CN114475850B - 一种电控形状记忆合金丝驱动仿生四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种电控记忆合金丝仿生四足机器人，其主要由固定板、连接板、记忆合金丝、弹簧、大腿、小腿、橡胶脚以及电控装置组成。该四足机器人四条腿固定在固定板，每条腿由一个连接板、两根记忆合金丝、两个弹簧、一个大腿、一个小腿、一个橡胶脚等构成。通过控制腿部的两根金属丝收缩，进而压缩弹簧完成向后迈腿和向上抬腿的动作。套在记忆合金丝外的弹簧使腿部回弹，完成向前伸腿和向下放腿的动作。在电控装置控制下，四条腿相互配合实现四足动物步态，驱动机器人完成相应运动。记忆合金丝驱动，可实现该机器人的微型化，故在狭小空间探测方面具有极大优势。该发明专利对记忆合金丝的研究和应用具有先进的指导意义与实用价值。

Description

一种电控形状记忆合金丝驱动仿生四足机器人

技术领域

本发明专利涉及形状记忆合金机器人领域，特别是涉及一种电控形状记忆合金丝驱动仿生四足机器人。

背景技术

在此领域，有多种方法驱动四足机器人。液压驱动的四足机器人，运动能力较强，但是需要多个液压缸，结构相对复杂，不方便对四足机器人进行微型化、轻量化，很难实现对狭小地形的探测。气动驱动的四足机器人目前有气缸、气动软体、气动肌肉等驱动方式。气缸驱动由于气缸存在，结构复杂。气动软体和气动肌肉都具有一定的柔性，承载能力较小，而且多自由度导致结构复杂，控制难度较大。电驱动的四足机器人有电机驱动等。电机驱动方式需要多个电机，较为笨重。还有多种不同机器人，在此不一一列举。

在此背景下，综合上述机器人的缺点及优点，本发明专利采用新型材料——形状记忆合金丝来驱动仿生四足机器人。形状记忆合金丝具有一定的形状记忆功能。当对其两端加上一定电压，记忆合金丝发热，温度升高，从而收缩一定长度。当去掉记忆合金丝两端的电压，记忆合金丝停止发热，温度逐渐恢复到初始温度，记忆合金丝恢复初始长度。四足机器人运动时步幅的大小与记忆合金丝的收缩量成正相关。

综上所述，由记忆合金丝驱动的仿生四足机器人与传统的四足机器人相比拥有以下多种优点：结构简单、身体轻便、可微型化、成本低廉等特点，可实现对狭小且复杂环境下的探索、探测任务。将记忆合金丝运用到仿生四足机器人领域对仿生四足机器人和记忆金属丝的研究与应用具有先进的指导意义与实用价值。

设计内容

本发明专利的目的在于提供一种电控形状记忆合金丝控制仿生四足机器人的运动。可由一条腿上两根记忆合金丝和两个弹簧驱动小腿和大腿运动，四条腿相互配合完成四足机器人的运动来实现。

该仿生四足机器人的运动原理是借助记忆合金丝形变时产生的拉力来完成抬腿和迈腿的动作，同时压缩弹簧，为放腿和伸腿做准备。四条独立控制，相互配合，共同完成四足动物的步态，实现四足机器人的前进或转弯运动。四足机器人主体由四条腿和固定板构成，每条腿通过螺钉固定在固定板上。每条腿的连接板与大腿，大腿与小腿之间用光滑的连接轴连接，减小摩擦，方便其运动。利用橡胶脚上的小孔直接套在小腿底部的凸起处。弹簧装在连接板与大腿，大腿与小腿之间的固定槽中，金属丝穿过弹簧与孔，用螺钉和垫片进行固定。为了便于通电，每段金属丝的两端都被四足机器人侧面两个螺钉紧紧压住，并从螺钉引出导线与电控装置连接，以保证其形变所要求的电压。每条腿都能完成抬腿、迈腿、放腿、伸腿的动作，四条腿的运动共同构成四足机器人的复杂运动。

