CN1421302A - 基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车 - Google Patents

Abstract

基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车属于机器人技术领域。主要包括：机构主体、控制系统和供电装置，机构主体主要包括：前车体、形状记忆合金驱动器、弹性杆、后车体、前后车轮自锁机构、前后车轮，弹性杆与前后车体铰接，前车体与前车轮、前车体与前车轮自锁机构、后车体与后车轮、后车体与后车轮自锁机构分别通过轮轴连接，形状记忆合金驱动器通过导筒与前车体、后车体连成一体，形状记忆合金驱动器与弹性杆构成并行机构，弹性杆在前、后车体上的联接位置在形状记忆合金驱动器与前后车体联接位置上方。本发明明显增大了微型车的前进步矩，可在不规则的弯曲型管道内运动，为核电站航天飞机等领域微小型管道的检查与维护提供廉价而方便的解决方案。

Description

基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车

技术领域

本发明涉及的是一种管道检测与维修的蠕动微型车，特别是一种基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，属于机器人技术领域。

背景技术

核电站及航天飞机等复杂系统存在大量内径为1英寸、2英寸的微小型管子，为了对这些管道进行有效的检测和维护，迫切需要研制适用于微细型管道的微小型机器人。形状记忆合金驱动器与其他新型驱动器相比，重量小于100克以后，功重比比目前常用的任何一种驱动器都高，因此广泛用作微小型机器人驱动器。根据对现有技术的检索，发现：上海交通大学申请的专利“并联偏动式形状记忆合金蠕动机构”，申请号为ZL99 2 26926.1，该专利公开了一种正方体形管内全方位蠕动机器人行走机构。该行走机构外观呈正方体形，由位于正方体棱边处的12个尺寸相同的形状记忆合金直线驱动器和位于正方体顶点处的8个尺寸相同的支撑脚联接而成。形状记忆合金直线驱动器的特征是：由一根普通螺旋弹簧、一根形状记忆合金螺旋弹簧、两个圆柱套筒和两个金属夹装配而成，普通螺旋弹簧套在套筒外面，两端顶在套筒的台阶处，普通螺旋弹簧舒张为驱动器提供舒张力。形状记忆合金螺旋弹簧自套筒内部穿过后，两端被两个金属夹夹住，金属夹挡在套筒两端外侧，形状记忆合金螺旋弹簧收缩为驱动器提供收缩力。工作时两个金属夹分别通过导线与电源的正负极相连。机器人在管内运动时，通过控制流经各组驱动器内形状记忆合金的电流的时序，控制直线驱动器交替收缩和舒张，实现机器人在直管内的前后蠕动行走。该专利采用12组形状记忆合金弹簧直线驱动器构成正方体形结构，造成控制时序复杂，各组驱动器的运动互相干涉，耗电量大，行走最大速度仅能达到10毫米/分钟。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，使其成本低，耗电量小，步矩明显增大，由于采用新型智能驱动器，无噪音、无污染，尤其适合要求严格的管道检测。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明主要包括：机构主体、控制系统和供电装置，控制系统的四根输入引线与供电装置相连接，两根输出引线与机构主体相连接，机构主体主要包括：前车体、形状记忆合金驱动器、弹性杆、后车体、前车轮自锁机构、后车轮自锁机构、前车轮和后车轮，其连接方式为：弹性杆与前车体、后车体铰接，前车体与前车轮、前车体与前车轮自锁机构、后车体与后车轮、后车体与后车轮自锁机构分别通过轮轴连接，形状记忆合金驱动器通过设置在其内的导筒与前车体、后车体连成一体，形状记忆合金驱动器与弹性杆构成并行机构，弹性杆在前、后车体上的联接位置在形状记忆合金驱动器与前车体、后车体联接位置的上方。

