CN113927589B - 利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用形状记忆合金丝“约束‑编织”方法实现的曲线执行器，包括基体、形状记忆合金丝a和形状记忆合金丝b，所述的基体包括一个基板和一个前足单元，基板和前足单元相互铰接，其上设计有若干约束孔；形状记忆合金丝a和形状记忆合金丝b以一定的方式穿过约束孔，构成“约束‑编织”方法的曲线执行器。在形状记忆合金丝a和b接受交替电信号时，曲线执行器的两个铰接的部分可来回摆动。该执行器易于移植作为各式各样轻质的软体机器人的执行部件，且其中动力元件形状记忆合金所具有的柔顺性允许该执行器与人类安全地交互。该驱动器具有双程自由度，高可控性的特点。

Description

利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器
技术领域
本发明属于曲线执行器领域，具体涉及一种利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器。
背景技术
温控形状记忆合金是一种具有加热后发生相变从而产生变形的可变刚度材料，而单程温控形状记忆合金丝则具有在无约束情形下加热转变为“记忆状态”、未加热时为任意形态的金属丝。其中，以“记忆状态”为直线形的形状记忆合金丝应用范围最广。其常常用于实现可进行双程驱动的执行器，这种执行器常见的实现形式有基于应力不匹配的“形状记忆合金-弹性基材”复合结构，以及在结构中加热后终稳态为直线或近直线的一对相互竞争的形状记忆合金丝结构。
然而，目前的研究较少关注点约束情况下形状记忆合金丝加热后的空间变化行为。在点约束下，形状记忆合金的加热终稳态往往呈现曲线的形式，且在加热转变过程中其行为与无约束情况下行为有较大差别，而几乎没有基于曲线形式的形状记忆合金行为进行双程执行器设计的研究。故我们提出一种通过将形状记忆合金丝编织于孔状约束(可视为点约束)的配置方法实现双程执行机构的策略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器。本发明利用未加热形状记忆合金丝的柔顺性，通过将其“编织”入刚性基板上的孔状约束，控制其加热时的运动情况与加热后的稳定终态，形成基于“约束-编织”的曲线形执行器。作为该类执行器的一种应用，本发明展示了一款基于此方法实现的移动机器人，该机器人通过摇摆其前足实现定向移动。
本发明的技术方案如下：
本发明首先提供了利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器，其包括基体、形状记忆合金丝a和形状记忆合金丝b，所述的基体包括一个基板和一个前足单元；
所述基板下表面后端设置有两个后足；基板前端设置有四个与基板平面呈设定角度θ1并贯穿基板上下表面的第一约束孔；基板下表面还连接有两个梯台体，每个梯台体上设置有两个与基板平面呈设定角度θ2并贯穿梯台体的第二约束孔；
所述基板的前端与前足单元的后端铰接连接；
所述的前足单元包括一块单元板和两个与单元板前端一体连接的前足；所述单元板内在同一高度设置有四个垂直贯穿单元板前后端面的第三约束孔；在四个第三约束孔的下方设置有四个第四约束孔，且第四约束孔的后端贯穿单元板后端面，前端贯穿前足；
四个第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔从左到右依次编号A-D；
所述形状记忆合金丝a的一端从基板上表面的第一约束孔A开始穿入，顺次穿过第一约束孔A、第三约束孔A、第三约束孔B、第一约束孔B、第一约束孔C、第三约束孔C、第三约束孔D、第一约束孔D，从第一约束孔D的上端穿出；
所述形状记忆合金丝b的一端从单元板前端的第四约束孔A开始穿入，顺次穿过第四约束孔A、第二约束孔A、第二约束孔B、第四约束孔B、第四约束孔C、第二约束孔C、第二约束孔D、第四约束孔D，从第四约束孔D的前端穿出。
作为本发明的优选方案，所述的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔均为直线形孔，即圆柱形孔。
作为本发明的优选方案，字母编号相同的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔位于同一竖直平面内；编号为A的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔分别与编号为D第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔关于曲线执行器的中心平面镜像对称，编号为B的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔分别与编号为C的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔关于曲线执行器的中心平面镜像对称。
作为本发明的优选方案，所述的基板的前端两侧设置有铰接孔，前足单元的后端两侧设有后伸的铰接臂，前足单元的铰接臂与基板的铰接孔通过连接件铰接。
作为本发明的优选方案，所述的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔的孔径相同，孔径范围为2-3mm。
作为本发明的优选方案，所述形状记忆合金丝a和形状记忆合金丝b的尺寸为0.28-0.32mm，形状记忆合金丝a和形状记忆合金丝b在无约束且通电状态下呈直线形。
作为本发明的优选方案，所述的前足底端具有向后的倒钩，前足和后足与外部接触的部分可以提供各向异性摩擦机制。
作为本发明的优选方案，所述的形状记忆合金丝a和形状记忆合金丝b交替接受电信号。
作为本发明的优选方案，所述电信号的电流为1.5-2A；在单根形状记忆合金丝上的作用1-1.5s后切换程作用于另一根形状记忆合金丝1-1.5s。
