CN113335405A - 一种多足仿生柔性机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多足仿生柔性机器人，设有多个柔性关节；每个关节均包括三个形状记忆合金弹簧，三个形状记忆合金弹簧呈等腰三角形布置，用于在通电状态下产生收缩以驱动柔性关节的左右变形实现左右转向，以及从后向前依次通断电驱动各个柔性关节的拱起变形实现机器人的拱动前进；连接部，设置在每个关节两端，用于连接三个形状记忆合金弹簧的两端；复位部，用于形状记忆合金弹簧断电后柔性关节的复位；足部，用于支撑关节，并提供前进和爬坡的摩擦力。本发明解决了传统刚性机器人工作受限的问题，以期实现特殊工作环境下机器人代替人工，保障人工安全的同时提高工作效率。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人领域，特别是一种多足仿生柔性机器人。
背景技术
随着机器人技术的不断发展，越来越多的机器人代替人工，但面对复杂工作环境时，传统的刚性机器人由于自由度受到限制而不能够满足需求，由此衍生出基于仿生学的柔性机器人。仿生柔性机器人是以自然界的软体生物为模仿原型而发展起来的一种机器人，其躯体主要由可以承受大变形的弹性材料构成，能够产生无限自由度的形变，机器人的某一端点可到达三维空间内的任意位置。
传统刚性机器人多采用电机驱动，这也给机器人实现复杂的运动形式带来了困难。目前已经有人研究了气动驱动的软体蠕动式机器人，可实现柔软、弯曲环境下的运动，但气动驱动的柔性机器人实验平台(外部电路、线路庞大)需要外置空气压缩机，增大了机器人的体积，实际应用时并不方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多足仿生柔性机器人，以解决传统刚性机器人工作受限的问题，以期实现特殊工作环境下机器人代替人工，保障人工安全的同时提高工作效率。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种多足仿生柔性机器人，设有多个柔性关节；每个关节均包括
三个形状记忆合金弹簧，三个形状记忆合金弹簧呈等腰三角形布置，用于在通电状态下产生收缩以驱动柔性关节的左右变形实现左右转向，以及从后向前依次通断电驱动各个柔性关节的拱起变形实现机器人的拱动前进；
连接部，设置在每个关节两端，用于连接三个形状记忆合金弹簧的两端；
复位部，用于形状记忆合金弹簧断电后柔性关节的复位；
足部，用于支撑关节，并提供前进和爬坡的摩擦力。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明的多足仿生柔性机器人对环境具有较强的适应性，它依靠身体多条足的支撑，在复杂环境中移动仍能保持比较平稳的姿态；面对斜坡时，足底部爪刺与壁面微突起形成机械锁合，抵消了重力引起的向下滑动的力，实现了机器人在斜坡上的攀爬功能。
附图说明
图1为本发明机器人的整体结构示意图；
图2是本发明单关节结构示意图；
图3是本发明垫片结构示意图；
图4是本发明单关节剖视图；
图5是本发明机器人足底部爪刺与壁面微凸起接触时的放大示意图；
图6是本发明某节机器人关节前进工作状态示意图；
图7是本发明某节机器人关节左右转向工作状态示意图；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本实施例的一种多足仿生柔性机器人，包括若干关节(图中实施例显示有四节)，每个关节上包括机器人主体2、足部4、垫片3，机器人主体2、套筒1、足部 4均由硅胶等弹性材料浇筑模具制作而成，柔性化程度高。各关节之间通过套筒1进行连接；套筒1安装在机器人主体2轴向两端，并向外伸出一部分距离，足部4成对固定在套筒1底部。垫片3是通过加工电木等绝缘材料获得的，电木具有良好的绝缘性，尺寸大小与套筒1内侧直径一致，固定在套筒1内部以及机器人主体2轴端。
结合图2，机器人主体2为圆柱形结构，其上沿周向均布有三个安装通孔6、三个镂空孔5和一个中心通孔8。安装通孔6中放置形状记忆合金(SMA)弹簧7，各SMA弹簧7两端分别通过螺钉与机器人主体2两端的垫片3连接，并通过导线与控制板连接(图中未示出)，通电后，SMA弹簧7收缩变形产生驱动力带动机器人运动；镂空孔5为机器人主体2减重，使SMA弹簧7提供的驱动力能够满足前进动力要求；中心通孔8中放置复位弹簧9，将复位弹簧9两端分别固定在机器人主体2两端的垫片3上，SMA弹簧7 断电后，机器人在复位弹簧9的辅助作用下可快速返回至初始状态。
