CN110588827B - 基于sma驱动的爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于SMA驱动的爬行机器人，涉及软体机器人技术领域，包括腿部结构，腿部结构包括上端盖、下端盖、连接轴、前部SMA弹簧、后部SMA弹簧、上部SMA弹簧和刚性弹簧；上端盖和下端盖相对设置，连接轴的两端分别与上端盖和下端盖通过球铰连接，前部SMA弹簧、后部SMA弹簧、上部SMA弹簧和刚性弹簧的两端分别与上端盖和下端盖固定连接；前部SMA弹簧、后部SMA弹簧、上部SMA弹簧和刚性弹簧之间相互平行设置，前部SMA弹簧、上部SMA弹簧、后部SMA弹簧和刚性弹簧在以下端盖的中心为圆心的圆周上依次设置，还设置有跨越SMA弹簧用于抬高腿部结构。该爬行机器人可实现爬行动作以及跨越障碍物前进，结合本体的柔软化设计，可应用于非结构化的环境中，协助人类工作。

Description

基于SMA驱动的爬行机器人

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，具体为基于SMA驱动的爬行机器人。

背景技术

机器人指能自动执行任务的人造机器装置，靠自身动力和控制能力来实现各种功能，以取代或协助人类工作。传统的机器人通常是采用金属和其他硬质材料制造，装载连接电子仪器和元件，可适用于工业制造、重物运输等各种使用需要，但在应用过程中，传统机器人存在一定的局限性，特别是在一些非结构化的环境，传统的机器人根本无法进入其中，不能协助人类工作。为了能够适应各种非结构化环境，满足复杂运动的使用需要，本领域技术人员正着力于研发和制造一种新型柔韧机器人即软体机器人。软体机器人的本体利用柔软材料制作，一般选用杨氏模量低于人类肌肉的材料，在驱动上一般选用介电弹性体（DE）、离子聚合物金属复合材料（IPMC）、形状记忆合金（SMA）、形状记忆聚合物（SMP）等智能材料，利用电场、压力、磁场、化学反应、光、温度等物理量的变化响应完成软体机器人的动作。目前，随着人类对机器人的要求越来越高，本领域技术人员将更多精力投入到软体机器人的设计研发当中。

发明内容

本发明的目的在提供基于SMA驱动的爬行机器人，其可实现爬行动作以及跨越障碍物前进，结合其本体结构的柔软化设计，可应用于非结构化的环境中，协助人类完成各种工作。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

基于SMA驱动的爬行机器人，包括腿部结构，所述腿部结构包括上端盖、下端盖、连接轴、前部SMA弹簧、后部SMA弹簧、上部SMA弹簧和刚性弹簧；

所述上端盖和下端盖相对设置，所述连接轴的一端与所述上端盖的中心通过球铰连接，其另一端与所述下端盖的中心通过球铰连接，所述前部SMA弹簧、后部SMA弹簧、上部SMA弹簧和刚性弹簧的一端均与所述上端盖固定连接，所述前部SMA弹簧、后部SMA弹簧、上部SMA弹簧和刚性弹簧的另一端均与所述下端盖固定连接；

所述前部SMA弹簧、后部SMA弹簧、上部SMA弹簧和刚性弹簧之间相互平行设置，所述前部SMA弹簧、上部SMA弹簧、后部SMA弹簧和所述刚性弹簧在以所述下端盖的中心为圆心的圆周上依次设置。

进一步的，所述前部SMA弹簧、后部SMA弹簧、上部SMA弹簧和刚性弹簧分别与所述下端盖连接于连接点a、连接点b、连接点c和连接点d，所述下端盖的中心与所述连接点a的连线和其与所述连接点c的连线之间的夹角呈90°，所述下端盖的中心与所述连接点b的连线和其与所述连接点c的连线之间的夹角呈135°，所述下端盖的中心与所述连接点d的连线和其与所述连接点c的连线之间的夹角呈180°。

进一步的，所述下端盖远离所述连接轴的一端可拆卸的连接有橡胶块。

进一步的，还包括机器人本体，所述腿部结构有若干个，若干所述腿部结构对称设置于所述机器人本体的两侧，所述腿部结构通过所述上端盖与所述机器人本体连接。

进一步的，还包括若干跨越SMA弹簧，所述上端盖与所述机器人本体铰接，所述跨越SMA弹簧的两端分别与所述机器人本体和所述上端盖固定连接。

进一步的，所述机器人本体包括顶盖、底板、立柱，所述顶盖和底板通过所述立柱固定连接；

所述上端盖远离所述连接轴的一端固定设置有连接板，所述上端盖的侧面固定设置有连接件，所述连接件与所述顶盖铰接，所述连接板设置于所述顶盖和底板之间，所述跨越SMA弹簧的两端分别与所述底板和所述连接板固定连接。

