一种形状记忆合金驱动的爬行机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于形状记忆合金驱动的爬行机器人。机器人足部的轮子由硅胶材料制作而成，利用形状记忆合金集成性高、输出功重比大的特点，将形状记忆合金丝作为机器人的驱动器。提升机器人的运动效率、环境适应能力，为机器人设计了具有防滑作用的棘轮结构，在记忆合金丝的驱动下，机器人的足部能实现较高效率的运动。机器人的前后躯干由具有刚性的压簧连接，在躯干部位的记忆合金丝的作用下，机器人的躯干能实现躯干弯曲、转向等行为。在机器人的躯干部位布置了具有电阻反馈的记忆合金丝，能作为机器人的运动姿态传感器为机器人的闭环控制提供运动信息。该款机器人自带传感器，能自主实现滚动前行、转弯等行为，适应能力强，运动效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种形状记忆合金驱动的爬行机器人
本专利技术涉及机器人技术，更具体地说，本专利技术是利用智能材料驱动柔性材料的机器人结构设计。属于特种柔性机器人领域。
技术介绍
经过多年发展，各式各样的机器人在很多领域被广泛利用，但目前机器人大多是由金属等构成的刚体机器人。传统的刚体机器人虽然具有很高的运动精度，但在以下方面仍然存在不足：在复杂地形缺乏稳定性、灵活性和环境适应性；抓取易碎物体；在狭窄空间内的作业能力受限；输出体积比不高；运动控制上也较复杂。随着仿生学的发展，越来越多的仿生技术被应用到生活中，若借鉴仿生学的一些结构与理论，将软体生物(如大象的鼻子、章鱼触手等)的柔顺性、运动特点移植到机器人身上，则可以使机器人弥补刚体机器人的缺点。目前，软体机器人还在不断探索阶段，但其应用前景广泛。例如：在各种地震海啸等灾难中进行复杂地形的探索及搜救；在医疗手术中任意改变形状以方便医生的手术；在反恐及战争中对狭窄复杂地形进行情报收集等等。但目前软体机器人的研究还处于发展阶段，关于软体机器人的结构设计与驱动控制还具有很广阔的研究空间。软体机器人目前存在运动效率低、可控性差、刚度低等特点，以上特点使软体机器人的应用被大大限制。因此提升软体机器人的可控性、运动效率及刚度是研究的重点。
技术实现思路
针对目前软体机器人所存在的问题，本专利技术提出一种基于形状记忆性合SMA驱动的爬行机器人，该机器人能在平地、斜坡等陆地上实现爬行、转向、避障等动作，运动效率高、适应能力强，具备一定的负载能力，改善了目前软体机器人所存在运行效率低、负载能力弱等缺点。本专利技术是一种基于由SMA驱动、自反馈和超弹性合金(SSMA)外部反馈结合和刚体关节配合的软体机器人系统。本专利技术包括以下三大部分：机器人的壳体设计、机器人的腿部结构设计、驱动模块设计。机器人的壳体由聚醚醚酮(PEEK)材料制作而成，壳体内部被设置了用于SMA丝(φ＝0.3mm)作业的通孔(φ＝1mm)、约束机器人的腿的螺纹孔(φ＝3mm)、约束簧基座的螺纹孔(φ＝18mm)。机器人的腿部上布置了偏置弹簧结构、棘轮结构，腿部在SMA丝的拉伸下能实现转动。机器人的驱动模块由SMA丝组成，SMA丝经过被壳体以及约束杆的约束，长度被得到最大优化，能满足机器人的驱动需求。本专利技术通过以下技术方案实现。该方法包括如下步骤：步骤1：参照爬行动物的运动特点，制作出爬行机器人的基本结构，鉴于PEEK材料具有刚性强，密度低的特点，因此将peek材料作为机器人的壳体与腿部的制作材料；步骤2：利用SMA丝的具有记忆效应、自反馈、功重比大的特点，将SMA丝作为机器人的驱动器，并将SMA丝的作业长度优化到最大，并在壳体上设计SMA丝的约束结构；步骤3：机器人的躯干具有两根SMA驱动丝，分别用于机器人的转向和弯曲运动，机器人的四个腿部分别具有独立的SMA驱动丝，能实现独立的驱动，为机器人的爬行运动提供动力，并利用SSMA丝作为机器人的弯曲传感器；步骤4：分别为机器人的躯干部位与腿部布置偏置弹簧，使机器人在经过SMA丝驱动后能恢复初始的姿态，保证运动持续；步骤5：为了提升机器人的运动效率，在机器人的腿部设计棘轮结构。该结构包含：硅胶轮子、卡针、微小轴承、PEEK制作的腿；步骤6：将机器人的部件进行组装。包含：壳体单元、驱动单元、腿部单元；与已有技术相比，本专利技术的有益效果在于：该机器人能具备一定的负载能力，改善了目前软体机器人负载能力差、运动效率低等特点。机器人采用腿轮式，并在腿部上设计了棘轮结构，能克服爬行机器人摩擦力不足的缺点，很好了提升了机器人的运动效率。SSMA丝能为机器人的闭环控制提供机器人的运动信息，提升了机器人的控制能力。附图说明图1为机器人的整体外观图；图2为机器人的正视图；图3为机器人壳体内部的驱动丝分布图；图4为机器人的外观图；图5为机器人的腿部棘轮结构及偏置拉簧结构；具体实施方式：下面通过结合附图对本专利技术作进一步说明。