CN203623809U - 四足仿生昆虫机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了四足仿生昆虫机器人,属于仿生学技术领域，包括躯干骨架、仿生肢节、驱动机构、控制系统，驱动机构包括四组形状记忆合金弹簧，每组形状记忆合金弹簧由第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧及第四弹簧组成，每根形状记忆合金弹簧的两端分别连接设置导线，每根导线的另一端与控制系统连接。本实用新型通过将形状记忆合金弹簧作为驱动元件，简化了驱动机构、性能稳定、造价低、动作柔软，驱动电压低，无污染和噪音，符合仿生的概念；连接机构保证了仿生肢节前后左右动作的自由度。该实用新型结构精简、加工、组装方便，整体质量较轻，多状记忆合金弹簧驱动，易于步态规划，容易实现四足仿生昆虫机器人的不行平稳、协调、可靠运行。

Description

四足仿生昆虫机器人

技术领域

本实用新型属于仿生学技术领域，具体涉及一种由形状记忆合金弹簧驱动的四足仿生昆虫机器人。

背景技术

机器人技术是一门交叉学科，涉及力学、机械学、电子学、生物学、计算机、人工智能、系统工程学等学科知识，仿生机器人是国内外机器人研究热点，近年来，相关研究取得了长足进步，比如2012年春晚就表演了栩栩如生的机器人舞蹈，日本、法国等国科学家和工程师更是推出了具有一定智能的机器人，我国学者也对复辅助机器人、救援机器人、仿生昆虫等展开研究。但这些机器人大都基于电机驱动，结构设计较为复杂、笨重、制作成本高、较难控制，并且在人机界面、柔顺性等方面，与人体、生物具有较大差距。形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA）是近几十年来发现的一种新型功能材料，具有形状记忆效应。形状记忆合金作为集传感、驱动和执行功能于一体的新型材料，具有重量轻便、结构简单、无噪音、易于控制等特点。常见的形状记忆合金执行器包含SMA丝、SMA弹簧等，其中SMA弹簧相比SMA丝具有变形小，响应速度快等优点。

自世界上第一台机器人诞生以来，机器人经历了示教再现、具备一定感知功能和智能化三个阶段。目前，机器人在工业生产中已经得到广泛地应用，这些机器人大多属于位置固定机器人，如焊接、喷漆机器人，这类机器人位置移动范围有限，只能在结构化环境中开展活动。随时技术的发展，各种应用的需要，出现了移动机器人，如自动导向车、足球机器人及各种类足式机器人等。目前，地面移动机器人的运动方式有轮式、履带式、足式、蠕动式等，其中应用较多的有轮式、履带式、足式机器人。轮式机器人在平坦的硬质地面上运动具有履带式和足式机器人无法比拟的优点，在目前的移动机器人中应用最多。履带式机器人最大的优点是野外作业能力强，它能够在崎岖不平的地形表面上行走，可以在建筑物里执行搜救任务、投掷手榴弹等。轮式、履带式机器人都存在运动方式单一，无法实现对机器人姿态控制的缺陷。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于在提供一种四足仿生昆虫机器人。

本实用新型通过以下技术方案加以实现：

所述的四足仿生昆虫机器人,包括躯干骨架、仿生肢节、驱动机构、控制系统，其特征在于所述驱动机构包括四组用于驱动仿生肢节的形状记忆合金弹簧，每组形状记忆合金弹簧由第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧及第四弹簧组成，每根形状记忆合金弹簧的两端分别连接设置导线，每根导线的另一端与控制系统连接。

所述的四足仿生昆虫机器人，其特征在于所述躯干骨架包括虫身、连接机构及弹簧固定机构，所述连接机构及弹簧固定机构插接设置在虫身上。

所述的四足仿生昆虫机器人，其特征在于所述连接机构有四个，且对称穿插设置在虫身的两侧。

所述的四足仿生昆虫机器人，其特征在于所述连接机构呈T型，包括水平轴、竖直轴及短轴，所述竖直轴的一端通过三通管A连接设置在水平轴的中部，在水平轴的两端分别设置有三通管B，在竖直轴的另一端通过三通管C连接短轴，所述短轴与仿生肢节的一端配合连接。

