CN113734312B - 用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人，包括多个连杆结构模块，各所述连杆结构模块首尾相连形成封闭链结构；相邻两个所述连杆结构模块之间均连接有形状记忆合金丝，各所述形状记忆合金丝能分别通电收缩带动连杆结构模块摆动，且所述连杆结构模块复位能带动各所述形状记忆合金丝复原，所述形状记忆合金丝用于驱动所述封闭链结构翻滚运动。本发明充分利用SMA的记忆效应特性，实现了各连杆结构模块的驱动，体积更小，身体更加柔软，具有更好的越障能力，具有更简单的结构，运行更加平稳。

Description

用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人

技术领域

本发明涉及智能移动机器人技术领域，尤其涉及一种用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人。

背景技术

移动机器人技术是集机械、计算机、通讯、传感器、生物学、仿生学等多门学科于一身的新兴产物，是智能机器人家族中的重要一员。移动机器人根据运动形式的不同可以分为轮式、履带式、腿式和球形机器人等，不同的运动形式赋予它不同的性能和应用场合。但是传统的驱动方式功重比较低，近年来学者们在研究如何将智能材料驱动应用于各类驱动器上。形状记忆合金驱动器利用它自身的形状记忆效应，具有形变量高、功能密度大等优点，因而被广泛应用于各个工程领域。

现有技术中有一种翻滚机器人(CN107640241A)，该机器人包括两个机体和连接两个机体的机体连接装置，所述两个机体沿着行走方向并列设置，每个机体上均设有行动轮，行动轮通过转动轴连接电机，所述机体连接装置的两端分别设有动力轴，动力轴可转动地设置在机体的中部并分别连接电机。该机器人是由两个机体构成的开链结构，只能通过逐步控制才能实现机器人的越障功能，运动速度缓慢，且采用传统电机的驱动方式，导致该机器人机身过大且笨重，容易对勘测地形产生破坏，无法完成探测任务。

随着社会对机器人需求越来越大，设计一种移动能力优异的移动机器人具有深刻的研究意义。如何实现机器人在未知环境中能够顺利越过障碍、平稳行走是一个尚待解决的重要问题。空间闭链机器人由于其特殊的结构使它具有很好的稳定性，同时还具有运动灵活、环境适应力好等特点，受到了广泛研究。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人，克服现有技术中存在的问题，本发明充分利用SMA的记忆效应特性，实现了各连杆结构模块的驱动，体积更小，身体更加柔软，具有更好的越障能力，具有更简单的结构，运行更加平稳。

本发明的目的是这样实现的，一种用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人，包括多个连杆结构模块，各所述连杆结构模块首尾相连形成封闭链结构；相邻两个所述连杆结构模块之间均连接有形状记忆合金丝，各所述形状记忆合金丝能分别通电收缩带动连杆结构模块摆动，且所述连杆结构模块复位能带动各所述形状记忆合金丝复原，所述形状记忆合金丝用于驱动所述封闭链结构翻滚运动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述连杆结构模块的数量为偶数个。

在本发明的一较佳实施方式中，各所述连杆结构模块包括连杆本体，所述连杆本体的第一端设置第一连接结构，所述连杆本体的第二端设置第二连接结构，所述第二连接结构与所述第一连接结构匹配设置以铰接相邻的连杆本体；所述连杆本体的第一端还设置固定连接结构，所述固定连接结构用于连接相邻连杆本体之间的形状记忆合金丝。

在本发明的一较佳实施方式中，各所述连杆结构模块至少连接两根形状记忆合金丝，设定为第一形状记忆合金丝和第二形状记忆合金丝，第二形状记忆合金丝靠近所述连杆本体设置，第一形状记忆合金丝远离所述连杆本体设置；所述第一形状记忆合金丝用于限制所述连杆本体在重力的作用下旋转而改变机器人初始形态，所述第二形状记忆合金丝为预拉伸处理形状记忆合金丝，所述第二形状记忆合金丝能通电收缩以驱动所述连杆本体转动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述固定连接结构包括固定连接座，所述固定连接座上设置固定座通孔，所述固定座通孔内穿设固定螺栓，所述固定螺栓固定连接所述形状记忆合金丝。