为了解决上述技术问题，本发明专利采用如下技术方案：

考虑到维修和拆卸更换的问题，四条腿用螺钉分别连接在固定板上。固定板上打螺纹孔，打孔方式如图1，在G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8八个方向各进行打孔。每条腿均有一个连接板、两个弹簧、两根金属丝、一个大腿、一个小腿、一个橡胶脚构成。在连接板、大腿、小腿上打孔，连接板打孔方式如图2，在K1、K2、K3、K4、K5五个方向各进行打孔，将K1、K2、K3三孔打穿，K4、K5为螺纹孔。大腿打孔方式如图3，在D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7七个方向各进行打孔，将D5孔打穿，D3、D4、D6、D7为螺纹孔，D1孔与D2孔相交(如附图4所示)。小腿的打孔方式如图5，在X1、X2、X3、X4四个方向各进行打孔，X3、X4为螺纹孔，X1孔与X2孔相交(如附图6所示)。将D1与D2孔的交接处和X1与X2孔的交接处打磨光滑，将金属丝通过的孔的边缘进行导圆角或者打磨光滑，减小记忆金属丝伸缩时与连接板、大腿、小腿之间的摩擦力导致的磨损。四足机器人整体的连接方式如图7。

该四足机器人的一条腿的驱动需要两根记忆合金丝和两个弹簧。如图7，金属丝(1)分别通过孔101、102、103、104，在小腿处的末端由螺钉A2和垫片a2固定，在大腿处的末端由螺钉A4和垫片a4固定。小腿和大腿侧面的螺钉A1和A3将金属丝(1)紧紧压住并从其引出两根导线分别接在电控装置的正极与负极。金属丝(2)分别通过孔105、106、107、108，在大腿处的末端由螺钉A5和垫片a5固定，在连接板处的末端由螺钉A8和垫片a8固定。大腿和连接板侧面的螺钉A6和A7将金属丝(2)紧紧压住并从螺钉并从其引出两根导线分别接在电控装置的正极与负极。其余腿上的金属丝(3、4、5、6、7、8)连线方式与金属丝(1、2)相同，八根正极导线对应电控装置八个不同的正极，八根负极导线对应电控装置的同一负极，从而形成完整的闭合回路。弹簧a放置在小腿与大腿之间的固定槽中，弹簧b放置在大腿与连接板之间的固定槽中，其余腿上的弹簧(c、d、e、f、g)的放置方式与弹簧(a、b)相同。四足机器人运动，就是由金属丝收缩时产生的拉力和弹簧产生的弹力驱动大腿和小腿完成抬腿、迈腿、放腿、伸腿的动作进而实现四足动物的步态。

电控装置有八个正极，每一正极对应一根金属丝。通过八个正极控制金属丝中通过的电流，从而控制八根金属丝的形变量，进而控制四足机器人四条腿的步态，实现整个四足机器人向前和转弯等的运动。

附图说明

图1：固定板打孔示意图

图2：连接板打孔示意图

图3：大腿打孔示意图

图4：大腿相交孔剖切图

图5：小腿打孔示意图

图6：小腿相交孔剖切图

图7：四足机器人整体示意图

具体实施方法

下面结合附图对本发明专利作以下详细的描述：

参考图7，本装置为记忆合金丝驱动仿生四足机器人。四条腿通过螺钉分别连接到固定板上，其中每条腿的动力由两根金属丝和两个弹簧提供，在固定板的上方有一个电源控制器，以上装置共同构成整个四足机器人。记忆合金丝(1)通过孔101、102、103、104，在小腿处的末端由螺钉A2和垫片a2固定，在大腿处的末端由螺钉A4和垫片a4固定。小腿和大腿侧面的螺钉A1和A3将金属丝(1)紧紧压住并从其引出两根导线分别接在电控装置的正极与负极。记忆合金丝(2)通过孔105、106、107、108，在大腿处的末端由螺钉A5和垫片a5固定，在连接板处的末端由螺钉A8和垫片a8固定。大腿和连接板侧面的螺钉A6和A7将金属丝(2)紧紧压住并从螺钉并从其引出两根导线分别接在电控装置的正极与负极。其余腿上的金属丝(3、4、5、6、7、8)连线方式与金属丝(1、2)相同，八根正极导线对应电控装置八个不同的正极，八根负极导线对应电控装置的同一个负极。弹簧a放置在小腿与大腿之间的固定槽中，弹簧b放置在大腿与连接板之间的固定槽中，其余腿上的弹簧(c、d、e、f、g)的放置方式与弹簧(a、b)相同。

