CN113635294A - 一种基于sma驱动的全向模块化的软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，包括第一弯曲模块、旋转模块和第二弯曲模块，所述第一弯曲模块通过旋转模块与第二弯曲模块连接，所述第一弯曲模块和第二弯曲模块的结构等同，所述第一弯曲模块和第二弯曲模块以旋转模块为中心相对设置；所述旋转模块包括第二连接板、直立柱、SMA弹簧和第三连接板，所述SMA弹簧的上端与第二连接板连接，所述SMA弹簧的下端与第三连接板连接，所述SMA弹簧位于直立柱的外侧且呈倾斜状，所述直立柱两端分别与第二连接板和第三连接板连接，旋转模块位于第一弯曲模块和第二弯曲模块之间，使软体机器人同时实现弯曲和旋转的功能，适应复杂的环境作业。

Description

一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人

技术领域

本发明涉及柔性机器人的技术领域，具体涉及一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人。

背景技术

柔性机器人相较于刚体机器人拥有更多的操作空间以及对环境的适应性，目前柔性机器人广泛应用于医疗、管道勘测、工业制造等一些领域的复杂作业环境。柔性机器人相较于刚体机器人具有更多可控的自由度，单个柔性机构拥有更为广泛的用途，以及更多可选择的驱动方式如：形状记忆合金驱动、气压驱动、智能材料驱动、绳驱动和光驱动；良好的柔顺性也是大多数刚体机器人所不具有的，近年来SMA被作为一种应用于柔性机器人的新型驱动方式，其材料拥有形变大、输出力大以和结构紧凑的特点。

SMA是一种具有形状记忆效应的由两种以上金属元素构成的材料，这类材料可在发生形变后通过一些刺激改变材料的晶体结构使其恢复到原来的形状，这类材料的应用集中于生物医疗、航空航天领域。其中常见的材料以Ni-Ti合金体系居多，SMA在柔性机器人中作为一种新型的智能复合材料，被应用到了许多的柔性机器人设计中。虽然柔性机器人多自由度的模块化驱动器的发展日趋完善和成熟，但是这其中很多被设计出来的机构还是有很多的改进空间，现有技术中很少有可以同时旋转和弯曲的软体机器人，且结构较为简单的软体机器人。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人。同时实现弯曲和旋转的功能，适应复杂的环境作业。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，包括第一弯曲模块、旋转模块和第二弯曲模块，所述第一弯曲模块通过旋转模块与第二弯曲模块连接，所述第一弯曲模块和第二弯曲模块的结构等同，所述第一弯曲模块和第二弯曲模块以旋转模块为中心相对设置；

所述旋转模块包括第二连接板、直立柱、SMA弹簧和第三连接板，所述SMA弹簧的上端与第二连接板连接，所述SMA弹簧的下端与第三连接板连接，所述SMA弹簧位于直立柱的外侧且呈倾斜状，所述直立柱的上端与第二连接板连接，所述直立柱的下端与第三连接板连接。

优选的，所述SMA弹簧与第三连接板之间的角度为45°～70°。

优选的，所述直立柱的中部外径小于直立柱的两端外径。

优选的，所述直立柱的两端外径沿着直立柱的中部逐渐减小。

优选的，所述第一弯曲模块包括第一连接板、斜立柱、拉伸弹簧和复位弹簧，所述斜立柱的一端与第一连接板连接，所述斜立柱的另一端与第二连接板连接，所述拉伸弹簧和复位弹簧均安装于斜立柱的柱身内。

优选的，所述斜立柱的柱身设有第一凹槽和第二凹槽，所述拉伸弹簧安装于第一凹槽，所述复位弹簧安装于第二凹槽。

优选的，所述斜立柱与第二连接板之间的角度为45°～80°。

优选的，所述斜立柱和直立柱均采用硅胶材料制成。

优选的，所述第二连接板和第三连接板的外径等同，所述第一连接板的外径大于第二连接板的外径。

本发明相对现有技术具有以下优点及有益效果：

1、本发明的基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，此软体机器人的第一弯曲模块通过旋转模块与第二弯曲模块连接，第一弯曲模块和第二弯曲模块的结构等同，第一弯曲模块和第二弯曲模块以旋转模块为中心相对设置，第一弯曲模块和第二弯曲模块相互配合实现更大的弯曲与伸展，旋转模块位于第一弯曲模块和第二弯曲模块之间，使软体机器人同时实现弯曲和旋转的功能，适应复杂的环境作业。