在本发明的一较佳实施方式中，各所述固定连接结构包括两个固定连接座和两个固定螺栓，各固定连接座内分别固定连接一所述第一形状记忆合金丝和一所述第二形状记忆合金丝。

在本发明的一较佳实施方式中，所述形状记忆合金丝缠绕式连接于所述固定螺栓上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一连接结构包括第一连接座，所述第一连接座上设置第一连接通孔，所述第二连接结构包括第二连接座，所述第二连接座上设置第二连接通孔，所述第一连接通孔和所述第二连接通孔能同轴对应，且所述第一连接通孔和所述第二连接通孔内穿设有连接螺栓。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一连接结构包括两个间隔设置的所述第一连接座，所述第二连接结构包括两个间隔设置的所述第二连接座。

在本发明的一较佳实施方式中，各所述连杆结构模块由3D打印制作。

由上所述，本发明的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人具有如下有益效果：

本发明中充分利用SMA的记忆效应特性，实现了各连杆结构模块的驱动，采用SMA驱动的驱动方式使机器人体积更小，身体更加柔软，更容易进入一些狭小地形工作；相对与传统轮式机器人来说，本发明具有更好的越障能力，能通过更为复杂地形；相对与腿式机器人，本发明具有更简单的结构，运行更加平稳；相对与蠕动运动，本发明具有更快的运动速度；

本发明结构对称，从而能够实现质量分布对称，结构对称和质量分布对称这两个特点使得机器人在运动过程中的速度、加速度、驱动力矩也表现出相应的对称性；

各连杆结构模块呈模块化设计，模块化是通用性、标准化的前提，模块化的设计使机器人构件具有统一的结构，简化了设计及加工流程，大大提高的生产效率；而且模块化机器人构件具有互换性，当某一构件损坏时，可直接替换，节省维修时间；

本发明的连杆结构模块由打印制作，材料轻盈，保证了本发明不会对探测地形产生破坏；

本发明结构简单，易于安装，拆卸方便，利于推广使用。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人的整体结构示意图。

图2：为本发明的连杆结构模块的结构图。

图3：为本发明的两个连杆结构模块连接状态的立体图。

图4：为本发明的两个连杆结构模块连接状态的主视图。

图5：为本发明的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人的运动原理图。

图6：为本发明的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人的越障示意图。

图中：

100、用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人；

1、连杆结构模块；

10、连杆本体；101、第一连杆本体；102、第二连杆本体；109、第九连杆本体；110、第十连杆本体；

11、第一连接结构；111、第一连接座；112、第一连接通孔；113、连接螺栓；114、连接螺母；

12、第二连接结构；121、第二连接座；122、第二连接通孔；

13、固定连接结构；131、固定连接座；132、固定螺栓；133、固定螺母；

2、形状记忆合金丝；

21、第一形状记忆合金丝；22、第二形状记忆合金丝。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图6所示，本发明提供一种用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人100，包括多个连杆结构模块1，各连杆结构模块1首尾相连形成封闭链结构；相邻两个连杆结构模块1之间均连接有形状记忆合金丝2，各形状记忆合金丝2能分别通电收缩带动连杆结构模块1摆动，且连杆结构模块复位能带动各形状记忆合金丝2复原，形状记忆合金丝2用于驱动封闭链结构翻滚运动。

作为一种新型的功能材料，形状记忆合金(SMA，Shape memory alloys，通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的两种以上金属元素所构成的材料)以其独特的形状记忆效应而备受关注，同时它还具有功率密度大、结构简单以及抗腐蚀性和生物相容性良好等特点，因而基于形状记忆合金材料的智能结构在监测、智能机器人、微机电系统和生物医疗等领域具有广阔的前景。本发明中，形状记忆合金丝2经预处理拉伸，通电收缩，断电复原。

本发明中充分利用SMA的记忆效应特性，实现了各连杆结构模块的驱动，采用SMA驱动的驱动方式使机器人体积更小，身体更加柔软，更容易进入一些狭小地形工作；相对与传统轮式机器人来说，本发明具有更好的越障能力，能通过更为复杂地形；相对与腿式机器人，本发明具有更简单的结构，运行更加平稳；相对与蠕动运动，本发明具有更快的运动速度；

各连杆结构模块呈模块化设计，模块化是通用性、标准化的前提，模块化的设计使机器人构件具有统一的结构，简化了设计及加工流程，大大提高的生产效率；而且模块化机器人构件具有互换性，当某一构件损坏时，可直接替换，节省维修时间；

本发明结构简单，易于安装，拆卸方便，利于推广使用。

进一步，如图1所示，连杆结构模块1的数量为偶数个。在本实施方式中，连杆结构模块1的数量为12个。偶数个连杆结构模块1，使得本发明能够形成对称结构。研究表明，对称性的结构在原理和功能上，可以有效的提高机械系统的性能，可以大大简化设计过程、降低整个控制系统的复杂程度、避免出现奇异位形等。因此，对称性结构在机械系统中具有十分重要的地位。本发明结构对称，从而能够实现质量分布对称，结构对称和质量分布对称这两个特点使得机器人在运动过程中的速度、加速度、驱动力矩也表现出相应的对称性。