形状记忆合金驱动器由一根普通偏置弹簧、一根形状记忆合金弹簧、导筒及螺钉构成，形状记忆合金弹簧穿过导筒内径，与套在导筒外径上的普通偏置弹簧构成并行柔性机构，形状记忆合金弹簧两端分别通过螺钉与导筒固定，普通偏置弹簧向形状记忆合金弹簧提供回复力，普通偏置弹簧纵向受前后车体的限制，导筒起导向作用。

形状记忆合金弹簧通过导线与控制系统相连接，控制系统控制形状记忆合金弹簧的相变状态。当控制系统使形状记忆合金弹簧处于加热状态时，形状记忆合金弹簧产生强大的收缩力，前车体、后车体跟着收缩；当控制系统使形状记忆合金弹簧处于冷却状态时，形状记忆合金弹簧收缩力消失，在普通偏置弹簧和弹性杆的共同作用下，前、后车体伸长并发生弯曲。

前、后车体的初始配置必须满足以下条件：形状记忆合金驱动器的原始长度比弹性杆长；使前、后车体在自然状态下(不通电状态下)，弹性杆绷紧，形状记忆合金驱动器向前、后车体下方弯曲；通电状态下，形状记忆合金驱动器纵向缩短，弹性杆呈松弛状态。

本发明模拟自然界蠕虫的运动方式，前后车轮起保持器的作用，在不同阶段与地面保持相对滚动或静止；形状记忆合金驱动器和弹性杆构成并行柔性机构，行走速度可达50毫米/分钟。

前、后车轮自锁机构是一种偏心轮刹车装置，前、后车轮与前、后车轮自锁机构均为粗糙弹性体，自锁机构为偏心轮结构，利用摩擦圆原理实现自锁。前后车轮向车体前进方向转动带动前、后车轮自锁机构反方向转动；两者互相压紧，前、后车轮自锁机构所受的驱动力合力会逐渐落入摩擦圆内，从而实现自锁。同样，前、后车轮朝车体后退方向转动将带动前、后车轮自锁机构与车体前进方向同方向转动，前、后车轮自锁机构所受的驱动力合力会逐渐落在摩擦圆外，这时前、后车轮自锁机构不自锁，前、后车轮可不受阻碍地向前滚动。偏心轮自锁机构使前、后车轮只可向前滚动，不可向后倒转，从而控制车体的运动方向。

弹性杆和形状记忆合金驱动器构成并行柔性机构，形状记忆合金驱动器缩短至一定程度，弹性杆呈松弛状态，对系统的作用可忽略不计；当形状记忆合金驱动器伸长至一定程度，弹性杆被逐渐拉长绷紧，两者形成相互约束，最终形状记忆合金驱动器纵向受到弹性杆的长度限制而向下弯曲，该柔性机构发生弯曲变形，使得车体也发生弯曲，并行柔性机构在一个运动周期内有两种状态：收缩态和舒张态。

控制系统集成了控制芯片、驱动放大电路及执行电路中的分流电阻，控制芯片的输出端口接驱动放大电路的输入端，驱动放大电路的输出端接执行电路的分流电阻。

驱动放大电路由三极管、基极电阻构成，基极电阻一端接控制芯片的输出端口，另一端与三极管的基极相连。

执行电路由机构主体中的形状记忆合金弹簧和分流电阻构成，形状记忆合金弹簧一端通过控制系统的一根输出引线和分流电阻串连联接，另一端接控制系统的另一根输出引线；分流电阻的另一端接驱动放大电路的输出端，即接三极管的集电极。

三极管起开关作用，其基极输入的是控制芯片输出的PWM(脉宽调制)信号，PWM(脉宽调制)信号处于高电平时，三极管导通，执行电路导通，形状记忆合金弹簧通电加热；PWM(脉宽调制)信号处于低电平时，三极管截至，执行电路断开，形状记忆合金弹簧断电冷却，控制芯片输出的PWM(脉宽调制)信号接驱动放大电路，并且可通过改变芯片中的程序调节形状记忆合金弹簧的加热与冷却时间。PWM(脉宽调制)信号采用三种占空比，实现形状记忆合金弹簧加热收缩、保温维持、冷却舒张三种状态，其优点是：防止形状记忆合金弹簧过热；保温状态采用微弱电流，减小能耗；不须温度或电阻反馈，简化电路。

