CN210525097U - 一种sma驱动的仿尺蠖模块化软体机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，包括弯曲装置、夹持装置和控制器；弯曲装置包括柔性体和第一形状记忆合金弹簧，柔性体内设有沿轴向方向的若干通孔，第一形状记忆合金弹簧设于通孔内，且第一形状记忆合金弹簧的两端分别与弯曲装置的两端固定连接，控制器控制输出电流大小和工作时间而控制第一形状记忆合金弹簧的伸长或缩短，第一形状记忆合金弹簧驱动柔性体在直线到曲线之间变化。本实用新型采用第一形状记忆合金弹簧的缩短和伸长来控制柔性体的弯曲或竖直，使柔性体能发生向上的挺进动作，从而实现攀爬的动作，并且可以通过控制第一形状记忆合金弹簧的通电或断开，即可控制攀爬的动作，结构简单，控制方便和适应性强。

Description

一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人

技术领域

本实用新型涉及一种机器人，尤其是指一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人。

背景技术

在工业、市政建设、农林业等领域中，往往需要机器人进行攀爬作业，这些工作的作业环境具有地形多样的特点，例如，船舶建造、道路照明的维修、果蔬采摘等工作，这就需要机器人具有较强的环境适应性和灵活性。

近年来，国内外在攀爬机器人领域进行了很多细致的研究，如WOODY、Shady3D、3DClimber、UT-PCR等优秀的攀爬机器人系统，同时，国内也相继研制出Climbot、Wallbot等攀爬机器人系统，这些机器人系统具有刚性的结构，能够在一些指定的环境中进行攀爬作业。

然而，机器人在作业时往往需要与人员、活体生物或脆弱环境进行交互，刚性机器人无法适应多种不同的环境。

因此，研制一种能运动灵活精确，且适用于不同作业环境，并能对不同的作业需求进行自由组合的模块化软体攀爬机器人是非常必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对上述问题，提供一种结构简单、适应性强和通用性高、控制方便和投入成本低的SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人。该机器人以二自由度弯曲模块作为主体，可以根据作业需求任意改变构型，能扩大软体机器人的应用范围，提高机器人攀爬作业的适应性。

本实用新型的目的可采用以下技术方案来达到：

一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，包括弯曲装置，设于弯曲装置两端的夹持装置，以及用于控制弯曲装置和夹持装置的工作状态的控制器；所述弯曲装置包括柔性体和第一形状记忆合金弹簧，所述柔性体内设有沿轴向方向的若干通孔，所述第一形状记忆合金弹簧设于通孔内，且第一形状记忆合金弹簧的两端分别与弯曲装置的两端固定连接，所述控制器控制输出的电流大小和工作时间而控制第一形状记忆合金弹簧的伸长或缩短，第一形状记忆合金弹簧驱动柔性体在直线到曲线之间变化。

作为一种优选的方案，所述弯曲装置内设有电路板，所述电路板上设有用于测量电路板端面的姿态的惯性测量单元；所述控制器根据接收到的惯性测量单元的信号，控制器控制输出的电流大小和工作时间而控制第一形状记忆合金弹簧的伸长或缩短，使第一形状记忆合金弹簧驱动柔性体处于直线或曲线到所需的弧度。

作为一种优选的方案，所述夹持装置包括两端带有钩爪的弹性带，以及设于弹性带内部的第二形状记忆合金弹簧；所述第二形状记忆合金弹簧的两端分别与弹性带的两端固定连接；所述第二形状记忆合金弹簧的两端通过电线外接控制器，控制器控制输出的电流大小和工作时间而控制第二形状记忆合金弹簧的伸长或缩短，第二形状记忆合金弹簧驱动弹性带两端的钩爪相向或背向运动。

作为一种优选的方案，所述弹性带为开环结构；在控制器控制且输出电流到第二形状记忆合金弹簧时，第二形状记忆合金弹簧发热而温度升高，第二形状记忆合金弹簧缩短，弹性带两端的钩爪相向运动；在第二形状记忆合金弹簧冷却而温度降低时，第二形状记忆合金弹簧伸长，弹性带两端的钩爪背向运动。

