CN1803409A - 基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人 - Google Patents
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Abstract
一种机器人技术领域的基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人，包括左车体、右车体、SMA驱动器、偏心轮自锁机构和车轮。SMA驱动器包括：一根普通弹簧、四根SMA弹簧、左挡板、右挡板、固定螺钉、导向杆，四根SMA弹簧呈正方形分布，分别与左、右挡板相连，普通弹簧放置在四根SMA弹簧所构成的长方体的中心线上，两端套在导向杆上。偏心轮自锁机构包括：偏心轮、连杆、连杆转轴、销、偏心轮转轴、SMA弹簧、扭簧，扭簧安装在车体外侧的偏心轮转轴上，一端与偏心轮固定，一端与车体固定，SMA弹簧一端套在连杆转轴上，一端与车体相连。本发明中机器人可以实现前进、后退和转弯运动，而且，机器人的运动周期较短，移动速度较快。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体的说，涉及的是一种基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人。
背景技术
形状记忆合金(SMA)驱动器具有功率/质量比大、结构简单、无噪音、无污染、易于控制等特点，目前，已有多种形式的基于SMA驱动的微小型机器人出现。由于SMA材料特性及机器人结构限制，这些机器人的运动速度都比较缓慢，极大的限制了SMA在微小型机器人领域的应用。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号为：CN02160687.0，专利名称为：基于形状记忆合金驱动的蠕动微型车，该专利自述为：“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、控制系统和供电装置，控制系统的两根输出引线与机构主体相连接，四根输入引线与供电装置相连接，其特征在于：所述的机构主体主要包括：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，弹性杆在前车体、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”。该专利中机器人的移动速度得到了一定程度的提高。但该机器人只能单向运动，无法换向，也不能转弯。同时，该机器人所用的SMA驱动器中，SMA弹簧放置在套筒内部，减慢了SMA弹簧的冷却速度，在一定程度上降低了机器人的移动速度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中上述的不足，提出一种基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人，使其不仅可以前进、后退，还可以转弯，同时，移动速度也得到进一步的提高。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：左车体、右车体、SMA驱动器、偏心轮自锁机构和车轮。
所述的SMA驱动器，包括：左挡板、右挡板、一根普通弹簧、四根SMA弹簧、固定螺钉、导向杆。四根SMA弹簧呈正方形分布，通过固定螺钉分别与左挡板、右挡板相连，四根SMA弹簧的参数完全相同；普通弹簧放置在四根SMA弹簧所构成的长方体的中心线上，两端套在导向杆上，导向杆与左挡板、右挡板间都是刚性连接。室温状态下，普通弹簧处于压缩状态，SMA弹簧处于拉伸状态。
所述的偏心轮自锁机构，包括：两个偏心轮、偏心轮转轴、连杆、连杆转轴、销、SMA弹簧、扭簧。在每个车轮上方都设有一套偏心轮自锁机构。左车体上的偏心轮自锁机构中，扭簧安装在车体外侧的偏心轮转轴上，一端与偏心轮固定，一端与左车体固定。SMA弹簧一端套在连杆转轴上，一端与左车体相连。室温状态时，在扭簧作用下，SMA弹簧被拉长，车轮右侧的偏心轮与车轮接触，车轮左侧的偏心轮与车轮脱离。右车体上偏心轮自锁机构的安装方式与之相同。
SMA驱动器的左、右挡板分别与机器人的左、右车体是一体的。
与现有蠕动机器人相比，本发明机器人中SMA弹簧裸露在空气中，其冷却速度可以大大加快，从而缩短了机器人的运动周期，扩大了其移动速度；四根SMA弹簧和普通弹簧构成的柔性并联结构，使普通弹簧不仅可以向下弯曲，还可以向左、向右弯曲，从而实现机器人的直线运动和转弯运动；偏心轮自锁机构控制机器人的运动方向，使其不仅可以前进，还可以后退。
附图说明
图1为本发明结构主视图
图2为本发明结构左视图