所述的一种四足仿生昆虫机器人，其特征在于所述仿生肢节与连接机构相连的一端设置有中空连接件，所述连接件上对称设置与三通管C配合使用的插接孔。

所述的四足仿生昆虫机器人，其特征在于所述弹簧固定机构包括四根长支架及四根短支架，所述长支架和短支架对称分布在虫身上，长支架对称插接设置在虫身的两侧，短支架插接设置在虫身的中部，每根长支架和短支架上均设置有小孔。

所述的四足仿生昆虫机器人，其特征在于所述仿生肢节有四个，虫身前面两个仿生肢节为前足，向前弯，虫身后面两个仿生肢节为后足，向后弯，每个仿生肢节的上端和下端分别设置有连接孔。

所述的四足仿生昆虫机器人，其特征在于所述控制系统为16路继电器控制板，所述16路继电器控制板通过串口与电脑相连。

所述的四足仿生昆虫机器人，其特征在于每组形状记忆合金弹簧的各个弹簧的两端分别通过钓鱼绳与仿生肢节及躯干骨架相连。

本实用新型模拟昆虫的结构和关节驱动方式，提出采用SMA弹簧驱动的四足仿生昆虫机器人。设计了四足仿生昆虫机械结构，提出控制方法。足式机器人最大的优点是对路况要求不高，在不连续的地形条件下具有很大优势，运动灵活，适应复杂地形的能力强， 四足机器人与双足机器人相比具有更好的稳定性和承载能力，与六足、八足机器人相比机构更简单。

本实用新型四足仿生昆虫机器人，整体结构简单，设计合理，通过将形状记忆合金弹簧作为驱动元件，简化了驱动机构、性能稳定、轻便、造价低、动作柔软，在驱动的过程中驱动电压低，无污染和噪音，提高了机器人对环境的适应性，符合仿生的概念；连接机构的设置保证了仿生肢节前后左右动作的自由度；仿生肢节采用前足向前弯，后足向后弯的方式设置，可增大落足所构多边形的面积，有利于增加机器人的稳定性。该实用新型结构精简、加工、组装方便，整体质量较轻，多状记忆合金弹簧驱动，易于步态规划，容易实现四足仿生昆虫机器人的步行平稳、协调、可靠运行。

附图说明

图1为本实用新型四足仿生昆虫机器人的结构示意图；

图2为连接机构结构示意图；

图3为仿生肢节结构示意图；

图中：1-仿生肢节，2-第一弹簧，3-第二弹簧,4-第三弹簧，5-第四弹簧，6-虫身，7-连接机构，71-水平轴，72-竖直轴，73-短轴，74-三通管A,75-三通管B，76-三通管C，8-连接件，9-插接孔，10-长支架，11-短支架，12-小孔，13-连接孔，14-钓鱼绳。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型作进一步详细说明，并给出具体实施方式。

如图1所示，本实用新型四足仿生昆虫机器人,包括躯干骨架、仿生肢节1、驱动机构、控制系统，驱动机构包括四组用于驱动仿生肢节的形状记忆合金弹簧，每组形状记忆合金弹簧由第一弹簧2、第二弹簧3、第三弹簧4及第四弹簧5组成， 每根形状记忆合金弹簧的两端分别连接设置导线及钓鱼线14，每根导线的另一端与控制系统连接，钓鱼线14的另一端与躯干骨架相连。躯干骨架为机器人的支撑结构，包括虫身6、连接机构7及弹簧固定机构，连接机构7及弹簧固定机构插接设置在虫身6上；仿生肢节1为机器人的四足，虫身前面两个仿生肢节为前足，向前弯，虫身后面两个仿生肢节为后足，向后弯，每个仿生肢节1的上端和下端分别设置有连接孔13，仿生肢节1由驱动机构即四组形状记忆合金弹簧分别控制，驱动机器人的前进，其中连接机构7有四个，且对称穿插设置在虫身6的两侧，弹簧固定机构包括四根长支架10及四根短支架11，长支架10左右对称插接设置在虫身6的两侧，短支架11插接设置在虫身6的中部，其中长支架10尺寸为5×5×150mm，并打有Φ2小孔，虫身上方长支架高度为80mm；短支架11尺寸为5×5×30mm，且虫身上方突出25mm，同时打有Φ2小孔，长支架10左右距离55mm，前后距离90mm；控制系统为16路继电器控制板，16路继电器控制板通过串口与电脑相连。每个仿生肢节1由四根弹簧驱动，其连接关系为，第一弹簧2的两端分别通过钓鱼线14与仿生肢节1的上端连接孔13及长支架10的上端小孔12相连，第二弹簧3的两端分别通过钓鱼线14与短支架11上的小孔12及连接机构7的水平轴71的一端相连，第三弹簧4的两端分别通过钓鱼线14与仿生肢节1的下端连接孔13及长支架10下端小孔12相连，第四弹簧5的两端分别通过钓鱼线14与短支架11上端小孔及连接机构7的水平轴71的另一端相连。