进一步，如图2、图3所示，各连杆结构模块1包括连杆本体10，连杆本体10的第一端设置第一连接结构11，连杆本体10的第二端设置第二连接结构12，第二连接结构12与第一连接结构11匹配设置以铰接相邻的连杆本体10；连杆本体10的第一端还设置固定连接结构13，固定连接结构13用于连接相邻连杆本体10之间的形状记忆合金丝2。在本实施方式中，第一连接结构11和第二连接结构12呈相同结构设置。

进一步，如图3、图4所示，各连杆结构模块1至少连接两根形状记忆合金丝，设定为第一形状记忆合金丝21和第二形状记忆合金丝22，第二形状记忆合金丝22靠近连杆本体10设置，第一形状记忆合金丝21远离连杆本体10设置；第一形状记忆合金丝21用于限制连杆本体在重力的作用下旋转(顺时针或逆时针)而改变机器人初始形态，即其作用为保持机器人初始形态；第二形状记忆合金丝22为预拉伸处理形状记忆合金丝，第二形状记忆合金丝22能通电收缩以驱动连杆本体10转动。由于本发明为封闭链结构，每个连杆结构模块1之间相互牵制，通过对不同连杆结构模块1进行驱动，就能实现本发明的向前或者向后运动。

进一步，如图2、图3、图4所示，固定连接结构13包括固定连接座131，固定连接座131上设置固定座通孔，固定座通孔内穿设固定螺栓132，固定螺栓132通过固定螺母133固定于固定连接座131上，固定螺栓132固定连接形状记忆合金丝2。在本发明的一具体实施例中，固定螺栓132和固定螺母133分别为型号M3的螺栓和型号M3的螺母，二者装配连接对SMA丝起固定作用。

如图2、图3所示，在本实施方式中，各固定连接结构包括两个固定连接座131和两个固定螺栓132，各固定连接座131内分别固定连接一第一形状记忆合金丝21和一第二形状记忆合金丝22，则一个连杆结构模块1共计连接四根形状记忆合金丝。

在本实施方式中，形状记忆合金丝2缠绕式连接于固定螺栓132上。

进一步，如图2、图3所示，第一连接结构11包括第一连接座111，第一连接座111上设置第一连接通孔112，第二连接结构12包括第二连接座121，第二连接座121上设置第二连接通孔122，第一连接通孔112和第二连接通孔122能同轴对应，且第一连接通孔112和第二连接通孔122内穿设有连接螺栓113，连接螺栓113通过连接螺母114固定。在本发明的一具体实施例中，连接螺栓113和连接螺母114分别为型号M3的螺栓和型号M3的螺母，二者装配在第一连接结构11和第二连接结构12上，将相邻的两个连杆本体10装配在一起(仅起限位作用，并无紧固力，保证相邻两个连杆本体10能够相互转动)，连接螺栓113构成相邻两个连杆本体10之间的铰接轴。

如图2、图3所示，在本发明的一具体实施例中，第一连接结构11包括两个间隔设置的第一连接座111，两个第一连接通孔112及固定座通孔呈同轴设置；第二连接结构12包括两个间隔设置的第二连接座121，两个第二连接通孔122呈同轴设置。

进一步，各连杆结构模块1由3D打印制作。连杆本体10及其上的第一连接座111、第二连接座121和固定连接座131均整体打印制作，材料轻盈，保证了本发明不会对探测地形产生破坏。

本发明的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人100的工作原理如下：

如图5所示，以12个连杆结构模块1构成的本发明为例，设定一个连杆本体为第一连杆本体101，设定与其相邻的连杆本体为第二连杆本体102，设定与第一连杆本体101对称的连杆本体为第十连杆本体110，与第二连杆本体102对称的连杆本体为第九连杆本体109；

第一连杆本体101与第二连杆本体102之间的第二形状记忆合金丝22通电，驱动第二连杆本体102绕着旋转轴(连接螺栓113)顺时针运动，当第二连杆本体102运动到一定角度时，其它杆件也会受到牵制力的影响向右移动(图5中的方向)。同时，第九连杆本体109和第十连杆本体110之间的第二形状记忆合金丝22通电，驱动第九连杆本体109绕着旋转轴(连接螺栓113)顺时针运动。在第二连杆本体102和第九连杆本体109的共同驱动下，本发明的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人100会发生向右(图5中的方向)的翻转运动。直到第二连杆本体102旋转45°，机器人的形态恢复到了初始形态，只是整体向右移动了一个连杆本体长度的距离。