作为本发明的优选方案，所述的角度θ1的范围为40°—60°，角度θ1为向后足方向倾斜与基板所成的锐角；角度θ2的范围为40°—60°，角度θ2为向后足方向倾斜与基板所成的锐角。
优选的，所述的基板为中部镂空设计，减轻质量。
本发明的曲线执行器利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现，其结构简单.该执行器的重量较轻，易于移植作为各式各样轻质的软体机器人的执行部件，且其中动力元件形状记忆合金所具有的柔顺性允许该执行器与人类安全地交互。该驱动器可受小幅值的电信号激励，双程的运动皆可由独立的信号激发，故具有双程自由度，高可控性的特点。
附图说明
图1为本发明曲线执行器的结构示意图；
图2为基板的俯视图；
图3为仰视状态下基板的结构示意图；
图4为前足单元的结构示意图；
图5为前足和后足的示意图；
图6为形状记忆合金丝a的编制示意图；
图7为形状记忆合金丝b的编制示意图；
图8为曲线执行器的驱动效果图；
图9为交替电信号下悬空前足的运动情况；
图10为曲线执行器自主爬行时位置与时间的关系。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体。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在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-4所示，利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器，其包括基体、形状记忆合金丝3和形状记忆合金丝4，所述的基体包括一个基板1和一个前足单元2；所述基板1的前端与前足单元2的后端铰接连接。本实施例中，所述的基板1和前足单元2均为中部镂空设计，以减轻整体的质量。
在本实施例中，所述的基板1的前端两侧设置有铰接孔13，前足单元2的后端两侧设有后伸的铰接臂23，前足单元的铰接臂与基板的铰接孔通过连接件铰接。
如图2和3所示，所述基板1下表面后端设置有两个后足11；基板1前端设置有四个与基板平面呈设定角度θ1并贯穿基板上下表面的第一约束孔5；基板下表面还连接有两个梯台体12，每个梯台体12上设置有两个与基板平面呈设定角度θ2并贯穿梯台体的第二约束孔6；
如图4所示，所述的前足单元2包括一块单元板21和两个与单元板前端一体连接的前足22；所述单元板21内在同一高度设置有四个垂直贯穿单元板前后端面的第三约束孔7；在四个第三约束孔的下方设置有四个第四约束孔8，且第四约束孔8的后端贯穿单元板后端面，前端贯穿前足22；
四个第一约束孔5、第二约束孔6、第三约束孔7、第四约束孔8从一侧到另一侧(本实施例中，以图2所标记方向为例，为从左到右)依次编号A-D；
如图6所示，所述形状记忆合金丝3的一端从基板上表面的第一约束孔5A开始穿入，顺次穿过第一约束孔5A、第三约束孔7A、第三约束孔7B、第一约束孔5B、第一约束孔5C、第三约束孔7C、第三约束孔7D、第一约束孔5D，从第一约束孔5D的上端穿出；
如图7所示，所述形状记忆合金丝4的一端从单元板后端的第四约束孔8A开始穿入，顺次穿过第四约束孔8A、第二约束孔6A、第二约束孔6B、第四约束孔8B、第四约束孔8C、第二约束孔6C、第二约束孔6D、第四约束孔8D，从第四约束孔8D的后端穿出。
本实施例中，所述的第一约束孔5、第二约束孔6、第三约束孔7、第四约束孔8均为直线形孔，即圆柱形孔。所述的角度θ1和角度θ2均为45°，第一约束孔由基板的上表面朝后端下方以45°贯穿基板，第二约束孔的开设方向与第一约束孔相同。
本实施例中，字母编号相同的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔位于同一竖直平面内；编号为A的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔分别与编号为D第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔关于曲线执行器的中心平面镜像对称，编号为B的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔分别与编号为C的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔关于曲线执行器的中心平面镜像对称。对称结构便于曲线执行器平稳的工作。
本实施例中，所述的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔的孔径相同，孔径为2mm。所述形状记忆合金丝a和形状记忆合金丝b尺寸为0.3mm。形状记忆合金丝在无约束通电状态下呈直线形。
如图5所示，为了使机器人实现定向移动，其前足设计为倒钩型，后足底部削尖，该设计可以提供有效的各项异性摩擦机制。该机制可以保证机器人整体在前足由上至下摆动时使其发生明显的向前位移，而当其前足相反方向移动时，即使其与地面的摩擦会对机器人整体产生一个与移动方向相反的力，该力也会因为倒钩结构的存在而无法使机器人产生后退。
使用时，使形状记忆合金a和b接受交替电信号时来回摆动，电信号的电流大小为1.5-2A，单根形状记忆合金在一个周期内的通电时间为1-1.5s，实现双程执行。图8直观地表示了机器人可摆动的前足在两根形状记忆合金丝接受交替电信号的情况下的驱动情况：在足够大的电压信号下，前足与机器人顶平面的铅垂线的角度在β1与β2之间变化。为了探究该驱动机构对电热信号的具体响应情况，我们将机器人的前足悬空，并固定机器人躯体的其余部分，对两根形状记忆合金丝交替施加周期性电信号并录制为视频，通过PR软件将视频转化为一系列帧，并分别将前足虚线上的某一点、连接螺钉中心、以及顶平面的铅垂线上的某一点设置为特征点，通过识别程序计算角度β随时间的变化情况，并拟合为曲线，见图9。同时，我们将机器人放置于光滑的水平面上进行运动测试，并测量其后足的位置随时间的变化关系，见图10。