2、本发明的基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，此软体机器人的SMA弹簧的上端与第二连接板连接，SMA弹簧的下端与第三连接板连接，SMA弹簧位于直立柱的外侧且呈倾斜状，直立柱两端分别与第二连接板和第三连接板连接，控制电路对SMA弹簧进行电加热，SMA弹簧的两端产生张力，使第二连接板和第三连接板朝反方向旋转，实现软体机器人的旋转。

3、本发明的基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，此软体机器人的直立柱的中部外径小于直立柱的两端外径，直立柱的中部材料减小，相对结构应力变弱，减小SMA弹簧产生张力的电流，使直立柱更加容易扭转。

4、本发明的基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，此软体机器人的斜立柱的一端与第一连接板连接，所述斜立柱的另一端与第二连接板连接，所述拉伸弹簧和复位弹簧均安装于斜立柱的柱身内，控制电路对拉伸弹簧进行电加热，使拉伸弹簧朝向两端施加应力，导致第一连接板和第二连接板相对运动，使第一连接板和第二连接板相互靠拢和分离，断开电路复位弹簧使第一连接板和第二连接板恢复原状。

附图说明

图1是本发明的一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人的示意图。

图2是本发明一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人的旋转模块示意图。

图3是本发明一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人的斜立柱示意图。

图4是本发明一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人的组合拼接示意图。

其中，1为第一弯曲模块，11为第一连接板，12为斜立柱，13为拉伸弹簧，14为复位弹簧，2为旋转模块，21为第二连接板，22为SMA弹簧，23为直立柱，24为第三连接板，3为第二弯曲模块，31为第四连接板。

具体实施方式

下面接合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1至4所示，一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，包括第一弯曲模块1、旋转模块2和第二弯曲模块3，所述第一弯曲模块1通过旋转模块2与第二弯曲模块3连接，所述第一弯曲模块1和第二弯曲模块3的结构等同，所述第一弯曲模块1和第二弯曲模块3以旋转模块2为中心相对设置；第一弯曲模块1和第二弯曲模块3相互配合实现更大的弯曲与伸展，旋转模块2位于第一弯曲模块1和第二弯曲模块3之间，使软体机器人同时实现弯曲和旋转的功能，适应复杂的环境作业，可以按照不同应用场景的要求进行若干个模块的拼接，实现不同应用的需要。

所述旋转模块2包括第二连接板21、直立柱23、SMA弹簧22和第三连接板24，所述SMA弹簧22的上端与第二连接板21连接，所述SMA弹簧22的下端与第三连接板24连接，所述SMA弹簧22位于直立柱23的外侧且呈倾斜状，此SMA弹簧22可以设置多根，多根SMA弹簧22均围绕与直立柱23，所述直立柱23两端分别与第二连接板21和第三连接板24连接，通过PWM对流经SMA弹簧22的电流大小来控制SMA弹簧22的受热温度，从而使得SMA弹簧22受热发生形变转换到高温，控制电路对SMA弹簧22进行电加热，SMA弹簧22的两端产生张力，使第二连接板21和第三连接板24朝反方向旋转，直立柱23具备一定的复原能力，当断开电流，直立柱23使旋转模块2复原，从而实现软体机器人的旋转与复位。

所述SMA弹簧22与第三连接板24之间的角度为45°～70°，此实施例中SMA弹簧22与第三连接板24之间的角度为65°，通过实验得出此65°为旋转模块2的最佳工作效率，也可以根据不同旋转角度需要，调整SMA弹簧22与第三连接板24之间的角度。

所述直立柱23的中部外径小于直立柱23的两端外径，直立柱23的中部材料减小，相对结构应力变弱，减小SMA弹簧22产生张力的电流，使直立柱23更加容易扭转，从而提高旋转模块2的工作效率。

所述直立柱23的两端外径沿着直立柱23的中部逐渐减小，采用平滑逐渐减小直立柱23的中部材料，而非阶梯式的结构，当直立柱23受到旋转的扭力时，不会因为结构突然变化，从而发生直立柱23断裂的现象，保护了直立柱23的结构稳定性。

