CN113305821A - 一种温度场驱动的可折叠蠕动机器人及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人领域，具体涉及一种温度场驱动的可折叠蠕动机器人及其驱动方法。机器人整体呈工字型，包括驱动装置和控制装置，驱动装置包括工字型两侧分别设置的三个呈直线分布的依次连接的驱动单元，驱动单元包括双程形状记忆合金丝；控制装置设置在工字型的中部，包括底板和设置在底板上的电源和控制电路，两侧的三个驱动单元的中部驱动单元和底板连接，通过控制各驱动单元中的双程形状记忆合金丝的通断电顺序，实现机器人的蠕动。本发明利用电场产生的温度场使自身发生折叠变形，以此作为驱动力，摆脱了传统的机械传动，在不受限制的运动范围内能实现蠕动，可承受的载荷较大，在未使用的状态下为平面形状，空间利用率高便于储运，成本较低。

Description

一种温度场驱动的可折叠蠕动机器人及其驱动方法

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种温度场驱动的可折叠蠕动机器人及其驱动方法。

背景技术

21世纪以来，机器人技术的得以快速发展。随着科技社会的发展，普通的机器人已经不能满足各行各业对于复杂任务的需求。越来越需要体积更小、控制方便、无线驱动的机器人来实现更多的有关生物医疗、抗震救灾、勘测探险等方面的要求。传统的刚性机器人一旦遇到相对复杂的结构环境，通常就难以适应，很大程度上限制了机器人的应用范围。可折叠机器人是一种响应实际需求的机器人类型，在指定环境下机器人可以通过自折叠变形的方式，完成其他类型机器人不能实现的任务，制作可折叠机器人的薄片薄膜材料也显著减少了机器人的整体重量，降低了大量的成本并且有助于环境的保护。

Reversible actuation for self-folding modular machines using liquidcrystal elastomer[J].Smart Materials and Structures,2020,29(10):105003(14pp)开发了一种利用液晶弹性体设计的自动折叠机器人，研究人员利用光刻技术将加热层嵌入液晶弹性体中，并使用Sarrus链接机制生成可逆的自折叠模块。将多个模块相互连接再对其加热，制作了自折叠爬行机器人，实现了机器人的直线运动。这一折叠结构节约了机器人存储空间，承载力较大。

但液晶弹性体材料成本相对较高，而且从激活到松弛的时间过长，不利于节能。同时该机器人实现折叠技术还是依赖外部电路提供电力，限制了机器人的运动范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温度场驱动的可折叠蠕动机器人及其驱动方法，未使用时呈平面形状便于储运，使用时能自发折叠进而实现蠕动，且承载力较大，材料采用双程形状记忆合金丝，成本较低，有望发展成为新型的自折叠驱动机器人。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种温度场驱动的可折叠蠕动机器人，机器人整体呈工字型，包括驱动装置和控制装置，

驱动装置包括工字型两侧分别设置的三个呈直线分布的依次连接的驱动单元，驱动单元包括双程形状记忆合金丝；

控制装置设置在工字型的中部，包括底板和设置在底板上的电源和控制电路，两侧的三个驱动单元的中部驱动单元和底板连接，所述控制电路与驱动单元的双程记忆合金丝连接，通过控制各驱动单元中的双程形状记忆合金丝的通断电顺序，实现机器人的蠕动。

进一步的，每个驱动单元包括两个上下对称设置的十字型板，每个十字型板由中心板和四个周边板组成，中心板和周边板的形状相同，且中心板和周边板的连接处设有折叠关节，上下两个十字型板通过周边板的边部连接；

双程形状记忆合金沿三个驱动单元的长轴线设置，双程形状记忆合金的两端与上下十字型板的连接处固定，双程形状记忆合金收缩时，拉动上下两个十字型板向内侧沿折叠关节折叠。

进一步的，每个驱动单元包括两条双程形状记忆合金，下十字型板上侧关于中轴线对称设有两条沟槽，双程形状记忆合金的中部置于沟槽中。

进一步的，所述折叠关节为折痕，折痕上设有不连续的槽口。

进一步的，所述十字型板的材料为PVC板。

进一步的，所述双程形状记忆合金丝的材料为镍钛记忆合金。

进一步的，所述电源为锂电池，用于为控制电路提供电能加热双程形状记忆合金丝，所述控制电路安装在电源两侧，用于控制驱动装置电流的通电与断电顺序；底板采用铝基板，用于固定电源和控制电路。