作为一种优选的方案，所述弯曲装置的两端上设有电吸盘装置，所述控制器与电吸盘装置电连接而控制电吸盘装置产生或消除磁力。

作为一种优选的方案，所述弯曲装置设为多个，相邻弯曲装置之间通过公插口和母插口插接在一起而将相邻两个弯曲装置电连接在一起。

作为一种优选的方案，所述夹持装置上设有公插口或母插口，夹持装置通过公插口或母插口与弯曲装置两端上的母插口或公插口插接在一起。

作为一种优选的方案，在弹性带为导电材料时，所述第二形状记忆合金弹簧通过绝缘连接件与弹性带绝缘连接。

作为一种优选的方案，所述绝缘连接件包括塑料螺栓和塑料螺母，所述弹性带上开有相对的两个通孔；所述塑料螺栓的一端穿过通孔，且该端上螺纹连接有两个塑料螺母，所述第二形状记忆合金弹簧的每一端都被固定在两个塑料螺母之间。

作为一种优选的方案，所述钩爪的前端设有尖部。

实施本实用新型，具有如下有益效果：

1、本实用新型在攀爬时，控制器控制弯曲装置首端的夹持装置夹持住目标，然后控制器输出电流到第一形状记忆合金弹簧，使第一形状记忆合金弹簧发热引起而逐渐收缩。在第一形状记忆合金弹簧收缩时，第一形状记忆合金弹簧对柔性体的两端施加向内的拉力，使得柔性体产生弯曲变形。弯曲的柔性体带动弯曲装置尾端的夹持装置逐渐靠近并与目标接触，然后控制器再控制该夹持装置夹持住目标。随后，控制器控制弯曲装置首端的夹持装置放开目标，此时，由于弯曲装置尾端的夹持装置夹紧目标，机器人能够牢固地附着在目标上。然后，控制器断开对第一形状记忆合金弹簧的通电，第一形状记忆合金弹簧伸长，柔性体逐渐恢复到竖直状态，此时柔性体发生了向上的挺进动作，从而完成一轮向上攀爬的动作组合。本实用新型采用第一形状记忆合金弹簧的缩短和伸长来控制柔性体的弯曲或竖直，使柔性体能发生向上的挺进动作，从而实现攀爬的动作，并且可以通过控制器控制第一形状记忆合金弹簧的通电或断开，即可控制第一形状记忆合金弹簧驱动柔性体实现攀爬的动作，具有结构简单，零件数量少，控制方便投入成本低的优点。由于本实用新型采用的柔性体的弯曲角度可以根据需要进行控制，使得本实用新型的机器人能适应多种不同攀爬目标的要求，提高了使用的范围和适应性，解决了现有刚性机器人无法适应多种不同的环境的问题。

2、本实用新型通过采用第二形状记忆合金弹簧作为驱动器，并通过控制器对工作电流的控制即可驱动弹性带的弯曲变形和钩爪的夹持和松开，结构简单，零件数量少，制造方便，投入成本低。并且末端钩爪接触到物体表面时发生扭转变形，最终所有钩爪都能被动地适应到物体表面上，使得夹持器能稳定附着于形状未知的杆件、树木上，也可以实现对不规则物体的抓夹，使用范围广，适应性好，通用性高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人的结构示意图；

图2是本实用新型SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人的夹持装置的结构示意图；

图3是本实用新型SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人的弯曲装置的结构示意图；

图4是本实用新型SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人的攀爬过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

参照图1和图3，本实施例涉及SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，包括弯曲装置1，设于弯曲装置1两端的夹持装置2，以及用于控制弯曲装置1和夹持装置2工作状态的控制器3；所述弯曲装置1包括柔性体11和第一形状记忆合金弹簧12，所述柔性体11内设有沿轴向方向的若干通孔，所述第一形状记忆合金弹簧12设于通孔内，且第一形状记忆合金弹簧12的两端分别与弯曲装置1的两端固定连接，所述控制器3控制输出的电流大小和工作时间而控制第一形状记忆合金弹簧12的伸长或缩短，第一形状记忆合金弹簧12驱动柔性体11在直线到曲线之间变化。

