CN111251283B - 一种基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，包括头部和躯体部分，所述躯体部分内部设有形状记忆合金，所述头部内设有控制部分，通过控制部分提供周期性的电信号，使形状记忆合金产生周期性运动。所述躯体部分包括至少一个水凝胶主体、脊柱运动体和肌肉运动体；每一所述水凝胶主体的中央部分设有脊柱运动体；若干所述肌肉运动体均布在所述脊柱运动体周围，所述脊柱运动体的材料和肌肉运动体的材料均为形状记忆合金。本发明利用脊柱运动体部分的形状记忆合金弹簧配合分布在其周围的肌肉运动体使软体机器人实现空间三维任意方向的运动。并且可以通过脊柱运动体和肌肉运动体的不同通电断电配合方式实现快速稳定运动。

Description

一种基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，特别涉及一种基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人。

背景技术

中国专利公开了一种多向蠕动软体机器人。该专利利用形状记忆合金作为驱动方式，将若干形状记忆合金丝均匀的分布于圆周上且于圆环中心相连接，并在弹性环外均匀分布若干静电吸附盘，以提高吸附力和稳定性，通过控制形状记忆合金丝的伸缩以及静电吸盘的吸附配合来实现平面内任意方向移动的功能。该专利能够实现垂直墙壁的攀爬功能，通过简单的形状记忆合金丝排布方式实现了软体机器人的超薄化，但其由于利用静电吸附的方式对爬行面要求较高，环境适应能力有限。

中国专利公开了一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人。该专利所述软体机器人包括控制模块、弯曲模块以及抓持模块。弯曲模块提供驱动力，抓持模块提供软体机器人的固定点，控制模块主要控制弯曲模块的弯曲和伸展以及抓持模块的抓取和释放。通过弯曲模块和加持模块的配合来实现机器人的攀爬运动。此项发明针对性较强，主要是实现攀爬运动，对于平面运动较为困难。

中国专利公开了一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人。该专利主要由单胞单元、伸缩管、控制模块和摩擦腹足组成，通过无线收发控制模块控制嵌入单胞单元中的形状记忆合金丝的收缩与舒张使得单胞单元与伸缩管伸长和缩短，并且依靠摩擦腹足的摩擦受力角度来实现软体机器人的前进以及转向运动。该专利还可通过增加单胞单元的个数和层数来实现蜿蜒运动和抬头运动，但会使该机器人主体宽大笨重。该专利采用水冷的方式加快形状记忆合金丝的形变速度，但其液体空腔中的液体会影响形状记忆合金丝的受热效率，当液体频繁受热温度升高也会影响运动效率。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，利用脊柱运动体部分的形状记忆合金弹簧配合分布在其周围的肌肉运动体使软体机器人实现空间三维任意方向的运动。并且可以通过脊柱运动体和肌肉运动体的不同通电断电配合方式实现快速稳定运动。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，包括头部和躯体部分，所述躯体部分内部设有形状记忆合金，所述头部内设有控制部分，通过控制部分提供周期性的电信号，使形状记忆合金产生周期性运动。

进一步，所述躯体部分包括至少一个水凝胶主体、脊柱运动体和肌肉运动体；每一所述水凝胶主体的中央部分设有脊柱运动体；若干所述肌肉运动体均布在所述脊柱运动体周围，所述脊柱运动体的材料和肌肉运动体的材料均为形状记忆合金；所述脊柱运动体与控制部分电连接，通过温度变化使所述躯体部分直线运动；若干所述肌肉运动体分别与控制部分电连接，通过温度变化使所述躯体部分弯曲运动。

进一步，所述脊柱运动体为单根弹簧，所述弹簧材料为双程记忆效应的形状记忆合金，通过弹簧温度变化，使弹簧实现伸缩。

进一步，所述脊柱运动体包括内弹簧和外弹簧，所述内弹簧和外弹簧同轴安装在水凝胶主体内，所述外弹簧两端分别与内弹簧两端连接；仅所述外弹簧材料为双程记忆效应的形状记忆合金，通过外弹簧温度变化，使外弹簧实现伸缩。

进一步，所述肌肉运动体呈“U”型，所述U型肌肉运动体材料为双程记忆效应的形状记忆合金，通过所述U型肌肉运动体温度的变化，使U型肌肉运动体的开口发生形变。

进一步，U型所述肌肉运动体的“U”型开口朝向脊柱运动体；若干U型肌肉运动体沿所述脊柱运动体的轴向和周向均布。

进一步，所述躯体部分的外表面上至少一个面设有摩擦腹足，所述摩擦腹足为突出外表面的半圆锥结构，用于在躯体部分运动时产生摩擦力。

进一步，所述头部的材料和躯体部分的材料均为双网络交联水凝胶，所述控制部分嵌入头部中，通过外部无线控制所述控制部分工作。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，利用脊柱运动体部分的形状记忆合金弹簧配合分布在其周围的肌肉运动体使软体机器人实现空间三维任意方向的运动，还可以通过脊柱运动体和肌肉运动体的不同通电断电配合方式实现快速稳定运动。