本专利技术的实施方式：参见图1，本专利技术所制作的爬行机器人在壳体结构上主要由PEEK壳体1、杆基座2、杆3、簧基座4、压簧5组成。PEEK壳体1通过压簧5进行连接，杆3被固定在杆基座2上，杆基座3通过塑料螺栓M3约束。参见图3，机器人的驱动结构由腿部SMA驱动丝6、躯干SMA驱动丝7组成，在SMA丝通电约2A后能收缩3％长度，为机器人的运动提供动力。机器人的传感部分由SMA传感丝8组成，可以利用自身的电阻变化去反映机器人的躯干弯曲状态。参见图5，机器人的腿部单元由拉簧9、微轴承10、基座11、腿12、卡针13、硅胶轮14组成。基座11与PEEK壳体1通过塑料螺栓M3约束。卡针13与硅胶轮14组成棘轮结构，增大了机器人的运动效率。下面为本专利技术方法的步骤做详细的说明。本专利技术方法的具体实施步骤如下：步骤1：参照爬行动物的运动特点，制作出爬行机器人的基本结构，鉴于PEEK材料具有刚性强，密度低的特点，因此将peek材料作为机器人的壳体1与腿12的制作材料；步骤2：利用SMA的具有记忆效应、自反馈、功重比大的特点，将SMA丝6与SMA丝7分别作为机器人的腿部与躯干的驱动器，并将SMA丝的作业长度优化到最大，并在壳体1上设计SMA丝6的约束杆，SMA丝7的约束棒10；步骤3：机器人的躯干具有两根SMA驱动丝，分别用于机器人的转向和弯曲运动，机器人的四个腿部分别具有独立的SMA驱动丝，能实现独立的驱动，为机器人的爬行运动提供动力，并将SSMA传感丝8作为机器人的弯曲传感器；；步骤4：分别为机器人的躯干部位布置压簧5，在腿部布置偏置压簧9，使机器人在经过SMA丝驱动后能恢复初始的姿态，保证运动持续；步骤5：为了提升机器人的运动效率，在机器人的腿部设计棘轮结构。该结构包含：硅胶轮17、卡针15、微小轴承12、PEEK制作的腿14，腿部SMA丝6与机器人腿14通过SMA丝孔16约束，腿部SMA丝6通电受热带动腿14向前转动，硅胶轮17在地面摩擦力的作用下滚动，待SMA丝6断电后，经过在拉簧11的作用下腿14向后转动，硅胶轮17在卡针15作用下相对机器人的腿14保持不转动，依靠硅胶轮17与地面的摩擦力驱动机器人向前行进；步骤6：将机器人的部件进行组装。包含：壳体单元、驱动单元、腿部单元，参见图3，组装壳体单元时，壳体1内部需要为约束滚筒9的PEEK棒10打通孔(φ＝3mm)，参见图5，在机器人腿14上需要打约束SMA丝6的孔16(φ＝1mm)，其中对拉簧11的约束也是通过通孔(φ＝1mm)，机器人的整体组装顺序是：先壳体单元，然后驱动单元，最后是腿部单元。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种记忆合金驱动的爬行机器人，其特征在于：本专利技术所制作的机器人由聚醚醚酮(peek)材料制作的壳体与腿、硅胶制作的轮子、形状记忆合金(SMA)丝作为驱动器组合而成；机器人可以实现爬行、避障等运动；该方法包括如下步骤：步骤1：参照爬行动物的运动特点，制作出爬行机器人的基本结构，鉴于PEEK材料具有刚性强，密度低的特点，因此将peek材料作为机器人的壳体与腿部的制作材料；步骤2：利用SMA丝的具有记忆效应、自反馈、功重比大的特点，将SMA丝作为机器人的驱动器，并将SMA丝的作业长度优化到最大，并在壳体上设计SMA丝的约束结构；步骤3：机器人的躯干具有两根SMA驱动丝，分别用于机器人的转向和弯曲运动，机器人的四个腿部分别具有独立的SMA驱动丝，能实现独立的驱动，为机器人的爬行运动提供动力，并利用SSMA丝作为机器人的弯曲传感器；步骤4：分别为机器人的躯干部位与腿部布置偏置弹簧，使机器人在经过SMA丝驱动后能恢复初始的姿态，保证运动持续；步骤5：为了提升机器人的运动效率，在机器人的腿部设计棘轮结构。该结构包含：硅胶轮子、卡针、微小轴承、PEEK制作的腿；步骤6：将机器人的部件进行组装。包含：壳体单元、驱动单元、腿部单元。...

【技术特征摘要】
1.一种记忆合金驱动的爬行机器人，其特征在于：本发明所制作的机器人由聚醚醚酮(peek)材料制作的壳体与腿、硅胶制作的轮子、形状记忆合金(SMA)丝作为驱动器组合而成；机器人可以实现爬行、避障等运动；该方法包括如下步骤：步骤1：参照爬行动物的运动特点，制作出爬行机器人的基本结构，鉴于PEEK材料具有刚性强，密度低的特点，因此将peek材料作为机器人的壳体与腿部的制作材料；步骤2：利用SMA丝的具有记忆效应、自反馈、功重比大的特点，将SMA丝作为机器人的驱动器，并将SMA丝的作业长度优化到最大，并在壳体上设计SM...

【专利技术属性】
技术研发人员：史震云，潘杰，田加文，黄皓，蒋永瑞，曾松，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11