μm。
如图4所示，在使得驱动脚能带动机器人本体移动的过程中，需对驱动脚进行前进或者后退的训练，使其具有双程记忆效应，以获取具有记忆功能的驱动脚本体。具体地包括如下步骤：
S21向管道3内注入0℃～30℃的水，对驱动脚施加第一外力，使其沿预定的发生伸展，驱动脚伸长，然后撤去第一外力；
S22向管道3内注入60℃～90℃的水，对固定为前进形状的驱动脚施加第二外力，使其弯曲，驱动脚收缩，然后撤去第二外力；
S23重复S21和S22约3～8次，直至所述驱动脚具有双程记忆效应，以获取具有记忆功能的驱动脚。
机器人不止可以左右行走，还可以前后行走，如果安装更多的驱动脚，机器人可以实现360°行走。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于温度驱动的4D打印机器人，其特征在于，该机器人包括机器人本体(1)和设置在机器人本体四周的驱动脚(2)，其中，
所述驱动脚(2)的中心贯穿设置有液体介质管道(3)，该管道中设置有液体介质，所述机器人本体(1)中设置有温度控制单元，该温度控制单元用于实时调节所述管道中液体介质的温度，所述驱动脚(2)采用形状记忆合金材料，当所述液体介质的温度发生改变时，所述驱动脚(2)根据温度变化发生形变，以此改变所述驱动脚的形态，进而使得所述机器人本体(1)发生移动。
2.如权利要求1所述的一种基于温度驱动的4D打印机器人，其特征在于，所述驱动脚(2)采用的记忆合金材料为镍钛合金，所述镍钛合金中镍的质量分数为50％～60％。
3.如权利要求1或2所述的一种基于温度驱动的4D打印机器人，其特征在于，所述驱动脚(2)采用4D打印的方法成形。
4.如权利要求3所述的一种基于温度驱动的4D打印机器人，其特征在于，所述4D打印中激光功率为150W～250W，扫描速度为1000mm/s～1400mm/s，层厚设置为30μm～40μm，扫描间距为80μm～120μm。
5.如权利要求1任一项所述的一种基于温度驱动的4D打印机器人，其特征在于，所述温度控制单元中设置有温度传感器，用于实时检测所述管道中液体介质的温度。
6.如权利要求1所述的一种基于温度驱动的4D打印机器人，其特征在于，所述管道(3)中液体介质的温度的变化范围为0℃～90℃。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于温度驱动的4D打印机器人，其特征在于，所述驱动脚(2)的数量不少于4。
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