将本发明装置总体装配好，形状记忆合金弹簧两端的引入线分别与控制系统的输出线相连接，控制系统在装配时，先调整好供电装置，使其两路输出电压均为5V，再将机构主体与控制系统，控制系统与供电装置分别通过引线连接。机构主体和控制系统都调整好后，打开供电装置的的总开关，系统可以正常运行了。本发明一个完整周期的蠕动运动可分解为收缩过程与舒张过程两个过程：

收缩过程：(1)形状记忆合金弹簧加热，后车轮向前移动距离，前车轮自锁机构压紧前车轮，弹性杆恢复原长，前车体和后车体分别绕轮轴转动至垂直位置；车体外形由舒张态逐渐向收缩态过渡；(2)形状记忆合金弹簧保温，前、后车轮保持与(1)相同的状态，弹性杆松弛，偏置弹簧侧向弯曲，车体继续收缩，外形逐渐变成收缩态。

舒张过程：(3)形状记忆合金弹簧冷却，后车轮自锁机构压紧后车轮，前车轮朝前移动距离，弹性杆逐渐绷紧；前、后车体由收缩态向舒张态过渡。(4)形状记忆合金弹簧继续冷却，前车轮、后车轮保持与(3)相同的状态，弹性杆绷紧，前车体和后车体分别绕轮轴转动，由初始的垂直位置逐渐倾斜，车体继续舒张，外形逐渐变成舒张态。至此，微型车完成了一个周期的向前蠕动运动。

重复以上步骤，微型车可连续向前蠕动。

本发明具有实质性特点和显著进步，以往开发的微小型机器人大多模仿自然界生物已存在的结构，如采用腿足或几何结构等，本发明打破近几年来国内外微小型机器人大多采用腿式结构的传统，是开发轮式微小型机器人的全新尝试，本发明融和仿生学原理，吸收轮式机构的优点，并克服轮式结构内在的一些缺陷，打破了Teshigahara等提出的轮式机构局限性的观点，利用形状记忆合金弹簧模拟蠕虫肌肉的收缩与舒张运动，刚柔混合构件中的弹性杆和柔性关节，明显增大了微型车的前进步矩，可在不规则的弯曲型管道内运动，车轮自锁机构成功消除了车轮倒退现象，控制车轮运动方向，为核电站航天飞机等其他特殊领域微小型管道的检查与维护提供廉价而方便的解决方案。

附图说明

图1本发明总体结构示意图

图2本发明机构主体结构示意图

图3本发明形状记忆合金驱动器结构示意图

图4本发明控制系统框图

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明主要包括：机构主体1、控制系统2和供电装置3，控制系统2的两根输出引线4与机构主体1相连接，四根输入引线23与供电装置3相连接，机构主体1主要包括：前车体5、形状记忆合金驱动器6、弹性杆7、后车体8、前车轮自锁机构9、后车轮自锁机构10、前车轮11和后车轮12，其连接方式为：弹性杆7与前车体5、后车体8铰接，前车体5与前车轮11、前车体5与前车轮自锁机构9、后车体8与后车轮12、后车体8与后车轮自锁机构10分别通过轮轴连接，形状记忆合金驱动器6通过设置在其内的导筒15与前车体5、后车体8连成一体，形状记忆合金驱动器6与弹性杆7构成并行机构，弹性杆7在前车体5、后车体8上的联接位置在形状记忆合金驱动器6与前车体5、后车体8联接位置的上方。