所述第一弯曲模块1包括第一连接板11、斜立柱12、拉伸弹簧13和复位弹簧14，所述斜立柱12的一端与第一连接板11连接，所述斜立柱12的另一端与第二连接板21连接，所述拉伸弹簧13和复位弹簧14均安装于斜立柱12的柱身内，此拉伸弹簧13和复位弹簧14均采用Ni-Ti形状记忆合金，采用多根斜立柱12，对不同斜立柱12内的拉伸弹簧13施加不同大小的电流，使拉伸弹簧13朝向两端施加应力，导致第一连接板11和第二连接板21相对运动，使第一连接板11和第二连接板21相互靠拢或分离，断开电路复位弹簧14使第一连接板11和第二连接板21恢复原状。

所述斜立柱12的柱身设有第一凹槽和第二凹槽，所述拉伸弹簧13安装于第一凹槽，所述复位弹簧14安装于第二凹槽。在斜立柱12设有第一凹槽和第二凹槽，使斜立柱12与拉伸弹簧13和复位弹簧14的结构更加整体，用于节省第一弯曲模块1的内部空间，同时可以在第一弯曲模块1多设置几根斜立柱12，使第一弯曲模块1的结构空间利用率更加合理。

所述斜立柱12与第二连接板21之间的角度为45°～80°。此实施例中斜立柱12与第二连接板21之间的角度为60°，通过PWM对拉伸弹簧13进行电加热，第一连接板11和第二连接板21能够靠的更近，从而满足复杂环境作业的要求。

所述斜立柱12和直立柱23均采用硅胶材料制成，硅胶材料具备一定的复位能力，同时硅胶材料的耐疲劳性也较好，有利于增加软体机器人的使用寿命

所述第二连接板21和第三连接板24的外径等同，此软体机器人还设有第四连接板31，第一连接板11和第四连接板31的外径等同，所述第一连接板11的外径大于第二连接板21的外径，斜立柱12沿着第一连接板11的外壁安装，软体机器人呈现出两端大，中部的旋转模块2较小的结构，使第一弯曲1模块形成倒锥形，有利于第一弯曲模块1、旋转模块2和第二弯曲模块3之间相互配合，从而达到弯曲角度和旋转角度的最佳状态。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，其特征在于：包括第一弯曲模块、旋转模块和第二弯曲模块，所述第一弯曲模块通过旋转模块与第二弯曲模块连接，所述第一弯曲模块和第二弯曲模块的结构等同，所述第一弯曲模块和第二弯曲模块以旋转模块为中心相对设置；

所述旋转模块包括第二连接板、直立柱、SMA弹簧和第三连接板，所述SMA弹簧的上端与第二连接板连接，所述SMA弹簧的下端与第三连接板连接，所述SMA弹簧位于直立柱的外侧且呈倾斜状，所述直立柱的上端与第二连接板连接，所述直立柱的下端与第三连接板连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，其特征在于：所述SMA弹簧与第三连接板之间的角度为45°～70°。

3.根据权利要求1所述的一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，其特征在于：所述直立柱的中部外径小于直立柱的两端外径。

4.根据权利要求3所述的一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，其特征在于：所述直立柱的两端外径沿着直立柱的中部逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，其特征在于：所述第一弯曲模块包括第一连接板、斜立柱、拉伸弹簧和复位弹簧，所述斜立柱的一端与第一连接板连接，所述斜立柱的另一端与第二连接板连接，所述拉伸弹簧和复位弹簧均安装于斜立柱的柱身内。

6.根据权利要求5所述的一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，其特征在于：所述斜立柱的柱身设有第一凹槽和第二凹槽，所述拉伸弹簧安装于第一凹槽，所述复位弹簧安装于第二凹槽。

7.根据权利要求6所述的一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，其特征在于：所述斜立柱与第二连接板之间的角度为45°～80°。

8.根据权利要求7所述的一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，其特征在于：所述斜立柱和直立柱均采用硅胶材料制成。

9.根据权利要求5所述的一种基于SMA驱动的全向模块化的软体机器人，其特征在于：所述第二连接板和第三连接板的外径等同，所述第一连接板的外径大于第二连接板的外径。

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