CN113510692A - 一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人及控制方法，包括连接杆和连接杆连接的两个可变半径轮，可变半径轮包括支撑框架、扇形轮、普通弹簧、形状记忆合金弹弹簧。本发明中扇形轮可沿支撑框架径向进行移动，实现滚动过程中轮径大小可以调节的功能；而且依次单独控制两侧对称位置的扇形轮沿薄壁曲面进行往复运动，能够实现向前滚动的运动；利用圆锥物体滚动轨迹为圆周的特性，在滚动过程中控制单侧所有扇形轮同时沿曲面薄壁回缩，而另一侧的扇形轮依照特定序列进行回缩，可实现滚动机器人向扇形轮收缩一侧转弯的运动；本发明实现了滚动机器人驱动系统的微型化，大大降低了滚动机器人系统的结构复杂性。

Description

一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人及控制方法
技术领域
本发明属于机器人领域，具体涉及一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人及控制方法。
背景技术
相比于其他运动方式的机器人，滚动机器人具有运动速度快、结构简单、可靠性强的特点，能够广泛应用在各种任务环境中。目前滚动机器人多由电机驱动，依靠两轮差动实现转弯。这种滚动机器人的转弯结构体积大、结构复杂。中国发明专利CN110171498A提出一种通过推杆向侧面偏移实现转弯的方法，简单可靠，但该方法存在转向结构占用侧向空间大的缺点，一定程度上限制了其应用范围。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人及控制方法。
其中所述可转弯滚动机器人包括连接杆和连接杆连接的两个可变半径轮，可变半径轮包括支撑框架、扇形轮、普通弹簧、形状记忆合金弹弹簧；
所述支撑框架的中心为方框-圆盘结构，方框位于圆盘中心，方框四个侧面上对应的结构相同；对于某一侧面而言，该侧面中心有一圆柱，圆柱外侧为对称分布的曲面薄壁，圆柱与曲面薄壁存在间隙，且曲面薄壁长度远长于圆柱；圆柱与普通弹簧形成同心嵌套配合，方框侧面与普通弹簧末端接触；曲面薄壁外端与所述扇形轮形成移动副，同时防止扇形轮相对于曲面薄壁发生相对转动；方框边缘设有用于限制形状记忆合金弹簧端部发生轴向位移的结构，且能够防止形状记忆合金弹簧末端脱离方框；
所述扇形轮设有耳板，与扇形轮盘保持垂直，耳板周围设置有用于限制形状记忆合金弹簧另一端部发生轴向位移的结构，且防止形状记忆合金弹簧末端脱离耳板；耳板设有弧形通孔，与曲面薄壁形成移动副，实现扇形轮沿支撑框架径向进行移动；耳板表面与普通弹簧末端接触；
所述普通弹簧在机器人滚动前呈自然状态；
所述形状记忆合金弹簧具有单程形状记忆效应，在机器人滚动前呈自然状态；
所述连接杆与两侧支撑框架方框中心固定连接。
进一步的，所述连接杆为圆柱形杆件，用于与支撑框架方框中心的通孔形成过盈配合，实现两侧支撑框架的固定连接。
进一步的，方框边缘设置的用于限制形状记忆合金弹簧端部发生轴向位移的结构，以及耳板周围设置的用于限制形状记忆合金弹簧另一端部发生轴向位移的结构为两个相对布置的倒钩。
进一步的，方框边缘设置的两个相对布置的倒钩对称分布在圆柱两侧，并与曲面薄壁呈十字交叉分布；耳板周围设置的两个相对布置的倒钩与弧形通孔呈十字交叉分布在耳板上。
进一步的，所述普通弹簧具有双平末端，与方框各个侧面上的圆柱同心配合，内侧末端接触方框侧面，外侧末端与扇形轮上的耳板内侧面接触。
进一步的，所述形状记忆合金弹簧具有双平末端，与方框各个侧面上的曲面薄壁同心配合，内侧末端被方框边缘的倒钩固定，外侧末端被扇形轮耳板边缘的倒钩固定，具有单程形状记忆效应，在滚动前呈自然状态。
进一步的，所述支撑框架中的圆盘为电池和控制电路板提供安装位置。