将上述运动过程命名为step1，本实施例由12个连杆结构模块1构成，所以只需对12个连杆结构模块1循环驱动，重复step1中的过程，循环12次就可以驱动机器人进行一个完整的翻滚运动。还可以通过实际越障需要进行要求次数的驱动，本发明的一越障示意如图6所示。

由上所述，本发明的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人具有如下有益效果：

本发明中充分利用SMA的记忆效应特性，实现了各连杆结构模块的驱动，采用SMA驱动的驱动方式使机器人体积更小，身体更加柔软，更容易进入一些狭小地形工作；相对与传统轮式机器人来说，本发明具有更好的越障能力，能通过更为复杂地形；相对与腿式机器人，本发明具有更简单的结构，运行更加平稳；相对与蠕动运动，本发明具有更快的运动速度；

本发明结构对称，从而能够实现质量分布对称，结构对称和质量分布对称这两个特点使得机器人在运动过程中的速度、加速度、驱动力矩也表现出相应的对称性；

各连杆结构模块呈模块化设计，模块化是通用性、标准化的前提，模块化的设计使机器人构件具有统一的结构，简化了设计及加工流程，大大提高的生产效率；而且模块化机器人构件具有互换性，当某一构件损坏时，可直接替换，节省维修时间；

本发明的连杆结构模块由打印制作，材料轻盈，保证了本发明不会对探测地形产生破坏；

本发明结构简单，易于安装，拆卸方便，利于推广使用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人，其特征在于，包括多个连杆结构模块，各所述连杆结构模块首尾相连形成封闭链结构；相邻两个所述连杆结构模块之间均连接有形状记忆合金丝，各所述形状记忆合金丝能分别通电收缩带动连杆结构模块摆动，且所述连杆结构模块复位能带动各所述形状记忆合金丝复原，所述形状记忆合金丝用于驱动所述封闭链结构翻滚运动；

各所述连杆结构模块包括连杆本体，所述连杆本体的第一端设置第一连接结构，所述连杆本体的第二端设置第二连接结构，所述第二连接结构与所述第一连接结构匹配设置以铰接相邻的连杆本体；所述连杆本体的第一端还设置固定连接结构，所述固定连接结构用于连接相邻连杆本体之间的形状记忆合金丝；

各所述连杆结构模块至少连接两根形状记忆合金丝，设定为第一形状记忆合金丝和第二形状记忆合金丝，第二形状记忆合金丝靠近所述连杆本体设置，第一形状记忆合金丝远离所述连杆本体设置；所述第一形状记忆合金丝用于限制所述连杆本体在重力的作用下旋转而改变机器人初始形态，所述第二形状记忆合金丝为预拉伸处理形状记忆合金丝，所述第二形状记忆合金丝能通电收缩以驱动所述连杆本体转动。

2.如权利要求1所述的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人，其特征在于，所述连杆结构模块的数量为偶数个。

3.如权利要求1所述的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人，其特征在于，所述固定连接结构包括固定连接座，所述固定连接座上设置固定座通孔，所述固定座通孔内穿设固定螺栓，所述固定螺栓固定连接所述形状记忆合金丝。

4.如权利要求3所述的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人，其特征在于，各所述固定连接结构包括两个固定连接座和两个固定螺栓，各固定连接座内分别固定连接一所述第一形状记忆合金丝和一所述第二形状记忆合金丝。

5.如权利要求3所述的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人，其特征在于，所述形状记忆合金丝缠绕式连接于所述固定螺栓上。

6.如权利要求1所述的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人，其特征在于，所述第一连接结构包括第一连接座，所述第一连接座上设置第一连接通孔，所述第二连接结构包括第二连接座，所述第二连接座上设置第二连接通孔，所述第一连接通孔和所述第二连接通孔能同轴对应，且所述第一连接通孔和所述第二连接通孔内穿设有连接螺栓。

7.如权利要求6所述的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人，其特征在于，所述第一连接结构包括两个间隔设置的所述第一连接座，所述第二连接结构包括两个间隔设置的所述第二连接座。

8.如权利要求2所述的用形状记忆合金驱动的闭链翻滚机器人，其特征在于，各所述连杆结构模块由3D打印制作。

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