一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人及控制方法技术

本发明专利技术提出一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人及控制方法，包括连接杆和连接杆连接的两个可变半径轮，可变半径轮包括支撑框架、扇形轮、普通弹簧、形状记忆合金弹弹簧。本发明专利技术中扇形轮可沿支撑框架径向进行移动，实现滚动过程中轮径大小可以调节的功能；而且依次单独控制两侧对称位置的扇形轮沿薄壁曲面进行往复运动，能够实现向前滚动的运动；利用圆锥物体滚动轨迹为圆周的特性，在滚动过程中控制单侧所有扇形轮同时沿曲面薄壁回缩，而另一侧的扇形轮依照特定序列进行回缩，可实现滚动机器人向扇形轮收缩一侧转弯的运动；本发明专利技术实现了滚动机器人驱动系统的微型化，大大降低了滚动机器人系统的结构复杂性。大大降低了滚动机器人系统的结构复杂性。大大降低了滚动机器人系统的结构复杂性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人及控制方法


[0001]本专利技术属于机器人领域，具体涉及一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人及控制方法。

技术介绍

[0002]相比于其他运动方式的机器人，滚动机器人具有运动速度快、结构简单、可靠性强的特点，能够广泛应用在各种任务环境中。目前滚动机器人多由电机驱动，依靠两轮差动实现转弯。这种滚动机器人的转弯结构体积大、结构复杂。中国专利技术专利CN110171498A提出一种通过推杆向侧面偏移实现转弯的方法，简单可靠，但该方法存在转向结构占用侧向空间大的缺点，一定程度上限制了其应用范围。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术存在的问题，本专利技术提出一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人及控制方法。
[0004]其中所述可转弯滚动机器人包括连接杆和连接杆连接的两个可变半径轮，可变半径轮包括支撑框架、扇形轮、普通弹簧、形状记忆合金弹弹簧；
[0005]所述支撑框架的中心为方框
‑
圆盘结构，方框位于圆盘中心，方框四个侧面上对应的结构相同；对于某一侧面而言，该侧面中心有一圆柱，圆柱外侧为对称分布的曲面薄壁，圆柱与曲面薄壁存在间隙，且曲面薄壁长度远长于圆柱；圆柱与普通弹簧形成同心嵌套配合，方框侧面与普通弹簧末端接触；曲面薄壁外端与所述扇形轮形成移动副，同时防止扇形轮相对于曲面薄壁发生相对转动；方框边缘设有用于限制形状记忆合金弹簧端部发生轴向位移的结构，且能够防止形状记忆合金弹簧末端脱离方框；
[0006]所述扇形轮设有耳板，与扇形轮盘保持垂直，耳板周围设置有用于限制形状记忆合金弹簧另一端部发生轴向位移的结构，且防止形状记忆合金弹簧末端脱离耳板；耳板设有弧形通孔，与曲面薄壁形成移动副，实现扇形轮沿支撑框架径向进行移动；耳板表面与普通弹簧末端接触；
[0007]所述普通弹簧在机器人滚动前呈自然状态；
[0008]所述形状记忆合金弹簧具有单程形状记忆效应，在机器人滚动前呈自然状态；
[0009]所述连接杆与两侧支撑框架方框中心固定连接。
[0010]进一步的，所述连接杆为圆柱形杆件，用于与支撑框架方框中心的通孔形成过盈配合，实现两侧支撑框架的固定连接。
[0011]进一步的，方框边缘设置的用于限制形状记忆合金弹簧端部发生轴向位移的结构，以及耳板周围设置的用于限制形状记忆合金弹簧另一端部发生轴向位移的结构为两个相对布置的倒钩。
[0012]进一步的，方框边缘设置的两个相对布置的倒钩对称分布在圆柱两侧，并与曲面薄壁呈十字交叉分布；耳板周围设置的两个相对布置的倒钩与弧形通孔呈十字交叉分布在
耳板上。
[0013]进一步的，所述普通弹簧具有双平末端，与方框各个侧面上的圆柱同心配合，内侧末端接触方框侧面，外侧末端与扇形轮上的耳板内侧面接触。
[0014]进一步的，所述形状记忆合金弹簧具有双平末端，与方框各个侧面上的曲面薄壁同心配合，内侧末端被方框边缘的倒钩固定，外侧末端被扇形轮耳板边缘的倒钩固定，具有单程形状记忆效应，在滚动前呈自然状态。
[0015]进一步的，所述支撑框架中的圆盘为电池和控制电路板提供安装位置。
[0016]一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人的控制方法，在直线滚动模式中，通过连接杆连接的两个可变半径轮上的所有结构运动顺序和状态均一致，控制过程包括以下步骤，以顺时针滚动进行说明：
[0017]第一步：开始直线滚动时，位于左侧两个扇形轮处的形状记忆弹簧首先通电收缩，扇形轮沿曲面薄壁向内侧移动，此时整体结构左右不对称出现顺时针滚动力矩，驱动机器人向右侧滚动。
[0018]第二步：当滚动机器人向右滚动至每个可变半径轮上均有2个扇形轮接触地面时，整体结构依靠4个扇形轮与地面接触点之间支撑，整体结构相对稳定；
[0019]第三步：位于右侧并与地面接触的扇形轮上的形状记忆合金弹簧通电收缩，整体结构失去稳定支撑，产生顺时针滚动力矩驱动机器人滚动前进；与此同时上一步通电收缩的形状记忆合金弹簧断电，在普通弹簧的弹力作用下断电的形状记忆合金弹簧恢复原长；
