CN110605737B - 基于sma驱动的弯曲单元体的内部支撑组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于SMA驱动的弯曲单元体的内部支撑组件，涉及软体机器人技术领域，包括支撑件、两个球铰装置和两个关节端盖，两个关节端盖分别设置于支撑件的两端；关节端盖包括端板和连接轴，连接轴的一端与端板固定连接，连接轴的另一端与支撑件的一端通过球铰装置连接；支撑件的两端均固定设置有若干弹簧钢板，若干弹簧钢板以连接轴的轴心为中心均布设置，弹簧钢板远离支撑件的一端靠近端板设置。其能作为机器人运动关节的基本单元，在驱动机构的作用下完成多角度的运动，尤其是与介电弹性体(DE)、形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)等智能驱动材料组合可形成能任意角度弯曲的软体机器人运动单元，其结构简单、零部件少、占用空间小，故障率低且处理容易。

Description

基于SMA驱动的弯曲单元体的内部支撑组件
技术领域
本发明涉及软体机器人技术领域，具体为基于SMA驱动的弯曲单元体的内部支撑组件。
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。在机器人本体上通常设置多个运动副，通过不同的运动组合，形成不同的运动关节，使机器人完成不同的动作过程。传统机器人中的运动副主要包括移动副和转动副，其运动关节处的复杂运动往往由多个移动副和传动副的运动合成，对于一些需要多角度弯曲的运动关节，其设计困难、结构复杂、零部件多、占用空间大，且故障率高、故障处理繁琐。
随着机器人技术的发展，产生了软体机器人这一新型机器人，其能够适应各种非结构化环境，与人类的交互也更安全。软体机器人的本体利用柔软材料制作，其区别于传统机器人的一个重要优势是能够进入一些地形狭窄或不规则的地方，完成复杂的运动，开展作业，如地震灾区救援或者战场侦察等等。对于上述能应用于特殊环境的机器人运动关节的设计，亦是本领域技术人员研究的重要方向。
发明内容
本发明的目的在于提供基于SMA驱动的弯曲单元体的内部支撑组件，其能作为机器人运动关节的基本单元，在驱动机构的作用下完成多角度的运动，尤其是与介电弹性体(DE)、形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)等智能驱动材料组合可形成能任意角度弯曲的软体机器人运动单元，其结构简单、零部件少、占用空间小，故障率低且处理容易。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
基于SMA驱动的弯曲单元体的内部支撑组件，包括支撑件、两个球铰装置和两个关节端盖，两个所述关节端盖分别设置于所述支撑件的两端；
所述关节端盖包括端板和连接轴，所述连接轴的一端与所述端板固定连接，所述连接轴的另一端与所述支撑件的一端通过所述球铰装置连接；
所述支撑件的两端均固定设置有若干弹簧钢板，若干所述弹簧钢板以所述连接轴的轴心为中心均布设置，所述弹簧钢板远离所述支撑件的一端靠近所述端板设置。
进一步的，所述支撑件包括支撑板和两个安装环，两个所述安装环对称固设于所述支撑板的两端；
所述支撑板的两端均加工有凹口，所述凹口正对所述安装环的内圈设置。
进一步的，所述球铰装置包括球座和球头，所述球头可转动的设置于所述球座内，所述球头上加工有通孔，所述连接轴可滑动的设置于所述通孔内。
进一步的，所述球座为圆柱形分体式结构，所述球座上贯穿设置有通孔a，所述通孔a的侧面呈与所述球头相适配的球面。
进一步的，所述弹簧钢板呈弯曲状，所述弹簧钢板的一端与所述安装环通过螺栓固定连接，所述弹簧钢板靠近所述安装环的一端与所述连接轴的距离小于其另一端与所述连接轴的距离。
进一步的，所述连接轴的一端与所述端板的中心固定连接，所述连接轴与所述端板一体成型。
本发明的有益效果是：
本发明基于SMA驱动的弯曲单元体的内部支撑组件能作为机器人运动关节的基本单元，在驱动机构的作用下完成多角度的运动。该内部支撑组件可以直接安装介电弹性体(DE)、形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)等智能驱动材料形成能任意角度弯曲的软体机器人运动单元。在安装SMA弹簧时，可以提供支撑力使SMA弹簧保持绷直状态，在一定程度上防止SMA弹簧与外物接触，起到保护的作用，并且不会阻碍断电时SMA弹簧的散热，减小SMA弹簧本身的滞后时间其结构简单。该支撑组件的弯曲动作流畅无卡阻，其零部件少、占用空间小，故障率低且处理容易，为软体机器人的设计提供了新的思路。
附图说明
图1为本发明基于SMA驱动的弯曲单元体的内部支撑组件的结构示意图；
图2为支撑件的结构示意图；
图3为球铰装置的结构示意图；
图4为本发明基于SMA驱动的弯曲单元体的内部支撑组件与SMA弹簧组合成弯曲单元体的实施结构示意图。