进一步的，还包括若干刚性复位弹簧，所述刚性复位弹簧的两端分别与所述顶盖和所述连接板固定连接，所述刚性复位弹簧和所述跨越SMA弹簧共线设置。

本发明的有益效果是：

该爬行机器人设置若干腿部结构，该腿部结构中设置有前部SMA弹簧、后部SMA弹簧和上部SMA弹簧，通过控制可实现爬行机器人的前进。腿部结构中还设置刚性弹簧，对结构内部件动作起到限制作用，并可辅助结构复位，提升其运动的稳定性。设置跨越SMA弹簧，可在遇到障碍物时通过跨越SMA弹簧的动作抬高腿部，轻松跨越障碍物。上述设置可应用于任何形状的机器人本体上，实现机器人的前进和跨越障碍物的功能，机器人本体采用柔性材料制作可组装成软体机器人，适用于非结构化环境中，协助人类工作。

附图说明

图1为本发明基于SMA驱动的爬行机器人的结构示意图；

图2为腿部结构的结构示意图；

图3为前部SMA弹簧、后部SMA弹簧、上部SMA弹簧和刚性弹簧分别与下端盖连接的位置示意图；

图4为机器人本体的结构示意图及其与腿部结构的连接关系图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示， 基于SMA驱动的爬行机器人，包括机器人本体200和若干个腿部结构100，若干腿部结构100对称设置于机器人本体200的两侧。

如图2所示，上述腿部结构100包括上端盖101、下端盖102、连接轴103、前部SMA弹簧104、后部SMA弹簧105、上部SMA弹簧106和刚性弹簧107，腿部结构100通过上端盖101与机器人本体200连接。

上端盖101和下端盖102相对设置，连接轴103的一端与上端盖101的中心通过球铰连接，其另一端与下端盖102的中心通过球铰连接，上端盖101和下端盖102均可绕连接轴103自由偏转。前部SMA弹簧104、后部SMA弹簧105、上部SMA弹簧106和刚性弹簧107的一端均与上端盖101固定连接，前部SMA弹簧104、后部SMA弹簧105、上部SMA弹簧106和刚性弹簧107的另一端均与下端盖102固定连接。前部SMA弹簧104、后部SMA弹簧105、上部SMA弹簧106和刚性弹簧107之间相互平行设置，前部SMA弹簧104、上部SMA弹簧106、后部SMA弹簧105和刚性弹簧107在以下端盖102的中心为圆心的圆周上依次设置。在实施时，下端盖102远离连接轴103的一端可拆卸的连接有橡胶块120，作为该爬行机器人的足部，可通过更换不同形状的橡胶块120实现不同环境下的爬行。

该爬行机器人的具体爬行动作如下：

对于腿部结构100而言，其在执行前进动作时，先使上部SMA弹簧106通电收缩，在其拉力作用下将下端盖102拉动偏转，带动足部的橡胶块120向上抬起；其后使前部SMA弹簧104通电收缩，拉动下端盖102以及橡胶块120向前偏转；之后，上部SMA弹簧106失电，在其回弹力和装置的自身重力作用下，足部的橡胶块120落下与地面接触；其后前部SMA弹簧104失电，并在使后部SMA弹簧105通电收缩，拉动下端盖103及橡胶块120向后偏转，因此时橡胶块120与地面接触，在摩擦力作用下可带动机器人向前运动。通过上述过程，可实现腿部结构100的迈腿动作。设置上述刚性弹簧107，对下端盖102的运动范围起到限制作用，同时可在SMA弹簧失电时辅助其复位，保证动作过程的稳定可靠。

对于爬行机器人而言，因设置有若干上述腿部结构，可通过多种控制方式实现其爬行。本实施例中，共设置有四个该腿部结构，具体为在机器人本体200的两侧各设置有两个腿部结构，其分别命名为左前腿、左前腿、右前腿、右后腿。

运动方式一：通过控制先使左前腿向前迈出，其后使右后腿向前迈出，再使右前腿向前迈出，其后使左后腿向前迈出，按上述方式循环执行，实现机器人的爬行动作。该运动方式中，当某一腿部抬起时，很容易造成机器人在这一方向发生倾斜，此时可通过控制其对面错位的另一腿部同时做相应动作，调整机器人的重心，避免倾斜状态。例如，在左前腿抬起过程中，使右后腿的上部SMA弹簧106亦通电收缩，在整个左前腿动作过程中维持右后腿的足部始终与地面接触，保持机器人的平衡。运动方式二：使机器人的左前腿和右前腿同时迈出，其后使左后腿和右后腿同时迈出。运动方式三：使机器人左前腿和左后腿同时迈出，右前腿和右后腿同时迈出。以上两种运动方式下，因腿部同时抬起时缺乏支撑，要求腿部结构动作时，上部SMA弹簧106与前部SMA弹簧104几乎同时动作，方能保证机器人稳定前进。