[0020]第四步：当滚动机器人处于第三步通电的形状记忆合金弹簧对应的扇形轮与地面正向接触状态时，使第三步通电的形状记忆合金弹簧断电，在普通弹簧的辅助下滚动机器人完成一个直线滚动周期。
[0021]一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人的控制方法，当需要向一侧转弯时，该侧可变半径轮上的4个形状记忆合金弹簧全部通电收缩，驱使扇形轮向内侧移动，另一侧可变半径轮保持初始状态不变；两侧可变半径轮直径不同，当另一侧可变半径轮按照直线滚动模式运动，可转向滚动机器人由于内外两侧轮径不同产生圆周运动，实现滚动转弯功能。
[0022]有益效果
[0023]本专利技术提出的滚动机器人装置，从其机械结构和驱动原理可知具有如下有益效果：
[0024](1)扇形轮可沿支撑框架径向进行移动，实现滚动过程中轮径大小可以调节的功能；
[0025](2)依次单独控制两侧对称位置的扇形轮沿薄壁曲面进行往复运动，能够实现向前滚动的运动。利用圆锥物体滚动轨迹为圆周的特性，在滚动过程中控制单侧所有扇形轮同时沿曲面薄壁回缩，而另一侧的扇形轮依照特定序列进行回缩，可实现滚动机器人向扇形轮收缩一侧转弯的运动；
[0026](3)相比于专利技术专利CN110171498A，本专利技术使用单程形状记忆合金弹簧进行驱动，同时使用普通弹簧辅助形状记忆合金弹簧恢复原长，实现了滚动机器人驱动系统的微型化，大大降低了滚动机器人系统的结构复杂性。
[0027]本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变
得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0028]本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0029]图1为本专利技术基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人结构示意图。
[0030]图2为本专利技术支撑框架结构示意图。
[0031]图3为本专利技术支撑框架结构侧视图。
[0032]图4为本专利技术扇形轮结构示意图。
[0033]图5为本专利技术扇形轮结构正视图。
[0034]图6为可转向滚动机器人直线滚动运动控制示意图。
[0035]图7为可转向滚动机器人滚动转弯运动控制示意图。
[0036]图中：
[0037]1.支撑框架；2.扇形轮；3.形状记忆合金弹簧；4.普通弹簧；5.连接杆。
具体实施方式
[0038]下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0039]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，其特征在于：包括连接杆和连接杆连接的两个可变半径轮，可变半径轮包括支撑框架、扇形轮、普通弹簧、形状记忆合金弹弹簧；所述支撑框架的中心为方框
‑
圆盘结构，方框位于圆盘中心，方框四个侧面上对应的结构相同；对于某一侧面而言，该侧面中心有一圆柱，圆柱外侧为对称分布的曲面薄壁，圆柱与曲面薄壁存在间隙，且曲面薄壁长度远长于圆柱；圆柱与普通弹簧形成同心嵌套配合，方框侧面与普通弹簧末端接触；曲面薄壁外端与所述扇形轮形成移动副，同时防止扇形轮相对于曲面薄壁发生相对转动；方框边缘设有用于限制形状记忆合金弹簧端部发生轴向位移的结构，且能够防止形状记忆合金弹簧末端脱离方框；所述扇形轮设有耳板，与扇形轮盘保持垂直，耳板周围设置有用于限制形状记忆合金弹簧另一端部发生轴向位移的结构，且防止形状记忆合金弹簧末端脱离耳板；耳板设有弧形通孔，与曲面薄壁形成移动副，实现扇形轮沿支撑框架径向进行移动；耳板表面与普通弹簧末端接触；所述普通弹簧在机器人滚动前呈自然状态；所述形状记忆合金弹簧具有单程形状记忆效应，在机器人滚动前呈自然状态；所述连接杆与两侧支撑框架方框中心固定连接。2.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，其特征在于：所述连接杆为圆柱形杆件，用于与支撑框架方框中心的通孔形成过盈配合，实现两侧支撑框架的固定连接。3.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，其特征在于：方框边缘设置的用于限制形状记忆合金弹簧端部发生轴向位移的结构，以及耳板周围设置的用于限制形状记忆合金弹簧另一端部发生轴向位移的结构为两个相对布置的倒钩。4.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，其特征在于：方框边缘设置的两个相对布置的倒钩对称分布在圆柱两侧，并与曲面薄壁呈十字交叉分布；耳板周围设置的两个相对布置的倒钩与弧形通孔呈十字交叉分布在耳板上。5.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金驱动的可转弯滚动机器人，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗建军，王新亮，惠旭晟，孙浩，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：