如图3所示，垫片3中心设有一个凸台10，凸台10用于复位弹簧9的安装定位，安装时，将复位弹簧9套在凸台10上实现位置固定，该方式比螺栓连接更加方便有效。凸台10上设有定位孔10-1和通孔10-2，用于减重。
优选地，足部4成对分布在套筒1底部，机器人主体2底部两端均设有成对的足部4。足部4底端沿30-60°(优选的采用45°)方向嵌入若干爪刺11，爪刺11伸出方向向后倾斜(与前进方向相反)，面对斜坡时，爪刺11与壁面12之间的接触一般要经历三个阶段，预压阶段：爪刺11被压向壁面12，同时爪刺11随足部4沿壁面12向下滑动寻找可抓附的表面形貌；附着阶段：爪刺与壁面形成机械锁合，为足部提供切向支撑力FL以及法向抓附力FN；脱附阶段：爪刺11随着足部4的抬起脱离壁面12。图5所示为机器人足底部4爪刺11与壁面微凸起12接触时的放大示意图，θ为斜面坡角，爪刺 11尖端、壁面12微凸起假定为球形结构，半径分别为r和R，多条足上的若干爪刺11 共同作用形成了大的摩擦力，抵消了重力向下的分力，提高了机器人对壁面形貌的适应能力。
如图6-7所示，机器人每个关节分别有三个SMA弹簧7(图中7.1、7.2、7.3)固定在机器人主体2两端的垫片3(图中3.1、3.2)上，三个SMA弹簧7呈等腰三角形布置，其中，SMA弹簧7.2位于机器人主体2中心线上方，主要控制爬坡时机器人抬头运动， SMA弹簧7.1、7.3对称分布在中心线偏下两侧，主要控制机器人左右转向运动。SMA 弹簧7收缩变形产生驱动力由STM32板控制(图中省略)；
下面对本发明的工作状态过程进行详细说明：
1.初始工作状态：多足仿生柔性机器人各关节平展置于地面上；
2.前进工作状态：如图6所示，控制板给SMA弹簧7.1、7.3通电，保证流入两个弹簧7.1、7.3的电流大小一致，弹簧7.2保持断电。一段时间后，弹簧7.1、7.3受热变形收缩，带动机器人主体2向上拱起，弹簧7.2被迫伸长，最大弯曲角度可至120°左右。断电后，SMA弹簧7.1、7.3缓慢冷却，凭借其特殊的形状记忆效应(SME)以及复位弹簧9的辅助作用可快速伸长返回至初始状态。机器人主体2后面一对足部4(机器人运动方向为前)底端爪刺与地面突起形成机械锁合，提供了较大的摩擦力，拱起的波形被迫向前一关节传递，如此循环，从最后一个关节向最前一个关节依次变形并复位，机器人实现类似蚕的拱动前进运动。
3.左右转向工作状态：如图7所示，控制板给SMA弹簧7.1通电，SMA弹簧7.2、 7.3保持断电，一段时间后，SMA弹簧7.1受热变形收缩，带动机器人主体2左转(SMA 弹簧7.1一侧偏转)，SMA弹簧7.2、7.3被迫伸长。同理，控制板给SMA弹簧7.3通电， SMA弹簧7.1、7.2保持断电，实现机器人主体2右转(弹簧7.3一侧偏转)。
从平面运动到斜坡工作状态：根据前进工作状态所述，机器人运动波形向前传递，传到最后一个关节(前进方向的头部关节)时，控制板给SMA弹簧7.2通电，SMA弹簧7.1、7.3保持断电，SMA弹簧7.2收缩迫使机器人关节抬头落在坡面上，同时头部关节的足底部爪刺结构增大了摩擦力，保证机器人在斜坡上不滑落，再按照所述前进工作状态继续向上爬坡。
Claims (9)
1.一种多足仿生柔性机器人，其特征在于，设有多个柔性关节；每个关节均包括三个形状记忆合金弹簧，三个形状记忆合金弹簧呈等腰三角形布置，用于在通电状态下产生收缩以驱动柔性关节的左右变形实现左右转向，以及从后向前依次通断电驱动各个柔性关节的拱起变形实现机器人的拱动前进；
连接部，设置在每个关节两端，用于连接三个形状记忆合金弹簧的两端；
复位部，用于形状记忆合金弹簧断电后柔性关节的复位；
足部，用于支撑关节，并提供前进和爬坡的摩擦力。
2.根据权利要求1所述的多足仿生柔性机器人，其特征在于，所述足部底部设有多个爪刺，爪刺伸出方向向后倾斜。
3.根据权利要求2所述的多足仿生柔性机器人，其特征在于，所述爪刺相对足部底部倾斜夹角为30-60°。
4.根据权利要求1所述的多足仿生柔性机器人，其特征在于，所述复位部为复位弹簧。
5.根据权利要求4所述的多足仿生柔性机器人，其特征在于，所述连接部两端均设有凸台，用于复位弹簧的套接固定。
6.根据权利要求5所述的多足仿生柔性机器人，其特征在于，所述凸台上设有减重孔洞结构。
7.根据权利要求1所述的多足仿生柔性机器人，其特征在于，所述连接部为垫片，所述形状记忆合金弹簧通过连接件与垫片相连。
8.根据权利要求2所述的多足仿生柔性机器人，其特征在于，所述连接部采用绝缘材料制成。
9.根据权利要求1所述的多足仿生柔性机器人，其特征在于，所述柔性关节设有用于减重的镂空结构。
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