形状记忆合金驱动器6由一根普通偏置弹簧13、一根形状记忆合金弹簧14、导筒15及螺钉16构成，形状记忆合金弹簧14穿过导筒15内径，与套在导筒15外径上的普通偏置弹簧13构成并行柔性机构，形状记忆合金弹簧14两端分别通过螺钉16与导筒15固定，普通偏置弹簧13向形状记忆合金弹簧14提供回复力，普通偏置弹簧13纵向受前车体5、后车体8的限制，导筒15起导向作用。

形状记忆合金弹簧14通过导线4与控制系统2相连接，控制系统2控制形状记忆合金弹簧14的相变状态，当控制系统2使形状记忆合金弹簧14处于加热状态时，形状记忆合金弹簧14产生强大的收缩力，前车体5、后车体8跟着收缩；当控制系统2使形状记忆合金弹簧14处于冷却状态时，形状记忆合金弹簧14收缩力消失，在普通偏置弹簧13和弹性杆7的共同作用下，前车体5、后车体8伸长并发生弯曲。

前车体5、后车体8的初始配置必须满足以下条件：形状记忆合金驱动器6的原始长度比弹性杆7长；使前车体5、后车体8在自然状态下，弹性杆7绷紧，形状记忆合金驱动器6向前车体5、后车体8下方弯曲；通电状态下，形状记忆合金驱动器6纵向缩短，弹性杆7呈松弛状态。

前车轮自锁机构9、后车轮自锁机构10是一种偏心轮刹车装置，前车轮11、后车轮12与前车轮自锁机构9、后车轮自锁机构10均为粗糙弹性体，前车轮自锁机构9、后车轮自锁机构10为偏心轮结构。

控制系统2集成了控制芯片17、驱动放大电路18及执行电路19中的分流电阻20，控制芯片17的输出端口接驱动放大电路18的输入端；驱动放大电路18的输出端接执行电路19的分流电阻20。

驱动放大电路18由三极管21、基极电阻22构成，基极电阻22一端接控制芯片17的输出端口，另一端与三极管21的基极相连。

执行电路19由机构主体1中的形状记忆合金弹簧14和分流电阻20构成，形状记忆合金弹簧14一端通过控制系统2的一根输出引线和分流电阻20串连联接，另一端接控制系统2的另一根输出引线；分流电阻20的另一端则接驱动放大电路的输出端，即三极管21的集电极。

三极管21的基极输入的是控制芯片17输出的脉宽调制信号，脉宽调制信号处于高电平时，三极管21导通，执行电路导通，形状记忆合金弹簧14通电加热；脉宽调制信号处于低电平时，三极管21截至，执行电路断开，形状记忆合金弹簧14断电冷却，控制芯片17输出的脉宽调制信号接驱动放大电路18，并且可通过改变控制芯片17中的程序调节形状记忆合金弹簧14的加热与冷却时间。

脉宽调制信号采用三种占空比，实现形状记忆合金弹簧14加热收缩、保温维持、冷却舒张三种状态。

Claims (10)

1、一种基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，主要包括：机构主体(1)、控制系统(2)和供电装置(3)，控制系统(2)的两根输出引线(4)与机构主体(1)相连接，四根输入引线(23)与供电装置(3)相连接，其特征在于：所述的机构主体(1)主要包括：前车体(5)、形状记忆合金驱动器(6)、弹性杆(7)、后车体(8)、前车轮自锁机构(9)、后车轮自锁机构(10)、前车轮(11)和后车轮(12)，其连接方式为：弹性杆(7)与前车体(5)、后车体(8)铰接，前车体(5)与前车轮(11)、前车体(5)与前车轮自锁机构(9)、后车体(8)与后车轮(12)、后车体(8)与后车轮自锁机构(10)分别通过轮轴连接，形状记忆合金驱动器(6)通过设置在其内的导筒(15)与前车体(11)、后车体(12)连成一体，形状记忆合金驱动器(6)与弹性杆(7)构成并行机构，弹性杆(7)在前车体(5)、后车体(8)上的联接位置在形状记忆合金驱动器(6)与前车体(5)、后车体(8)联接位置的上方。