在攀爬时，控制器3控制弯曲装置1首端的夹持装置2夹持住目标，然后控制器3输出控制信号，控制通过第一形状记忆合金弹簧12的电流，使第一形状记忆合金弹簧12发热引起而逐渐收缩。在第一形状记忆合金弹簧12收缩时，第一形状记忆合金弹簧12对柔性体11的两端施加向内的拉力，使得柔性体11产生弯曲变形。弯曲的柔性体11带动弯曲装置1尾端的夹持装置2逐渐靠近并与目标接触，然后控制器3再控制该夹持装置2夹持住目标。随后，控制器3控制弯曲装置1首端的夹持装置2放开目标，此时，由于弯曲装置1尾端的夹持装置2夹紧目标，机器人能够牢固地附着在目标上。然后，控制器3断开对第一形状记忆合金弹簧12的通电，第一形状记忆合金弹簧12伸长，柔性体11逐渐恢复到竖直状态，此时柔性体11发生了向上的挺进动作，从而完成一轮向上攀爬的动作组合。本实用新型采用第一形状记忆合金弹簧12的缩短和伸长来控制柔性体11的弯曲或竖直，使柔性体11能发生向上的挺进动作，从而实现攀爬的动作，并且可以通过控制器3控制第一形状记忆合金弹簧12的通电或断开，即可控制第一形状记忆合金弹簧12驱动柔性体11实现攀爬的动作，具有结构简单，零件数量少，控制方便投入成本低的优点。由于本实用新型采用的柔性体11的弯曲角度可以根据需要进行控制，使得本实用新型的机器人能适应多种不同攀爬目标的要求，提高了使用的范围和适应性，解决了现有刚性机器人无法适应多种不同的环境的问题。

所述弯曲装置1内设有电路板13，所述电路板13上设有用于测量电路板13端面的姿态的惯性测量单元14；所述控制器3根据接收到的惯性测量单元14的信号，控制器3控制输出的电流大小和工作时间而控制第一形状记忆合金弹簧12的伸长或缩短，使第一形状记忆合金弹簧12驱动柔性体11处于直线或曲线到所需的弧度。

惯性测量单元14测量电路板13端面的姿态，以实时获得柔性体11的弯曲角度。控制器3通过惯性测量单元14实时对柔性体11进行实时姿态解算和闭环控制，即控制器3通过惯性测量单元14实时控制第一形状记忆合金弹簧12通电或断开，从而准确控制柔性体11弯曲角度的目的，具有控制简单、方便和准确地特点。

如图1和图2所示，所述夹持装置2包括两端带有钩爪20的弹性带21，以及设于弹性带21内部的第二形状记忆合金弹簧22；所述第二形状记忆合金弹簧22的两端分别与弹性带21的两端固定连接；所述第二形状记忆合金弹簧22的两端通过电线外接控制器3，控制器3控制输出的电流大小和工作时间而控制第二形状记忆合金弹簧22的伸长或缩短，第二形状记忆合金弹簧22驱动弹性带21两端的钩爪20相向或背向运动。

以夹持粗糙杆件为例，首先，由机器人将本实用新型的夹持器朝向杆件，然后由控制器3控制并输出电流到第二形状记忆合金弹簧22对其进行加热。随着第二形状记忆合金弹簧22温度的升高，其逐渐产生收缩，进而带动弹性带21弯曲而同时带动弹性带21两端的钩爪20相向运动而趋近被抓杆件的表面。当钩爪20接触到粗糙杆件的表面时，若接触角度合适，则产生摩擦钩附，即钩爪20的前端位置固定，产生抓附力；否则将在粗糙杆件的表面上滑移直至顺利钩附，最终钩爪20被动地适应到杆件表面上并且位置固定。随着第二形状记忆合金弹簧22的持续收缩，钩爪20相对弹性带21发生扭转而产生回弹力，即夹持器对杆件的抓附力。最终弹性带21和钩爪20的回弹力、以及第二形状记忆合金弹簧22的收缩力达到平衡。由于第二形状记忆合金弹簧22能产生较大的收缩力，因此机器人能随本实用新型的夹持器稳定地攀附在粗糙杆件上。在对第二形状记忆合金弹簧22断电冷却后，随着第二形状记忆合金弹簧22温度的降低，其逐渐伸长。在弹性带21的回弹力作用下，钩爪20被释放而松开并恢复原形，完成一个作业周期。

本实用新型通过采用第二形状记忆合金弹簧22作为驱动器，并通过控制器3对工作电流的控制即可驱动弹性带21的弯曲变形和钩爪20的夹持和松开，结构简单，零件数量少，制造方便，投入成本低。并且末端钩爪20接触到物体表面时发生扭转变形，最终所有钩爪20都能被动地适应到物体表面上，使得夹持器能稳定附着于形状未知的杆件、树木上，也可以实现对不规则物体的抓夹，使用范围广，适应性好，通用性高。

本实用新型的弹性带21和钩爪20通过钣金加工一体成型，需加工的零件数量极少，整体重量轻且体积小。其中弹性带21和钩爪20的宽度远大于其厚度，具有很大的侧向抗扭模量，因此可以认为弹性带21和钩爪20仅在一个平面内发生运动，使得运动轨迹稳定可靠。