2.本发明所述的基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，通过无线电收发装置实现软体机器人的无线操控，通过加快形状记忆合金的形变周期来提高软体机器人的运动速率。

3.本发明所述的基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，中间脊柱部分和四周肌肉部分的结构组合使软体机器人运动更加稳定，对软体机器人运动控制更加精确。

4.本发明所述的基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，多段式躯体部分能够完成多样化的蠕动姿势变换。

附图说明

图1为本发明所述的基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人主视图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明所述的内弹簧和外弹簧的嵌套结构图。

图4为本发明实施例1的肌肉运动体两侧排布主视图。

图5为本发明实施例1的肌肉运动体两侧排布俯视图。

图6为本发明实施例2的肌肉运动体四方位排布主视图。

图7为本发明实施例2的肌肉运动体四方位排布俯视图。

图8为本发明所述的基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人一个蠕动周期步态图。

图9为本发明所述的基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人转向示意图。

图10为本发明实施例3示意图。

图中：

1-头部；2-躯体部分；3-控制部分；4-脊柱运动体；5-肌肉运动体；6-摩擦腹足；7-外弹簧；8-内弹簧；9-左侧U型肌肉运动体；10-右侧U型肌肉运动体；11-上侧U型肌肉运动体；12-下侧U型肌肉运动体。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1和图2所示，本发明所述的基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，包括头部1和躯体部分2，所述躯体部分2内部嵌入形状记忆合金，所述头部1内部嵌入控制部分3，通过控制部分3提供周期性的电信号，使形状记忆合金产生周期性运动。所述控制部分3为无线收发的电源装置。所述头部1的材料和躯体部分2的材料均为双网络交联水凝胶。

所述躯体部分2包括至少一个水凝胶主体、脊柱运动体4和肌肉运动体5；每一所述水凝胶主体的中央部分设有脊柱运动体4；若干所述肌肉运动体5均布在所述脊柱运动体4周围，所述脊柱运动体4的材料和肌肉运动体5的材料均为形状记忆合金；所述脊柱运动体4与控制部分3电连接，通过温度变化使所述躯体部分2直线运动；若干所述肌肉运动体5分别与控制部分3电连接，通过温度变化使所述躯体部分2弯曲运动。控制部分3与脊柱运动体4和肌肉运动体5分别通过导线单独相连，提供通电和断电控制，电压0～30V之间可调。

如图2所示，所述躯体部分2的外表面上至少一个面设有摩擦腹足6，所述摩擦腹足6为突出外表面的半圆锥结构，其锥顶角为60°，用于在躯体部分2运动时产生摩擦力。

如图1所示，所述脊柱运动体4为单根弹簧，所述弹簧材料为双程记忆效应的形状记忆合金，其相变温度为40℃和60℃。当温度达到60℃及以上时，单根弹簧收缩；当温度降至40℃及以下时单根弹簧恢复原长。控制部分3用于通过控制与单根弹簧导通，使单根弹簧温度发生变化。

如图3所示，所述脊柱运动体4包括内弹簧8和外弹簧7，所述内弹簧8和外弹簧7同轴安装在水凝胶主体内，所述外弹簧7两端分别与内弹簧8两端连接；仅所述外弹簧7材料为双程记忆效应的形状记忆合金，其相变温度为40℃和60℃，当温度达到60℃及以上时，外弹簧7收缩；当温度降至40℃及以下时外弹簧7恢复原长；内弹簧8为普通弹簧，原始状态与外弹簧40℃及以下时等长。

所述肌肉运动体5呈“U”型，所述U型肌肉运动体5材料为双程记忆效应的形状记忆合金，通过所述U型肌肉运动体5温度的变化，使U型肌肉运动体5的开口发生形变。U型所述肌肉运动体5的“U”型开口朝向脊柱运动体4；若干U型肌肉运动体5沿所述脊柱运动体4的轴向和周向均布。

实施例1如图4和图5所示，所述脊柱运动体4为单根弹簧位于中央部分，单根弹簧位伸缩方向与Y方向相同。U型肌肉运动体5分布于脊柱运动体左右两侧，而且沿Y方向呈线性分布；左侧U型肌肉运动体9开口朝X轴正向，右侧U型肌肉运动体10开口朝X轴负向；左侧U型肌肉运动体9和右侧U型肌肉运动体10开口通电变形量方向与Y方向相同。U型肌肉运动体5当温度达到60℃及以上时，U形的开口变大；当温度降至40℃及以下时U形恢复原状。