该腿部结构可安装在任何形状的机器人本体上，机器人本体采用柔性材料制作可组装成软体机器人，适用于非结构化环境中，协助人类工作。

进一步的，前部SMA弹簧104、后部SMA弹簧105、上部SMA弹簧106和刚性弹簧107分别与下端盖102连接于连接点a114、连接点b115、连接点c116和连接点d117。在具体实施时，如图3所示，下端盖102的中心与连接点a114的连线和其与连接点c116的连线之间的夹角呈90°，下端盖102的中心与连接点b115的连线和其与连接点c116的连线之间的夹角呈135°，下端盖102的中心与连接点d117的连线和其与连接点c116的连线之间的夹角呈180°。在上述腿部结构100动作过程中，其前进的动力主要依托于后部SMA弹簧105通电收缩，使其设置为135°，有利于在收缩时增大腿部橡胶块120与地面的摩擦，提供前行动力。

进一步的，为使得该爬行机器人具备跨越障碍物的功能，还设置了若干跨越SMA弹簧204。使上端盖101与机器人本体200铰接，跨越SMA弹簧204的两端分别与机器人本体200和上端盖101固定连接。具体实施时，如图4所示，机器人本体200包括顶盖201、底板202、立柱203，顶盖201和底板202通过立柱203固定连接。上端盖101远离连接轴103的一端固定设置有连接板108，上端盖101的侧面固定设置有连接件109，连接件109与顶盖201铰接，连接板108设置于顶盖201和底板202之间，跨越SMA弹簧204的两端分别与底板202和连接板108固定连接。当机器人新进过程中遇到障碍物时，可使跨越SMA弹簧204通电，拉动连接板108使腿部结构100绕铰接位置转动，进一步抬高腿部，从而跨越障碍物。在具体实施时，还设置有若干刚性复位弹簧205，具体的，每个连接板108远离跨越SMA弹簧204的一侧均设置有一个刚性复位弹簧205。该刚性复位弹簧205的另一端与顶盖201固定连接，其与跨越SMA弹簧204共线设置，位于跨越SMA弹簧204的正对面，用于在完成跨越障碍物的动作后使腿部结构100复位。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.基于SMA驱动的爬行机器人，其特征在于，包括机器人本体（200）和若干个腿部结构（100），若干所述腿部结构（100）对称设置于所述机器人本体（200）的两侧；

所述腿部结构（100）包括上端盖（101）、下端盖（102）、连接轴（103）、前部SMA弹簧（104）、后部SMA弹簧（105）、上部SMA弹簧（106）和刚性弹簧（107）；

所述上端盖（101）和下端盖（102）相对设置，所述连接轴（103）的一端与所述上端盖（101）的中心通过球铰连接，其另一端与所述下端盖（102）的中心通过球铰连接，所述前部SMA弹簧（104）、后部SMA弹簧（105）、上部SMA弹簧（106）和刚性弹簧（107）的一端均与所述上端盖（101）固定连接，所述前部SMA弹簧（104）、后部SMA弹簧（105）、上部SMA弹簧（106）和刚性弹簧（107）的另一端均与所述下端盖（102）固定连接；

所述前部SMA弹簧（104）、后部SMA弹簧（105）、上部SMA弹簧（106）和刚性弹簧（107）之间相互平行设置，所述前部SMA弹簧（104）、上部SMA弹簧（106）、后部SMA弹簧（105）和所述刚性弹簧（107）在以所述下端盖（102）的中心为圆心的圆周上依次设置；

所述机器人本体（200）包括顶盖（201）、底板（202）、立柱（203），所述顶盖（201）和底板（202）通过所述立柱（203）固定连接；

所述上端盖（101）远离所述连接轴（103）的一端固定设置有连接板（108），所述上端盖（101）的侧面固定设置有连接件（109），所述连接件（109）与所述顶盖（201）铰接，所述连接板（108）设置于所述顶盖（201）和底板（202）之间；

还包括若干跨越SMA弹簧（204），所述跨越SMA弹簧（204）的两端分别与所述底板（202）和所述连接板（108）固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于SMA驱动的爬行机器人，其特征在于，还包括若干刚性复位弹簧（205），所述刚性复位弹簧（205）的两端分别与所述顶盖（201）和所述连接板（108）固定连接，所述刚性复位弹簧（205）和所述跨越SMA弹簧（204）共线设置。

3.根据权利要求1所述的基于SMA驱动的爬行机器人，其特征在于，所述前部SMA弹簧（104）、后部SMA弹簧（105）、上部SMA弹簧（106）和刚性弹簧（107）分别与所述下端盖（102）连接于连接点a（114）、连接点b（115）、连接点c（116）和连接点d（117），所述下端盖（102）的中心与所述连接点a（114）的连线和其与所述连接点c（116）的连线之间的夹角呈90°，所述下端盖（102）的中心与所述连接点b（115）的连线和其与所述连接点c（116）的连线之间的夹角呈135°，所述下端盖（102）的中心与所述连接点d（117）的连线和其与所述连接点c（116）的连线之间的夹角呈180°。

4.根据权利要求3所述的基于SMA驱动的爬行机器人，其特征在于，所述下端盖（102）远离所述连接轴（103）的一端可拆卸的连接有橡胶块（120）。

Images