一种采用上述的机器人的驱动方法，包括如下步骤：

步骤(1)：通过控制装置对各个驱动单元从运动方向往后的顺序依次通电，对双程形状记忆合金丝加热；运动方向前端的第一驱动单元中双程形状记忆合金丝率先受热收缩，使第一驱动单元按照预设的折痕产生收缩变形，由于机器人整体结构的摩擦力，第一驱动单元收缩成形的过程中会被拉向中间的第二驱动单元，第二驱动单元收缩成形的过程中维持在原有位置，末尾的第三驱动单元由于摩擦力的缘故，收缩变形的过程中向第二驱动单元靠拢；

步骤(2)：控制装置再按照通电的顺序对驱动装置进行断电，第一驱动单元中的双程形状记忆合金丝率先冷却，第一驱动单元先恢复成为平面形状，与尚未断电的第二驱动单元，第三驱动单元产生高度差，形成一个倾斜的结构；最后第二驱动单元、第三驱动单元依次断电，逐渐松弛恢复成平面状态，机器人整体便沿着倾斜的方向位移，机器人开始运动；等到全部驱动单元中的双程形状记忆合金丝冷却完毕，所有驱动单元恢复成平面形状，便完成了一个运动周期，机器人在通电顺序的反方向实现蠕动位移；

步骤(3)：实现机器人转向的驱动方法为：通过控制装置对机器人单独一侧的驱动单元进行通电，加热双程形状记忆合金丝，再对该侧驱动单元进行顺序冷却，工字型的一端便会由此向前蠕动；机器人另一端尚未通电，机器人整体结构便会有个水平的摩擦力，实现机器人的转向。

进一步的，所述步骤(3)实现机器人转向的驱动方法为：通过对机器人两端驱动单元采取相反的通电断电顺序，实现机器人的快速原地转向。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

本发明的机器人利用电场产生的温度场使自身发生折叠变形，以此作为驱动力，摆脱了传统的机械传动，并且在不受限制的运动范围内能实现蠕动，且可承受的载荷较大，在未使用的状态下为平面形状，空间利用率高便于储运，成本较低。

附图说明

图1为未使用状态下机器人结构示意图。

图2为工作状态机器人整体结构示意图。

图3为未使用状态驱动单元的结构示意图。

图4为工作状态驱动单元结构示意图。

图5为控制装置结构示意图。

图6为机器人运动原理简图。

附图标记说明：

1-第一驱动单元，2-第二驱动单元，3-第三驱动单元，4-双程形状记忆合金丝，5-控制电路，6-电源，7-底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明为一种利用温度场驱动的可折叠机器人，主要包括控制装置以及驱动装置。

驱动装置包括机器人本体和双程形状记忆合金丝。如图1所示，机器人本体由六个驱动单元组成，整体为工字型样式，驱动单元分布在控制装置的两侧，两侧的驱动单元与控制装置相连接，其中一侧为第一驱动单元1、第二驱动单元2、第三驱动单元3，图3、图4为单个驱动单元未工作状态和工作状态的示意图；每个驱动单元为一个独立的可变形结构，驱动单元由上下对称的两块十字形板构成，十字形板以及连接板的材料采用PVC板(聚氯乙烯)，十字形板上预设了折痕，用于实现预定形状的成形，驱动单元之间连接在一起；机器人本体的折叠关节处设置有槽口，以降低折叠状态下折痕位置结构的刚度。双程形状记忆合金丝4固定于驱动单元内部结构的沟槽中，材料为镍钛记忆合金，其收缩温度在50～70℃之间，通电后受热收缩，使驱动单元按预设好的折痕收缩成形。

如图5所示，控制装置主要包括控制电路5、电源6以及底板7；电源6采用锂电池，用于为控制电路提供电能加热双程形状记忆合金丝；控制电路6安装在电源两侧，用于控制驱动装置电流的通电与断电顺序；电源和控制电路安装在底板7上，底板7采用铝基板，用于固定电源和控制电路。

通过对第一驱动单元1、第二驱动单元2、第三驱动单元3的顺序加热，其中的双程形状记忆合金丝缩，使驱动单元按照预设的折痕产生相应的变形，所有驱动单元成形完成后再进行顺序冷却，双程形状记忆合金丝恢复，驱动单元会逐渐松弛，恢复成平面形状，完成一个运动周期，实现机器人的蠕动。