如图8所示，如图9为本发明实施例1的软体机器人一个蠕动步态周期。步态A为未通电状态下软体机器人的形态。当控制部分3对脊柱运动体4进行通电，当脊柱运动体4温度达到60℃时，脊柱运动体4收缩，软体机器人变为步态B。由于摩擦腹足6的存在使得软体机器人重心前移。之后对脊柱运动体4断电，温度逐渐下降至40℃及以下时，脊柱运动体4恢复原始状态，软体机器人变为步态C。由于摩擦腹足6的存在使软体机器人的重心继续前移一部分。每一个周期软体机器人蠕动前进一个L的距离。当软体机器人达到步态B后，对脊柱运动体4断电且同时对左侧U型肌肉运动体9和右侧U型肌肉运动体10进行通电，使得两侧U形肌肉部分温度上升，当达到60℃及以上时，U型肌肉运动体的U型开口变大，加快由步态B到步态C的速度，也就是加快了软体机器人的蠕动速度。

如图9所示，在一个步态周期中将左侧U型肌肉运动体9断电，右侧U型肌肉运动体10通电，使得左侧U型肌肉运动体9的U型开口小于右侧U型肌肉运动体10的U型开口大小，令软体机器人可以向左弯曲变形，此种状态下进行蠕动可使软体机器人向左侧转弯。同理，当在一个步态周期中将左侧U型肌肉运动体9通电，右侧U型肌肉运动体10断电，可使得软体机器人向右转弯。

实施例2如图6和图7所示，U型肌肉运动体5分布于脊柱运动体上下左右四个方位，而且沿Y方向呈线性分布；上侧U型肌肉运动体11开口朝Z轴正向，下侧U型肌肉运动体12开口朝Z轴负向，左侧U型肌肉运动体9开口朝X轴正向，右侧U型肌肉运动体10开口朝X轴负向；U型肌肉运动体开口通电变形量方向与Y方向相同。下侧U型肌肉运动体12通电，上侧U型肌肉运动体11、左侧U型肌肉运动体9和右侧U型肌肉运动体10断电，可使得机器人完成向上弯曲的动作即抬头动作；上侧U型肌肉运动体11通电，下侧U型肌肉运动体12、左侧U型肌肉运动体9和右侧U型肌肉运动体10断电，可使得机器人完成向上弯曲的动作即低头动作；下侧U型肌肉运动体12和左侧U型肌肉运动体9通电，上侧U型肌肉运动体11和右侧U型肌肉运动体10断电，可使得机器人完成向右上方45°弯曲的动作。同理，控制每列轴向的U型肌肉运动体5上不同个数的单个肌肉运动体的通电与断电能够实现三维空间上各个方向的运动。

如图10所示，两个躯体部分2串联在一起，以此方式能够实现软体机器人蜿蜒曲折形态。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，其特征在于，包括头部(1)和躯体部分(2)，所述躯体部分(2)内部设有形状记忆合金，所述头部(1)内设有控制部分(3)，通过控制部分(3)提供周期性的电信号，使形状记忆合金产生周期性运动；

所述躯体部分(2)包括至少一个水凝胶主体、脊柱运动体(4)和肌肉运动体(5)；每一所述水凝胶主体的中央部分设有脊柱运动体(4)；若干所述肌肉运动体(5)均布在所述脊柱运动体(4)周围，所述脊柱运动体(4)的材料和肌肉运动体(5)的材料均为形状记忆合金；所述脊柱运动体(4)与控制部分(3)电连接，通过温度变化使所述躯体部分(2)直线运动；若干所述肌肉运动体(5)分别与控制部分(3)电连接，通过温度变化使所述躯体部分(2)弯曲运动；所述肌肉运动体(5)呈“U”型，所述U型肌肉运动体(5)材料为双程记忆效应的形状记忆合金，通过所述U型肌肉运动体(5)温度的变化，使U型肌肉运动体(5)的开口发生形变；所述脊柱运动体(4)为单根弹簧，所述弹簧材料为双程记忆效应的形状记忆合金，通过弹簧温度变化，使弹簧实现伸缩。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，其特征在于，所述脊柱运动体(4)包括内弹簧(8)和外弹簧(7)，所述内弹簧(8)和外弹簧(7)同轴安装在水凝胶主体内，所述外弹簧(7)两端分别与内弹簧(8)两端连接；仅所述外弹簧(7)材料为双程记忆效应的形状记忆合金，通过外弹簧(7)温度变化，使外弹簧(7)实现伸缩。

3.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，其特征在于，U型所述肌肉运动体(5)的“U”型开口朝向脊柱运动体(4)；若干U型肌肉运动体(5)沿所述脊柱运动体(4)的轴向和周向均布。

4.根据权利要求2-3任一项所述的基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，其特征在于，所述躯体部分(2)的外表面上至少一个面设有摩擦腹足(6)，所述摩擦腹足(6)为突出外表面的半圆锥结构，用于在躯体部分(2)运动时产生摩擦力。

5.根据权利要求2-3任一项所述的基于形状记忆合金的仿实蝇幼虫软体机器人，其特征在于，所述头部(1)的材料和躯体部分(2)的材料均为双网络交联水凝胶，所述控制部分(3)嵌入头部中，通过外部无线控制所述控制部分(3)工作。

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