一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人的控制方法，在直线滚动模式中，通过连接杆连接的两个可变半径轮上的所有结构运动顺序和状态均一致，控制过程包括以下步骤，以顺时针滚动进行说明：
第一步：开始直线滚动时，位于左侧两个扇形轮处的形状记忆弹簧首先通电收缩，扇形轮沿曲面薄壁向内侧移动，此时整体结构左右不对称出现顺时针滚动力矩，驱动机器人向右侧滚动。
第二步：当滚动机器人向右滚动至每个可变半径轮上均有2个扇形轮接触地面时，整体结构依靠4个扇形轮与地面接触点之间支撑，整体结构相对稳定；
第三步：位于右侧并与地面接触的扇形轮上的形状记忆合金弹簧通电收缩，整体结构失去稳定支撑，产生顺时针滚动力矩驱动机器人滚动前进；与此同时上一步通电收缩的形状记忆合金弹簧断电，在普通弹簧的弹力作用下断电的形状记忆合金弹簧恢复原长；
第四步：当滚动机器人处于第三步通电的形状记忆合金弹簧对应的扇形轮与地面正向接触状态时，使第三步通电的形状记忆合金弹簧断电，在普通弹簧的辅助下滚动机器人完成一个直线滚动周期。
一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人的控制方法，当需要向一侧转弯时，该侧可变半径轮上的4个形状记忆合金弹簧全部通电收缩，驱使扇形轮向内侧移动，另一侧可变半径轮保持初始状态不变；两侧可变半径轮直径不同，当另一侧可变半径轮按照直线滚动模式运动，可转向滚动机器人由于内外两侧轮径不同产生圆周运动，实现滚动转弯功能。
有益效果
本发明提出的滚动机器人装置，从其机械结构和驱动原理可知具有如下有益效果：
(1)扇形轮可沿支撑框架径向进行移动，实现滚动过程中轮径大小可以调节的功能；
(2)依次单独控制两侧对称位置的扇形轮沿薄壁曲面进行往复运动，能够实现向前滚动的运动。利用圆锥物体滚动轨迹为圆周的特性，在滚动过程中控制单侧所有扇形轮同时沿曲面薄壁回缩，而另一侧的扇形轮依照特定序列进行回缩，可实现滚动机器人向扇形轮收缩一侧转弯的运动；
(3)相比于发明专利CN110171498A，本发明使用单程形状记忆合金弹簧进行驱动，同时使用普通弹簧辅助形状记忆合金弹簧恢复原长，实现了滚动机器人驱动系统的微型化，大大降低了滚动机器人系统的结构复杂性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人结构示意图。
图2为本发明支撑框架结构示意图。
图3为本发明支撑框架结构侧视图。
图4为本发明扇形轮结构示意图。
图5为本发明扇形轮结构正视图。
图6为可转向滚动机器人直线滚动运动控制示意图。
图7为可转向滚动机器人滚动转弯运动控制示意图。
图中：
1.支撑框架；2.扇形轮；3.形状记忆合金弹簧；4.普通弹簧；5.连接杆。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本实施例提供一种机械结构简单、体积小巧、可靠性高的基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，并给出了控制方法。
如图1所示，基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人包括：支撑框架1、扇形轮2、普通弹簧3、形状记忆合金弹簧4和连接杆5。
如图2、图3所示，支撑框架1包含方框1-1、曲面薄壁1-2、圆柱1-3、倒钩1-4、圆形底盘1-5和通孔1-6。方框1-1的圆形底盘1-5为电池和控制电路板提供安装位置。方框1-1的四个侧面中心各分布一个圆柱1-3，用于限制普通弹簧发生径向移动。方框1-1的四个侧面均有两个曲面薄壁1-2同心对称分布在圆柱两侧，用于为扇形轮2提供支撑。圆柱1-3长度远小于曲面薄壁1-2，且与曲面薄壁1-2间存在间隙，用于装配普通弹簧3。方框1-1四个侧面均设有两个倒钩1-4，倒钩1-4对称分布在圆柱1-3两侧，并与曲面薄壁1-2呈十字交叉分布，用于限定形状记忆合金弹簧末端，防止脱离支撑框架1-1。