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明包括：左车体1、右车体10、SMA驱动器17、偏心轮自锁机构18、车轮15。
所述的SMA驱动器17，包括：一根普通弹簧3、四根SMA弹簧4、固定螺钉5、导向杆2、左挡板19、右挡板20。四根SMA弹簧4呈正方形分布，通过固定螺钉5分别与左挡板19、右挡板20相连，四根SMA弹簧4的参数完全相同；普通弹簧3放置在四根SMA弹簧4所构成的长方体的中心线上，两端套在导向杆2上，导向杆2与左挡板19、右挡板20间都是刚性连接。室温状态下，普通弹簧3处于压缩状态，SMA弹簧4处于拉伸状态。
所述的偏心轮自锁机构18，包括：两个偏心轮8、连杆6、连杆转轴12、销11、偏心轮转轴13、SMA弹簧7、扭簧16。在每个车轮15上方都有一套偏心轮自锁机构18。偏心轮转轴13与车体固联，偏心轮8可以绕各自的偏心轮转轴13自由转动。左车体1上的偏心轮自锁机构18中，扭簧16安装在车体外侧的偏心轮转轴13上，一端与偏心轮8固定，一端与左车体1固定。SMA弹簧7一端套在连杆转轴12上，一端与左车体1相连。销11插在连杆转轴12的孔中，实现对偏心轮8和连杆6的定位。室温状态时，在扭簧16作用下，SMA弹簧7被拉长，车轮15右侧的偏心轮8与车轮15接触，车轮15左侧的偏心轮8与车轮15脱离。右车体10上偏心轮自锁机构18的安装方式与之相同。
SMA驱动器17中的左挡板19、右挡板20分别与机器人的左车体1、右车体10是一体的。
偏心轮自锁机构18中的两个偏心轮8用连杆6相连，偏心轮8和连杆6可绕连杆转轴12自由转动。
本发明中，偏心轮8自锁原理(以车轮15右侧的偏心轮8为例)：
车轮15逆时针方向转动时，在摩擦力的作用下，偏心轮8相对于车轮15作顺时针方向的纯滚动，两者之间的夹紧力会越来越小，偏心轮8对车轮15的阻力可以忽略，车轮15此时可以自由向左滚动。
车轮15有顺时针方向运动趋势时，由于车轮15对偏心轮8的作用力方向位于偏心轮转轴13之下，偏心轮8将会逆时针方向转动，从而使车轮15与偏心轮8间的夹紧力越来越大。最后，偏心轮8相对于车轮15静止，这意味着车轮15与车体间已成为刚性连接，车轮15与地面间的摩擦也由滚动摩擦转化为滑动摩擦。此滑动摩擦力足以防止车轮15相对于地面运动。这样，偏心轮8就可以在机器人前进过程中防止车轮15向后运动。
运动方向控制(以左车体1上的偏心轮自锁机构18为例)：
如图1所示，机器人的偏心轮自锁机构18主要由偏心轮8、连杆6、SMA弹簧7、扭簧16组成。室温状态下，SMA弹簧7被扭簧16拉长，车轮15左侧的偏心轮8与车轮15脱离，右侧的偏心轮8与车轮15接触。此时，机器人只能向左运动。
对SMA弹簧7加热后，其刚度系数变大，克服扭簧16的拉伸作用收缩，带动连杆6顺时针转动，从而使车轮15右侧的偏心轮8与车轮15脱离，左侧的偏心轮8与车轮15接触。这时机器人只能向右运动。
SMA弹簧7冷却后，刚度系数变小，在扭簧16的作用下，偏心轮8逆时针转动，带动连杆6逆时针转动，使车轮15右侧的偏心轮8与车轮15接触，左侧的偏心轮8与车轮15脱离。这时机器人只能向左运动。
直线运动(可分为三个阶段，设在偏心轮自锁机构18作用下，车轮15只能向右滚动)：
I阶段：SMA驱动器17下侧的两根SMA弹簧4保持冷却，上侧的两根SMA弹簧4加热后收缩。普通弹簧3发生向下的弯曲变形，左侧车轮15在偏心轮自锁机构18作用下，静止不同，右侧车轮15向右滚动。
II阶段：SMA驱动器17上侧的两根SMA弹簧4继续加热，同时下侧的两根SMA弹簧4加热后也开始收缩。普通弹簧3被压缩，右侧车轮15在偏心轮自锁机构18作用下，静止不同，左侧车轮15向右滚动。
III阶段：四根SMA弹簧4均冷却，普通弹簧3舒张，左侧车轮15在偏心轮自锁机构18作用下，静止不同，右侧车轮15向右滚动。机器人回到初始状态。
右转弯运动(可分为两个阶段，设在偏心轮自锁机构18作用下，车轮15只能向前滚动)：
I阶段：SMA驱动器17右侧的两根SMA弹簧4保持冷却，左侧两根SMA弹簧4加热后收缩。普通弹簧3发生向右的弯曲变形，前车轮15在偏心轮自锁机构18作用下，静止不动；后车轮15一边连滚带爬向前运动，一边转向。
II阶段：SMA驱动器17右侧的两根SMA弹簧4继续保持冷却，左侧两根SMA弹簧4也开始冷却，普通弹簧3回复至初始状态，后车轮15在偏心轮自锁机构18作用下，静止不动；前车轮15一边连滚带爬向前运动，一边转向。此时，蠕动机器人向右转过一定的角度。
采用相同的策略，机器人就可以实现左转弯运动。
Claims (8)