四足机器人向前运动时，具体控制步骤如下：

一、金属丝(1、7)通电产生收缩，所对应两条腿完成抬腿动作。

二、金属丝(4、6)通电产生收缩，所对应两条腿完成迈腿动作。

三、金属丝(1、7，4、6)电流减小，金属丝舒张，在弹簧力的作用下，金属丝(1、7)所对应两条腿完成放腿动作，金属丝(4、6)所对应的两条腿完成伸腿动作。

四、金属丝(3、5)通电产生收缩，所对应的两条腿完成抬腿动作。

五、金属丝(2、8)通电产生收缩，所对应两条腿完成迈腿动作。

六、金属丝(3、5，2、8)电流减小，金属丝舒张，在弹簧力的作用下，金属丝(3、5)所对应两条腿完成放腿动作，金属丝(2、8)所对应的两条腿完成伸腿动作。

通过以上六步，利用电控装置，完成四足机器人的向前运动。当要求四足机器人左转弯时，可将左侧两条腿通电时间间隔适当延长，通过步频的变化实现左转弯，右转弯同理。

上述实例说明本发明专利的技术构思及结构特点，目的在于使在本领域进行研究工作的科研人员和工程技术人员了解本发明专利，并且能够据此实现该产品。

Claims (1)

1.一种电控形状记忆合金丝仿生四足机器人，其特征在于：由弹簧（a、b、c、d、e、f、g、h）、记忆合金丝（1、2、3、4、5、6、7、8）、大腿（9、10、11、12）、小腿（13、14、15、16）、固定板（17）、连接板（G）和电源控制器（18）构成，小腿、大腿和连接板均有多个螺纹孔和通孔，每条腿的小腿与大腿，大腿与连接板之间用销轴（F、E）连接，分别在小腿与大腿，大腿与连接板之间的固定槽中放置弹簧，记忆合金丝放置在弹簧内部，每条腿的驱动需要两根记忆合金丝和两个弹簧，一根记忆合金丝（1）依次穿过孔（101、102、103、104），在小腿处的末端和大腿处的末端由螺钉（A2、A4）和垫片（a2、a4）固定，小腿和大腿侧面的螺钉（A1、A3）和垫片（a1、a3）将记忆合金丝紧紧压住并从其引出两根导线分别接在电源控制器的正极和负极，另一根记忆合金丝（2）依次穿过孔（105、106、107、108），在大腿处的末端和连接板的末端由螺钉（A5、A8）和垫片（a5、a8）固定，大腿和连接板侧面的螺钉（A6、A7）和垫片（a6、a7）将记忆合金丝紧紧压住并从其引出两根导线分别接在电源控制器的正极和负极，其余腿的连接方式相同，八根正极导线对应电源控制器八个不同的正极，八根负极导线对应电源控制器同一负极，从而形成完整的闭合回路，机器人利用记忆合金丝通电收缩完成向上抬腿和向后迈腿动作，并压缩弹簧储存弹性势能，利用压缩弹簧回弹完成向下放腿和向前伸腿动作，对于每条腿，向上抬腿时，小腿与大腿之间的记忆合金丝（1）通电收缩，压缩弹簧（a），小腿抬高，向后迈腿时，大腿与连接板之间的记忆合金丝（2）通电收缩，压缩弹簧（b），大腿带动小腿，驱使整条腿蹬地前进，向下放腿时，小腿与大腿之间的记忆合金丝（1）的电流减小，记忆合金丝（1）舒张，弹簧（a）使得小腿回弹实现放腿，向前伸腿时，大腿与连接板之间记忆合金丝（2）的电流减小，记忆合金丝（2）舒张，弹簧（b）驱使整条腿向前伸出，机器人左转弯时，左侧两条腿通电时间间隔延长，改变步频实现左转弯，机器人右转弯时，右侧两条腿通电时间间隔延长，改变步频实现右转弯。