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至图3所示，基于SMA驱动的弯曲单元体的内部支撑组件，包括支撑件1、两个球铰装置5和两个关节端盖，两个关节端盖分别设置于支撑件1的两端。关节端盖包括端板2和连接轴3，连接轴3的一端与端板2固定连接，连接轴3的另一端与支撑件1的一端通过球铰装置5连接；支撑件1的两端均固定设置有若干弹簧钢板4，若干弹簧钢板4以连接轴3的轴心为中心均布设置，弹簧钢板4远离支撑件1的一端靠近端板2设置。该弯曲单元体可作为机器人运动关节的一部分，实现多角度的运动。在实施时，可于两个端板2施加驱动机构使其动作，在动作过程中，因连接轴3与支撑件1通过球铰5连接，该连接处允许在任意角度转动，其转动时端板2会发生偏转，端板2的侧面至少与一个弹簧钢板4的端部接触，压缩弹簧钢板4储存弹性势能并实现动作的缓冲，在转动动作结束后，被压缩的弹簧钢板4释放弹性势能，使其复位。在实施时，弹簧钢板4的一端与安装环12通过螺栓固定连接，可方便的对其进行拆装、更换；弹簧钢板4呈弯曲状，弹簧钢板4靠近安装环12的一端与连接轴3的距离小于其另一端与连接轴3的距离，以保证在弯曲动作过程中，端板2压缩弹簧钢板4时受到的反作用力更为均衡可控。
进一步的，支撑件1包括支撑板11和两个安装环12，两个安装环12对称固设于支撑板11的两端；支撑板11的两端均加工有凹口13，凹口13正对安装环12的内圈设置。球铰装置5包括球座51和球头52，球头52可转动的设置于球座51内，球头52上加工有通孔53，连接轴3可滑动的设置于通孔53内。在实施时，球座51为圆柱形分体式结构，球座51上贯穿设置有通孔a，通孔a的侧面呈与球头52相适配的球面。该设置使连接轴3的端部可在球头52内滑动，并设置凹口13给予其足够的滑动空间，在应用时进一步增加了弯曲单元体的运动合成，使其的弯曲动作不存在卡阻而更为流畅，适用于软体机器人的使用。在实施时连接轴3设置于端板2的中心，连接轴3与端板2一体成型，其在任意方向的弯曲动作相同，以适用于蛇形机器人的使用要求。
该内部支撑组件能作为机器人运动关节的基本单元，在驱动机构的作用下完成多角度的运动。当在两个端板2之间安装介电弹性体(DE)、形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)等智能驱动材料组合可形成能任意角度弯曲的软体机器人运动单元，图4所示即为其安装形状记忆合金(SMA)时的结构示意图，在两个端板2之间设置若干SMA弹簧6，本实施例中具体为均布设置有六个SMA弹簧6。在安装SMA弹簧6时，使弹簧钢片4的端部与端板2接触，使得SMA弹簧6在没通电之前即可对两个端板2有很小的拉力，使其处于绷直状态，可在一定程度上防止SMA弹簧6与外物接触，起到保护的作用。当其中一个SMA弹簧6通电压缩时，会拉动两个端板2连接该SMA弹簧6的部位相互靠拢，该单元体执行弯曲动作，当该SMA弹簧6断电时，在弹簧钢板4的作用下完成复位。设置六个SMA弹簧6，可分别对每一个进行控制，实现12种不同的弯曲方向。将各单元体依次连接可组装成蛇形机器人，通过各单元体的弯曲动作，实现蛇形机器人的蠕动前进；将多个蛇形机器人安装在支架上可组装呈机械手，通过其弯曲动作的控制，实现抓取等功能。
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驱动的弯曲单元体的内部支撑组件，其特征在于，包括支撑件（1）、两个球铰装置（5）和两个关节端盖，两个所述关节端盖分别设置于所述支撑件（1）的两端；
所述关节端盖包括端板（2）和连接轴（3），所述连接轴（3）的一端与所述端板（2）固定连接，所述连接轴（3）的另一端与所述支撑件（1）的一端通过所述球铰装置（5）连接；
所述支撑件（1）的两端均固定设置有若干弹簧钢板（4），若干所述弹簧钢板（4）以所述连接轴（3）的轴心为中心均布设置，所述弹簧钢板（4）远离所述支撑件（1）的一端靠近所述端板（2）设置；
所述支撑件（1）包括支撑板（11）和两个安装环（12），两个所述安装环（12）对称固设于所述支撑板（11）的两端；
所述支撑板（11）的两端均加工有凹口（13），所述凹口（13）正对所述安装环（12）的内圈设置；
所述弹簧钢板（4）呈弯曲状，所述弹簧钢板（4）的一端与所述安装环（12）通过螺栓固定连接，所述弹簧钢板（4）靠近所述安装环（12）的一端与所述连接轴（3）的距离小于其另一端与所述连接轴（3）的距离。
2.根据权利要求1所述的基于SMA驱动的弯曲单元体的内部支撑组件，其特征在于，所述球铰装置（5）包括球座（51）和球头（52），所述球头（52）可转动的设置于所述球座（51）内，所述球头（52）上加工有通孔（53），所述连接轴（3）可滑动的设置于所述通孔（53）内。
3.根据权利要求2所述的基于SMA驱动的弯曲单元体的内部支撑组件，其特征在于，所述球座（51）为圆柱形分体式结构，所述球座（51）上贯穿设置有通孔a，所述通孔a的侧面呈与所述球头（52）相适配的球面。
4.根据权利要求1所述的基于SMA驱动的弯曲单元体的内部支撑组件，其特征在于，所述连接轴（3）的一端与所述端板（2）的中心固定连接，所述连接轴（3）与所述端板（2）一体成型。
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