本实用新型四个仿生肢节1即四足相对于虫身6成左右对称的分布形式，前后两足相对于虫身6形成前后对称分布，每条仿生肢节1的结构型式及参数相同，采用外膝肘式布置形式（前足向前弯，后腿向后弯）。该布置形式可增大落足所构多边形的面积，有利于增加昆虫的稳定性。每只仿生肢节1由四根弹簧与虫身连接，弹簧两端需要物理连接和电路连接，物理连接是为了弹簧收缩受力需要，从而产生位移；电路连接是为了方便给弹簧两端通电加热，故弹簧两端的连接为接线插头，物理连接采用强度好的钓鱼线14。具有该结构的四足步行昆虫，在静态步行时总是具有4自由度，能够满足步行平台实现全方位步态和调整昆虫体姿势的要求。

如图2所示，连接机构7呈T型，包括水平轴71、竖直轴72和短轴73，竖直轴72的一端通过三通管A74连接设置在水平轴71的中部，在水平轴71的两端分别设置有三通管B75，在竖直轴72的另一端通过三通管C76连接设置短轴73，短轴73与仿生肢节1的一端配合连接。其工作过程为，水平面中，以竖直轴72为中心转动，带动腿部机构水平转动；竖直平面中，以短轴73为中心，带动腿部机构转动。

如图3所述，仿生肢节1与连接机构7相连的一端设置有中空连接件8，连接件8上对称设置与三通管C76配合使用的插接孔9，其中仿生肢节1上端设置有9个连接孔，下端设置有3个连接孔。

本实用新型虫身6的尺寸大小设定为120×200×5mm，且虫身成左右对称，左右仿生肢节的间距为90mm，前仿生肢节距头部最前端55mm，前后仿生肢节中心距90mm。采用该结构设计的虫身简单轻便，同时还可保证虫身足够的刚度强度。连接机构7采用两组轴承转动机构，一组轴承水平放置即水平轴71，可在水平面旋转；另一组轴承竖直放置即竖直轴72，可实现竖直面的旋转，根据仿生肢节结构的大小，水平轴尺寸为Φ3×60mm，竖直轴尺寸为Φ4×35mm，短轴尺寸为Φ3×13mm，其中水平轴71与竖直轴72之间通过三通管A74连接，竖直轴72与短轴73之间通过三通管C76连接，水平轴71的两端分别套接设置有三通管B75，采用该结构设置的连接机构，可保证各仿生肢节前后左右灵活转动。  

形状记忆合金弹簧相当于哺乳动物的肌肉，只能收缩而不能舒张，所以形状记忆合金弹簧只有单向驱动力。根据昆虫一只腿的运动规律：抬起腿部→腿部前移→放下腿部，脚与地面接触→腿部后移（实际是腿部不动，虫身前移，由脚和地面摩擦力驱动虫身前进）。本实用新型一只仿生肢节由四个形状记忆合金弹簧驱动分别驱动仿生肢节的抬起、前移、下放、后移，仿生肢节1与连接机构7相连接的一端采用轴承连接，具体为在仿生肢节的一端设置有中空的连接件8，中空连接件8上对称设置有插接孔9，在连接机构7的短轴73的两端套接设置有与插接孔9相配合的连接圈，通过将连接圈插接设置在连接孔9内，完成连接机构7与仿生肢节1的连接，在仿生肢节的上方打有Φ2×9个的小孔，下方打有Φ2×3个小孔，以实现仿生肢节与虫身的驱动连接。