如图6所示，机器人的驱动方法为：首先通过控制装置对驱动单元以1、2、3的顺序依次通电，对双程形状记忆合金丝加热；第一驱动单元1中双程形状记忆合金丝率先受热收缩，使第一驱动单元1按照预设的折痕产生收缩变形，由于机器人整体结构的摩擦力，驱动单元1收缩成形的过程中会被拉向第二驱动单元2，因为第二驱动单元2位于机器人中间，所以收缩成形的过程中可以维持在原有位置，末尾的第三驱动单元3由于摩擦力的缘故，收缩变形的过程中也会向第二驱动单元2靠拢；然后控制装置再按照通电的顺序对驱动装置进行断电，第一驱动单元1中的双程形状记忆合金丝率先冷却，第一驱动单元1先恢复成为平面形状，与尚未断电的第二驱动单元2，第三驱动单元3产生高度差，形成一个倾斜的结构；最后第二驱动单元2、第三驱动单元3依次断电，逐渐松弛恢复成平面状态，机器人整体便沿着倾斜的方向位移，机器人开始运动；等到全部驱动单元中的双程形状记忆合金丝冷却完毕，所有驱动单元恢复成平面形状，便完成了一个运动周期，机器人能在通电顺序的反方向实现一定的蠕动位移。

实现机器人转向的驱动方法为：由于驱动单元分布在机器人控制装置的两侧，可以通过控制装置对机器人单独一侧的驱动单元进行通电，加热双程形状记忆合金丝，再对该侧驱动单元进行顺序冷却，工字型的一端便会由此向前蠕动。因为机器人另一端尚未通电，机器人整体结构便会有个水平的摩擦力，实现机器人的转向。也可以通过对机器人两端驱动单元采取相反的通电断电顺序，实现机器人的快速原地转向。

Claims (9)

1.一种温度场驱动的可折叠蠕动机器人，其特征在于，机器人整体呈工字型，包括驱动装置和控制装置，

驱动装置包括工字型两侧分别设置的三个呈直线分布的依次连接的驱动单元，驱动单元包括双程形状记忆合金丝；

控制装置设置在工字型的中部，包括底板和设置在底板上的电源和控制电路，两侧的三个驱动单元的中部驱动单元和底板连接，所述控制电路与驱动单元的双程记忆合金丝连接，通过控制各驱动单元中的双程形状记忆合金丝的通断电顺序，实现机器人的蠕动。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，每个驱动单元包括两个上下对称设置的十字型板，每个十字型板由中心板和四个周边板组成，中心板和周边板的形状相同，且中心板和周边板的连接处设有折叠关节，上下两个十字型板通过周边板的边部连接；

双程形状记忆合金沿三个驱动单元的长轴线设置，双程形状记忆合金的两端与上下十字型板的连接处固定，双程形状记忆合金收缩时，拉动上下两个十字型板向内侧沿折叠关节折叠。

3.根据权利要求2所述的机器人，其特征在于，每个驱动单元包括两条双程形状记忆合金，下十字型板上侧关于中轴线对称设有两条沟槽，双程形状记忆合金的中部置于沟槽中。

4.根据权利要求3所述的机器人，其特征在于，所述折叠关节为折痕，折痕上设有不连续的槽口。

5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述十字型板的材料为PVC板。

6.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述双程形状记忆合金丝的材料为镍钛记忆合金。

7.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述电源为锂电池，用于为控制电路提供电能加热双程形状记忆合金丝，所述控制电路安装在电源两侧，用于控制驱动装置电流的通电与断电顺序；底板采用铝基板，用于固定电源和控制电路。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述的机器人的驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：通过控制装置对各个驱动单元从运动方向往后的顺序依次通电，对双程形状记忆合金丝加热；运动方向前端的第一驱动单元中双程形状记忆合金丝率先受热收缩，使第一驱动单元按照预设的折痕产生收缩变形，由于机器人整体结构的摩擦力，第一驱动单元收缩成形的过程中会被拉向中间的第二驱动单元，第二驱动单元收缩成形的过程中维持在原有位置，末尾的第三驱动单元由于摩擦力的缘故，收缩变形的过程中向第二驱动单元靠拢；

步骤(2)：控制装置再按照通电的顺序对驱动装置进行断电，第一驱动单元中的双程形状记忆合金丝率先冷却，第一驱动单元先恢复成为平面形状，与尚未断电的第二驱动单元，第三驱动单元产生高度差，形成一个倾斜的结构；最后第二驱动单元、第三驱动单元依次断电，逐渐松弛恢复成平面状态，机器人整体便沿着倾斜的方向位移，机器人开始运动；等到全部驱动单元中的双程形状记忆合金丝冷却完毕，所有驱动单元恢复成平面形状，便完成了一个运动周期，机器人在通电顺序的反方向实现蠕动位移；

步骤(3)：实现机器人转向的驱动方法为：通过控制装置对机器人单独一侧的驱动单元进行通电，加热双程形状记忆合金丝，再对该侧驱动单元进行顺序冷却，工字型的一端便会由此向前蠕动；机器人另一端尚未通电，机器人整体结构便会有个水平的摩擦力，实现机器人的转向。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)实现机器人转向的驱动方法为：通过对机器人两端驱动单元采取相反的通电断电顺序，实现机器人的快速原地转向。

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