通过实验，本发明验证了通过“约束-编织”方法设计的执行机构能够实现双程的摆动，并辅以各向异性摩擦足驱动机器人实现定向移动。从这个例子可以看出，该方法具有较强的普适性，有潜力完成各种富有挑战性的驱动形式。此外，本发明所展示的曲线执行器不仅可以作为移动机器人的驱动部件，它也可以视为一个具有开合功能抓手，用以抓取物品，这证明本发明具有实际的应用情景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器，其特征在于，包括基体、形状记忆合金丝a(3)和形状记忆合金丝b(4)，所述的基体包括一个基板(1)和一个前足单元(2)；
所述基板(1)下表面后端设置有两个后足(11)；基板前端设置有四个与基板平面呈设定角度θ1并贯穿基板上下表面的第一约束孔(5)；基板下表面还连接有两个梯台体(12)，每个梯台体上设置有两个与基板平面呈设定角度θ2并贯穿梯台体的第二约束孔(6)；
所述基板(1)的前端与前足单元(2)的后端铰接连接；
所述的前足单元(2)包括一块单元板(21)和两个与单元板前端一体连接的前足(22)；所述单元板(21)内在同一高度设置有四个垂直贯穿单元板前后端面的第三约束孔(7)；在四个第三约束孔的下方设置有四个第四约束孔(8)，且第四约束孔的后端贯穿单元板后端面，前端贯穿前足；
四个第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔从左到右依次编号A-D；
所述形状记忆合金丝a的一端从基板上表面的第一约束孔A(5A)开始穿入，顺次穿过第一约束孔A(5A)、第三约束孔A(7A)、第三约束孔B(7B)、第一约束孔B(5B)、第一约束孔C(5C)、第三约束孔C(7C)、第三约束孔D(7D)、第一约束孔D(5D)，从第一约束孔D(5D)的上端穿出；
所述形状记忆合金丝b的一端从单元板前端的第四约束孔A(8A)开始穿入，顺次穿过第四约束孔A(8A)、第二约束孔A(6A)、第二约束孔B(6B)、第四约束孔B(8B)、第四约束孔C(8C)、第二约束孔C(6C)、第二约束孔D(6D)、第四约束孔D(8D)，从第四约束孔D(8D)的前端穿出。
2.根据权利要求1所述的利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器，其特征在于，所述的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔均为直线形孔。
3.根据权利要求1所述的利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器，其特征在于，编号相同的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔位于同一竖直平面内；编号为A的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔分别与编号为D第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔关于曲线执行器的中心平面镜像对称，编号为B的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔分别与编号为C的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔关于曲线执行器的中心平面镜像对称。
4.根据权利要求1所述的利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器，其特征在于，所述的基板的前端两侧设置有铰接孔，前足单元的后端两侧设有后伸的铰接臂，前足单元的铰接臂与基板的铰接孔通过连接件铰接。
5.根据权利要求1所述的利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器，其特征在于，所述的第一约束孔、第二约束孔、第三约束孔、第四约束孔的孔径相同，孔径范围为2-3mm。
6.根据权利要求1所述的利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器，其特征在于，所述形状记忆合金丝a和形状记忆合金丝b的尺寸为0.28-0.32mm，形状记忆合金丝a和形状记忆合金丝b在无约束且通电状态下呈直线形。
7.根据权利要求1所述的利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器，其特征在于，所述的前足底端具有向后的倒钩，前足和后足与外部接触的部分可以提供各向异性摩擦机制。
8.根据权利要求1所述的利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器，其特征在于，所述的形状记忆合金丝a和形状记忆合金丝b交替接受电信号。
9.根据权利要求8所述的利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器，其特征在于，所述电信号的电流为1.5-2A；在单根形状记忆合金丝上的作用1-1.5s后切换成作用于另一根形状记忆合金丝1-1.5s。
10.根据权利要求1所述的利用形状记忆合金丝“约束-编织”方法实现的曲线执行器，其特征在于，所述的角度θ1的范围为40°—60°，角度θ1为向后足方向倾斜与基板所成的锐角；角度θ2的范围为40°—60°，角度θ2为向后足方向倾斜与基板所成的锐角。
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