2、根据权利要求1所述的这种基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，其特征是形状记忆合金驱动器(6)由普通偏置弹簧(13)、形状记忆合金弹簧(14)、导筒(15)及螺钉(16)构成，形状记忆合金弹簧(14)穿过导筒(15)内径，与套在导筒(15)外径上的普通偏置弹簧(13)构成并行柔性机构，形状记忆合金弹簧(14)两端分别通过螺钉(16)与导筒(15)固定，普通偏置弹簧(13)向形状记忆合金弹簧(14)提供回复力，普通偏置弹簧(13)纵向受前车体(5)、后车体(8)的限制，导筒(15)起导向作用。

3、根据权利要求1或2所述的这种基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，其特征是形状记忆合金弹簧(14)通过导线(4)与控制系统(2)相连接，控制系统(2)控制形状记忆合金弹簧(14)的相变状态，当控制系统(2)使形状记忆合金弹簧(14)处于加热状态时，形状记忆合金弹簧(14)产生强大的收缩力，前车体(5)、后车体(8)随着收缩；当控制系统(2)使形状记忆合金弹簧(14)处于冷却状态时，形状记忆合金弹簧(14)收缩力消失，在普通偏置弹簧(13)和弹性杆(7)的共同作用下，前车体(5)、后车体(8)伸长并弯曲。

4、根据权利要求1所述的这种基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，其特征是前车体(5)、后车体(8)的初始配置必须满足以下条件：形状记忆合金驱动器(6)的原始长度比弹性杆(7)长；使前车体(5)、后车体(8)在自然状态下，弹性杆(7)绷紧，形状记忆合金驱动器(6)向前车体(5)、后车体(8)下方弯曲；通电状态下，形状记忆合金驱动器(6)纵向缩短，弹性杆(7)呈松弛状态。

5、根据权利要求1所述的这种基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，其特征是前车轮自锁机构(9)、后车轮自锁机构(10)是一种偏心轮刹车装置，前车轮(11)、后车轮(12)与前车轮自锁机构(9)、后车轮自锁机构(10)均为粗糙弹性体，前车轮自锁机构(9)、后车轮自锁机构(10)为偏心轮结构。

6、根据权利要求1所述的这种基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，其特征是控制系统(2)集成了控制芯片(17)、驱动放大电路(18)及执行电路(19)中的分流电阻(20)，控制芯片(17)的输出端口接驱动放大电路(18)的输入端，驱动放大电路(18)的输出端接执行电路(19)的分流电阻(20)。

7根据权利要求6所述的这种基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，其特征是驱动放大电路(18)由三极管(21)、基极电阻(22)构成，基极电阻(22)一端接控制芯片(17)的输出端口，另一端与三极管(21)的基极相连。

8根据权利要求6所述的这种基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，其特征是执行电路(19)由机构主体(1)中的形状记忆合金弹簧(14)和分流电阻(20)构成，形状记忆合金弹簧(14)一端通过控制系统(2)的一根输出引线和分流电阻(20)串连联接，另一端接控制系统(2)的另一根输出引线；分流电阻(20)的另一端则接驱动放大电路的输出端，即三极管(21)的集电极。

9、根据权利要求2或6所述的这种基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，其特征是三极管(21)的基极输入的是控制芯片(17)输出的脉宽调制信号，脉宽调制信号处于高电平时，三极管(21)导通，执行电路导通，形状记忆合金弹簧(14)通电加热；脉宽调制信号处于低电平时，三极管(21)截至，执行电路断开，形状记忆合金弹簧(14)断电冷却，控制芯片(17)输出的脉宽调制信号接驱动放大电路(18)，并且通过改变控制芯片(17)中的程序调节形状记忆合金弹簧(14)的加热与冷却时间。

10、根据权利要求9所述的这种基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，其特征是脉宽调制信号采用三种占空比，实现形状记忆合金弹簧(14)加热收缩、保温维持、冷却舒张三种状态。

Images