所述弹性带21为开环结构；在控制器3控制且输出电流到第二形状记忆合金弹簧22时，第二形状记忆合金弹簧22发热而温度升高，第二形状记忆合金弹簧22缩短，弹性带21两端的钩爪20相向运动；在第二形状记忆合金弹簧22冷却而温度降低时，第二形状记忆合金弹簧22伸长，弹性带21两端的钩爪20背向运动。该结构通过控制器3控制输出的电流大小和工作时间即可控制第二形状记忆合金弹簧22的伸长或缩短，从而实现对钩爪20的夹持或松开进行控制，控制简单且方便。

所述弯曲装置1的两端上设有电吸盘装置4，所述控制器3与电吸盘装置4电连接而控制电吸盘装置4产生消除磁力。当攀爬目标为铁磁性材料时，可以通过控制器3控制弯曲装置1两端的电吸盘装置4的通电或断开来控制是否吸附到攀爬目标上。该结构采用电吸盘装置4来实现弯曲装置1的攀爬，可适应带磁性的各种形状的攀爬目标，极大地提高了使用的方便性和适应性。

所述弯曲装置1设为多个，相邻弯曲装置1之间通过公插口101和母插口102插接在一起而将相邻两个弯曲装置1电连接在一起。图1中，采用了三个弯曲装置1依次连接的结构。在第一形状记忆合金弹簧12收缩时，三个弯曲装置1发生相应的弯曲。

所述夹持装置2上设有公插口101或母插口102，夹持装置2通过公插口101或母插口102与弯曲装置1两端上的母插口102或公插口101插接在一起。通过公插口101和母插口102可以实现夹持装置2与弯曲装置1的快速连接，极大提高了安装的速度和效率，提高了制造的方便性，降低了生产的成本。

在弹性带21为导电材料时，所述第二形状记忆合金弹簧22通过绝缘连接件5与弹性带21绝缘连接。当弹性带21具有导电性时，为了防止弹性带21将第二形状记忆合金弹簧22短路且发热而变形，通过绝缘连接件5可以起到将第二形状记忆合金弹簧22和弹性带21绝缘的作用。

所述绝缘连接件5包括塑料螺栓51和塑料螺母52，所述弹性带21上开有相对的两个通孔；所述塑料螺栓51的一端穿过通孔，且该端上螺纹连接有两个塑料螺母52，所述第二形状记忆合金弹簧22的每一端都被固定在两个塑料螺母52之间。在两个塑料螺母52的压紧下，第二形状记忆合金弹簧22能被固定在塑料螺栓51上且不与弹性带21相接触。

所述钩爪20的前端设有尖部201。尖部201能抓附目标表面的细微凸起，提高夹持稳定性，更好地起到夹紧的作用。

所述钩爪20上开有凹槽202，形成多对钩爪20结构。在钩爪20夹持目标时，目标表面上的凸起物可以伸入凹槽202内，保证钩爪20稳定地与目标的表面相接触和相互顶压。

所述凹槽202设为两个，形成三对手钩爪20结构。当然，根据需要，也可以将凹槽202设计为多个，则可形成更多对的钩爪20。

所述弹性带21为弹簧钢。当然，其它具有较好弹性的材料也适用于弹性带21。

本实用新型的工作原理：

如图1和图4所示，首先，控制器3控制弯曲装置1前端的夹持装置2工作。该过程具体如下：即控制器3控制并输出电流到第二形状记忆合金弹簧22对其进行加热。随着第二形状记忆合金弹簧22温度的升高，其逐渐产生收缩，进而带动弹性带21弯曲而同时带动弹性带21两端的钩爪20相向运动而趋近被抓杆件10的表面。当钩爪20接触到粗糙杆件10的表面时，若接触角度合适，则产生摩擦钩附，即钩爪20的前端位置固定，产生抓附力；否则将在粗糙杆件10的表面上滑移直至顺利钩附，最终钩爪20被动地适应到杆件10表面上并且位置固定。随着第二形状记忆合金弹簧22的持续收缩，钩爪20相对弹性带21发生扭转而产生回弹力，即夹持器对杆件10的抓附力。最终弹性带21和钩爪20的回弹力、以及第二形状记忆合金弹簧22的收缩力达到平衡。此时，弯曲装置1的前端通过夹持装置2固定在杆件10上，同时弯曲装置1的尾端的夹持装置2不工作，即弯曲装置1的尾端的夹持装置2的钩爪20处于释放杆件10的动作状态。