1、一种基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人，包括：左车体(1)、右车体(10)、SMA驱动器(17)、偏心轮自锁机构(18)、车轮(15)，其特征在于，SMA驱动器(17)包括：一根普通弹簧(3)、四根SMA弹簧(4)、导向杆(2)、固定螺钉(5)、左挡板(19)、右挡板(20)，四根SMA弹簧(4)分别与左挡板(19)、右挡板(20)相连，普通弹簧(3)两端套在导向杆(2)上；偏心轮自锁机构(18)包括：两个偏心轮(8)、连杆(6)、SMA弹簧(7)、销(11)、连杆转轴(12)、偏心轮转轴(13)、扭簧(16)，在每个车轮(15)上方都设有一套偏心轮自锁机构(18)，左车体(1)上的偏心轮自锁机构(18)中，扭簧(16)设在车体外侧的偏心轮转轴(13)上，一端与偏心轮(8)固定，一端与左车体(1)固定，SMA弹簧(7)一端套在连杆转轴(12)上，一端与左车体(1)相连，销(11)插在连杆转轴(12)的孔中，实现对偏心轮(8)和连杆(6)的定位，右车体(10)上偏心轮自锁机构(18)的安装方式与之相同。
2、根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人，其特征是，SMA驱动器(17)中的四根SMA弹簧(4)呈正方形分布，通过固定螺钉(5)分别与左挡板(19)、右挡板(20)相连，四根SMA弹簧(4)的各项参数完全相同。
3、根据权利要求1或者2所述的基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人，其特征是，SMA驱动器(17)中的普通弹簧(3)放置在四根SMA弹簧(4)所构成的长方体的中心线上，两端套在导向杆(2)上，导向杆(2)与左挡板(19)、右挡板(20)间都是刚性连接。
4、根据权利要求1或者2所述的基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人，其特征是，室温状态下，SMA驱动器(17)中的普通弹簧(3)处于压缩状态，SMA弹簧(4)处于拉伸状态。
5、根据权利要求1或者2所述的基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人，其特征是，SMA驱动器(17)中的左挡板(19)、右挡板(20)分别与机器人的左车体(1)、右车体(10)是一体的。
6、根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人，其特征是，偏心轮自锁机构(18)中的两个偏心轮(8)用连杆(6)相连，偏心轮(8)和连杆(6)能绕连杆转轴(12)自由转动。
7、根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人，其特征是，偏心轮自锁机构(18)中的偏心轮转轴(13)与车体固联，偏心轮(8)能绕各自的偏心轮转轴(13)自由转动。
8、根据权利要求1或者7所述的基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人，其特征是，左车体(1)上的偏心轮自锁机构(18)中，常温状态下，在扭簧(16)作用下，SMA弹簧(7)被拉长，车轮(15)右侧的偏心轮(8)与车轮(15)接触，车轮(15)左侧的偏心轮(8)与车轮(15)脱离；SMA弹簧(7)加热后沿轴线收缩，使车轮(15)右侧的偏心轮(8)与车轮(15)脱离，左侧的偏心轮(8)与车轮(15)接触；SMA弹簧(7)冷却后，在扭簧(16)作用下，车轮(15)右侧的偏心轮(8)与车轮接触，车轮(15)左侧的偏心轮(8)与车轮(15)脱离；右车体(10)上偏心轮自锁机构(18)与之相同。
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| CN 200610023457 CN1803409A (zh) | 2006-01-19 | 2006-01-19 | 基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人 |
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| CN 200610023457 CN1803409A (zh) | 2006-01-19 | 2006-01-19 | 基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人 |
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2006
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