本实用新型工作原理，一只仿生肢节1由4个形状记忆合金弹簧控制，四只仿生肢节共有16个形状记忆合金弹簧，给弹簧两端通电后，弹簧受热而收缩产生驱动力，16个弹簧由16路继电器控制板控制电流的通断。每个仿生肢节的驱动原理相同，左前仿生肢节的动作过程为：第一弹簧两端通电5秒，第一弹簧收缩，带动左前仿生肢节抬起离开地面；第二弹簧两端通电5秒，第二弹簧收缩，带动连接机构水平轴顺时针转动，从而驱动抬起的左前仿生肢节向前转动；第三弹簧两端通电5秒，第三弹簧收缩，带动左前仿生肢节抓紧地面并抬高虫身；第四弹簧两端通电5秒，第四弹簧收缩，带动连接机构的水平轴逆时针转动，由于左前肢节抓紧地面，左前肢节向后转动驱动虫身向前爬行，其余三只仿生肢节驱动原理相同。各仿生肢节的抬腿顺序依次为左前仿生肢节，右后仿生肢节，右前仿生肢节，左后仿生肢节。采用该顺序抬腿，仿生昆虫机器人的稳定性最好。

Claims (6)

1.四足仿生昆虫机器人,包括躯干骨架、仿生肢节（1）、驱动机构、控制系统，其特征在于所述驱动机构包括四组用于驱动仿生肢节的形状记忆合金弹簧，每组形状记忆合金弹簧由第一弹簧（2）、第二弹簧（3）、第三弹簧（4）及第四弹簧（5）组成，每根形状记忆合金弹簧的两端分别连接设置导线，每根导线的另一端与控制系统连接；所述躯干骨架包括虫身（6）、连接机构（7）及弹簧固定机构，所述连接机构（7）及弹簧固定机构插接设置在虫身（6）上；所述连接机构（7）呈T型，包括水平轴（71）、竖直轴（72）及短轴（73），所述竖直轴（72）的一端通过三通管A（74）连接设置在水平轴（71）的中部，在水平轴（71）的两端分别设置有三通管B（75），在竖直轴（72）的另一端通过三通管C（76）连接短轴（73），所述短轴（73）与仿生肢节的（1）一端配合连接；所述仿生肢节（1）有四个，虫身（6）前面两个仿生肢节为前足，向前弯，虫身后面两个仿生肢节为后足，向后弯，每个仿生肢节（1）的上端和下端分别设置有连接孔（13）。

2.根据权利要求1所述的四足仿生昆虫机器人，其特征在于所述连接机构（7）有四个，且对称穿插设置在虫身（6）的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种四足仿生昆虫机器人，其特征在于所述仿生肢节（1）与连接机构（7）相连的一端设置有中空连接件（8），所述连接件（8）上对称设置与三通管C（76）配合使用的插接孔（9）。

4.根据权利要求1所述的四足仿生昆虫机器人，其特征在于所述弹簧固定机构包括四根长支架（10）及四根短支架（11），所述长支架（10）和短支架（11）对称分布在虫身（6）上，长支架（11）对称插接设置在虫身（6）的两侧，短支架（11）插接设置在虫身（6）的中部，每根长支架（10）和短支架（11）上均设置有小孔（12）。

5.根据权利要求1所述的四足仿生昆虫机器人，其特征在于所述控制系统为16路继电器控制板，所述16路继电器控制板通过串口与电脑相连。

6.根据权利要求1所述的四足仿生昆虫机器人，其特征在于每组形状记忆合金弹簧的各个弹簧的两端分别通过钓鱼绳（14）与仿生肢节（1）及躯干骨架相连。

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