然后，控制器3给第一形状记忆合金弹簧12通电，第一形状记忆合金弹簧12发热引起而逐渐收缩。在第一形状记忆合金弹簧12收缩时，第一形状记忆合金弹簧12对柔性体11的两端施加向内的拉力，使得柔性体11产生弯曲变形，进而柔性体11的尾端向上移动一段距离。

控制器3通过惯性测量单元14测量电路板13端面的姿态。当柔性体11的弯曲角度达到预定值后，控制器3控制弯曲装置1尾端的夹持装置2夹紧杆件10，此时，机器人的前端和尾端都抱紧杆件10。

当弯曲装置1的尾端的夹持装置2夹紧杆件10后，控制器3控制弯曲装置1前端的夹持装置2的第二形状记忆合金弹簧22断电，而做出释放杆件10的动作。然后控制器3控制第二形状记忆合金弹簧22断电，柔性体11从弯曲模块恢复到竖直状态。此时柔性体11发生了向上的挺进动作。最后，弯曲装置1前端的夹持装置2在躯干完成挺直动作后，再次执行抱紧动作，即完成一轮向上攀爬的动作组合。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，其特征在于：包括弯曲装置，设于弯曲装置两端的夹持装置，以及用于控制弯曲装置和夹持装置的工作状态的控制器；所述弯曲装置包括柔性体和第一形状记忆合金弹簧，所述柔性体内设有沿轴向方向的若干通孔，所述第一形状记忆合金弹簧设于通孔内，且第一形状记忆合金弹簧的两端分别与弯曲装置的两端固定连接，所述控制器控制输出的电流大小和工作时间而控制第一形状记忆合金弹簧的伸长或缩短，第一形状记忆合金弹簧驱动柔性体在直线到曲线之间变化。

2.根据权利要求1所述的一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，其特征在于，所述弯曲装置内设有电路板，所述电路板上设有用于测量电路板端面的姿态的惯性测量单元；所述控制器根据接收到的惯性测量单元的信号，控制器控制输出的电流大小和工作时间而控制第一形状记忆合金弹簧的伸长或缩短，使第一形状记忆合金弹簧驱动柔性体处于直线或曲线到所需的弧度。

3.根据权利要求1所述的一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，其特征在于，所述夹持装置包括两端带有钩爪的弹性带，以及设于弹性带内部的第二形状记忆合金弹簧；所述第二形状记忆合金弹簧的两端分别与弹性带的两端固定连接；所述第二形状记忆合金弹簧的两端通过电线外接控制器，控制器控制输出的电流大小和工作时间而控制第二形状记忆合金弹簧的伸长或缩短，第二形状记忆合金弹簧驱动弹性带两端的钩爪相向或背向运动。

4.根据权利要求3所述的一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，其特征在于，所述弹性带为开环结构；在控制器控制且输出电流到第二形状记忆合金弹簧时，第二形状记忆合金弹簧发热而温度升高，第二形状记忆合金弹簧缩短，弹性带两端的钩爪相向运动；在第二形状记忆合金弹簧冷却而温度降低时，第二形状记忆合金弹簧伸长，弹性带两端的钩爪背向运动。

5.根据权利要求1或2所述的一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，其特征在于，所述弯曲装置的两端上设有电吸盘装置，所述控制器与电吸盘装置电连接而控制电吸盘装置产生或消除磁力。

6.根据权利要求1或2所述的一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，其特征在于，所述弯曲装置设为多个，相邻弯曲装置之间通过公插口和母插口插接在一起而将相邻两个弯曲装置电连接在一起。

7.根据权利要求1或3所述的一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，其特征在于，所述夹持装置上设有公插口或母插口，夹持装置通过公插口或母插口与弯曲装置两端上的母插口或公插口插接在一起。

8.根据权利要求3或4所述的一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，其特征在于，在弹性带为导电材料时，所述第二形状记忆合金弹簧通过绝缘连接件与弹性带绝缘连接。

9.根据权利要求8所述的一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，其特征在于，所述绝缘连接件包括塑料螺栓和塑料螺母，所述弹性带上开有相对的两个通孔；所述塑料螺栓的一端穿过通孔，且该端上螺纹连接有两个塑料螺母，所述第二形状记忆合金弹簧的每一端都被固定在两个塑料螺母之间。

10.根据权利要求3所述的一种SMA驱动的仿尺蠖模块化软体机器人，其特征在于，所述钩爪的前端设有尖部。

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