如图4、图5所示，扇形轮包含耳板2-1、倒钩2-2、扇形轮盘2-3和弧形通孔2-4。耳板2-1垂直于扇形轮盘2-3，弧形通孔2-4和倒钩2-2呈十字交叉分布在耳板上。倒钩2-2用于限定形状记忆合金弹簧末端以防止脱离扇形轮2。弧形通孔2-4用于与支撑框架1上的曲面薄壁1-2配合形成移动副，以便扇形轮2沿支撑框架1径向移动，实现调节轮径大小的功能。
如图1所示，将连接杆5的两端依次插入两个支撑框架1的通孔1-6中，实现可转弯滚动机器人的两个轮子的连接。将普通弹簧3沿圆柱1-3轴向推入至圆柱1-3底部，使普通弹簧3与圆柱1-3形成同心配合，并使普通弹簧3的平末端与方框1-1侧面保持接触。接着将形状记忆合金弹簧4沿曲面薄壁1-2推入到底，将形状记忆合金弹簧的平末端挂在两个倒钩2-2上。然后保持扇形轮2上的耳板2-1位于支撑框架1内侧，并将曲面薄壁1-2穿过扇形轮2上的弧形通孔2-4，同时将形状记忆合金弹簧4另一未固定平末端挂在扇形轮2上的倒钩2-2上，此时扇形轮2上的耳板2-1表面与普通弹簧平末端保持接触。形状记忆合金弹簧4和普通弹簧3均处于自然状态。按照上述扇形轮2的组装方法，安装其余7个扇形轮2，完成基于形状记忆合金弹簧的可转弯滚动机器人的组装过程。
具体使用方法如下：
基于形状记忆合金驱动的可转向滚动机器人可以实现直线滚动运动。在直线滚动模式中，通过连接杆5连接的两个可变半径轮上的所有结构运动顺序和状态均一致。可转向滚动机器人初始状态见图6(a)，所有形状记忆合金弹簧4全部处于原长状态。
第一步：开始直线滚动时，位于左侧两个扇形轮2处的形状记忆弹簧4首先通电收缩，扇形轮2沿曲面薄壁1-2向内侧移动至图6(b)所示状态。此时整体结构左右不对称出现顺时针滚动力矩，驱动机器人向右侧滚动。
第二步：当滚动机器人向右滚动至图6(c)状态，每个可变半径轮上均有2个扇形轮2接触地面，整体结构依靠4个扇形轮2与地面接触点之间支撑，整体结构相对稳定。
第三步：接着位于右侧并与地面接触的扇形轮2上的形状记忆合金弹簧4通电收缩，整体结构失去稳定支撑，产生顺时针滚动力矩驱动机器人滚动前进。参考图6(d)，与此同时上一步通电收缩的形状记忆合金弹簧4断电，在普通弹簧3的弹力作用下形状记忆合金弹簧4恢复原长。
第四步：当滚动机器人处于图6(e)所示状态时，使第三步通电的形状记忆合金弹簧4断电，在普通弹簧3的辅助下滚动机器人完成一个直线滚动周期，其状态如图6(f)所示。
基于形状记忆合金驱动的可转向滚动机器人可以实现滚动转弯功能。滚动机器人的初始状态见图7(a)。当需要向一侧转弯时，该侧可变半径轮上的4个形状记忆合金弹簧4全部通电收缩，驱使扇形轮2向内侧移动，另一侧可变半径轮保持初始状态不变。两侧可变半径轮直径不同，当另一侧可变半径轮按照直线滚动模式运动时，可转向滚动机器人由于内外两侧轮径不同产生圆周运动，实现滚动转弯功能。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，其特征在于：包括连接杆和连接杆连接的两个可变半径轮，可变半径轮包括支撑框架、扇形轮、普通弹簧、形状记忆合金弹弹簧；
所述支撑框架的中心为方框-圆盘结构，方框位于圆盘中心，方框四个侧面上对应的结构相同；对于某一侧面而言，该侧面中心有一圆柱，圆柱外侧为对称分布的曲面薄壁，圆柱与曲面薄壁存在间隙，且曲面薄壁长度远长于圆柱；圆柱与普通弹簧形成同心嵌套配合，方框侧面与普通弹簧末端接触；曲面薄壁外端与所述扇形轮形成移动副，同时防止扇形轮相对于曲面薄壁发生相对转动；方框边缘设有用于限制形状记忆合金弹簧端部发生轴向位移的结构，且能够防止形状记忆合金弹簧末端脱离方框；
所述扇形轮设有耳板，与扇形轮盘保持垂直，耳板周围设置有用于限制形状记忆合金弹簧另一端部发生轴向位移的结构，且防止形状记忆合金弹簧末端脱离耳板；耳板设有弧形通孔，与曲面薄壁形成移动副，实现扇形轮沿支撑框架径向进行移动；耳板表面与普通弹簧末端接触；
所述普通弹簧在机器人滚动前呈自然状态；
所述形状记忆合金弹簧具有单程形状记忆效应，在机器人滚动前呈自然状态；
所述连接杆与两侧支撑框架方框中心固定连接。
2.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，其特征在于：所述连接杆为圆柱形杆件，用于与支撑框架方框中心的通孔形成过盈配合，实现两侧支撑框架的固定连接。
3.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，其特征在于：方框边缘设置的用于限制形状记忆合金弹簧端部发生轴向位移的结构，以及耳板周围设置的用于限制形状记忆合金弹簧另一端部发生轴向位移的结构为两个相对布置的倒钩。
4.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，其特征在于：方框边缘设置的两个相对布置的倒钩对称分布在圆柱两侧，并与曲面薄壁呈十字交叉分布；耳板周围设置的两个相对布置的倒钩与弧形通孔呈十字交叉分布在耳板上。
5.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，其特征在于：所述普通弹簧具有双平末端，与方框各个侧面上的圆柱同心配合，内侧末端接触方框侧面，外侧末端与扇形轮上的耳板内侧面接触。
6.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，其特征在于：所述形状记忆合金弹簧具有双平末端，与方框各个侧面上的曲面薄壁同心配合，内侧末端被方框边缘的倒钩固定，外侧末端被扇形轮耳板边缘的倒钩固定，具有单程形状记忆效应，在滚动前呈自然状态。
7.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，其特征在于：所述支撑框架中的圆盘为电池和控制电路板提供安装位置。
8.一种权利要求1所述可转弯滚动机器人的控制方法，其特征在于：在直线滚动模式中，通过连接杆连接的两个可变半径轮上的所有结构运动顺序和状态均一致，控制过程包括以下步骤，以顺时针滚动进行说明：
第一步：开始直线滚动时，位于左侧两个扇形轮处的形状记忆弹簧首先通电收缩，扇形轮沿曲面薄壁向内侧移动，此时整体结构左右不对称出现顺时针滚动力矩，驱动机器人向右侧滚动。
第二步：当滚动机器人向右滚动至每个可变半径轮上均有2个扇形轮接触地面时，整体结构依靠4个扇形轮与地面接触点之间支撑，整体结构相对稳定；
第三步：位于右侧并与地面接触的扇形轮上的形状记忆合金弹簧通电收缩，整体结构失去稳定支撑，产生顺时针滚动力矩驱动机器人滚动前进；与此同时上一步通电收缩的形状记忆合金弹簧断电，在普通弹簧的弹力作用下断电的形状记忆合金弹簧恢复原长；
第四步：当滚动机器人处于第三步通电的形状记忆合金弹簧对应的扇形轮与地面正向接触状态时，使第三步通电的形状记忆合金弹簧断电，在普通弹簧的辅助下滚动机器人完成一个直线滚动周期。
9.根据权利要求8所述控制方法，其特征在于：当需要向一侧转弯时，该侧可变半径轮上的4个形状记忆合金弹簧全部通电收缩，驱使扇形轮向内侧移动，另一侧可变半径轮保持初始状态不变；两侧可变半径轮直径不同，当另一侧可变半径轮按照直线滚动模式运动，可转向滚动机器人由于内外两侧轮径不同产生圆周运动，实现滚动转弯功能。
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