一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人制造技术

本发明专利技术提供了一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人，该机器人的柔性脊柱由三个节段组成，每一节段都设置有一个铰链式转动关节。所述柔性脊柱的驱动方式采用差动设计，由两组对称分布的形状记忆合金弹簧驱动，利用安培效应产生的焦耳热对某一侧的形状记忆合金弹簧进行加热使其自主收缩并提供一个偏置力，输出形变位移驱动柔性脊柱向加热一侧主动偏转。本发明专利技术采用三自由度设计，分别控制腿部的俯仰、进退和脚掌的扭转。仿壁虎机器人直行时通过柔性脊柱的周期性侧向摆动增大步幅，提高运动速度；避障时利用形状记忆合金弹簧加热自主收缩的物理特性调整机身姿态实现小半径的转向功能，具有良好的运动灵活性和环境适应性。境适应性。境适应性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人
[0001]

[0002]本专利技术涉及仿生机器人
，尤其是指一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人。

技术介绍

[0003]随着仿生爬壁机器人相关理论技术的深入和应用领域的拓宽，各类作业任务对爬壁机器人的运动灵活性要求越来越高，提升爬壁机器人的运动灵活性和动态稳定性是当今技术研究的重点。自然界中的许多爬行动物，例如壁虎、蝾螈等，可以在复杂环境和非水平面中活动自如。仿生学研究发现，壁虎的柔性脊柱从运动学和动力学两个方面均能提高运动性能。运动学方面，柔性脊柱可以视作腿部在脊柱上进行延伸，伴随脊柱的弯曲扩张，增大了壁虎的运动步长。动力学方面，壁虎通过柔性脊柱的弯曲和伸展进行能量储存和释放，增加了能量的利用率，提高了运动速度、稳定性和灵活性。
[0004]当前在仿生四足机器人的研究中，由于材料、驱动机构和机器人驱动器控制方法等方面的限制，所设计的机器人的运动性能远远落后于所仿生的对象，为了提高机器人的性能，研究人员大多关注仿生腿的机构设计和脚掌的黏附机理。目前已有的爬壁机器人机体多为刚性整体结构，忽略了机器人脊柱在动态移动中所起的作用，刚性机体结构由于不具有柔顺性，机体姿态动态调整比较困难，不能快速响应以适应环境变化或速度变化，导致机器人移动时动作僵硬，灵活性不高。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人，该机器人直行时通过柔性脊柱的周期性侧向摆动增大步幅，提高移动速度；避障时利用形状记忆合金弹簧加热自主收缩的物理特性调整机身姿态实现小半径的转向功能，具有良好的机动性和适应性。
[0006]本专利技术通过以下技术手段实现上述技术目的。
[0007]一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人，所述仿壁虎机器人包括前肢体支撑板，所述前肢体支撑板上设有主控制板，所述前肢体支撑板的一端设有柔性脊柱，所述柔性脊柱的一端设有后机体支撑板，所述后机体支撑板的一端设有尾巴，所述前机体支撑板的两侧和后机体支撑板的两侧均设有腿部机构。
[0008]优选的，所述主控制板通过螺柱螺母设于所述前机体支撑板上，所述主控制板上设有STM主控芯片，所述STM主控芯片内设有舵机驱动模块、电流驱动模块、手柄遥控模块、惯性测量模块和稳压模块，所述STM主控芯片、舵机驱动模块、手柄遥控模块和惯性测量模块均由7.4V的锂电池经过所述稳压模块后提供动力，所述电流驱动模块由V的移动电源提供输入电压。
[0009]优选的，所述柔性脊柱包括两个第一关节组，两个所述第一关节组均包括第一脊椎架，所述第一脊椎架的一端通过螺栓连接第一脊椎架组，所述第一脊椎架设于第一连接板上，所述第一脊椎架组设于第二连接板上；两个所述第一关节组之间设有第二关节组，所述第二关节组包括第二脊椎架组，所述第二脊椎架组设于所述第一连接板上，所述第二连接板上设有第二脊椎架，所述第一脊椎架组和所述第二脊椎架组均包括安装块，所述安装块的上下放均卡和连接第三脊椎架，两个所述第三脊椎架之间通过螺栓连接；所述第一连接板和所述第二连接板的两侧均通过记忆合金弹簧连接，靠近所述前肢体支撑板的一侧、所述第一连接板上设有第一安装部，靠近所述后机体支撑板的一侧、所述第二连接板上设有第二安装部，所述柔性脊柱的一端通过所述第一安装部连接于所述前机体支撑板上，其另一端通过所述第二安装部连接于所述后机体支撑板上。
[0010]优选的，所述腿部机构包括第一舵机连接架、第二舵机连接架和第三舵机连接架，所述第一舵机连接架的一端转动连接俯仰舵机，其另一端设有进退舵机，所述进退舵机转动连接于所述第二舵机连接架的一端，所述第二舵机连接架的另一端设有扭转舵机，所述扭转舵机的一端转动连接所述第三舵机连接架，所述第三舵机连接架的下方设有机器人脚掌；所述俯仰舵机的一侧设有L型连接架，所述L型连接架连接于所述前机体支撑板和后机体支撑板上。
[0011]优选的，所述尾巴的形状呈壁虎尾巴状。
[0012]本专利技术具有如下有益效果：本专利技术所述仿壁虎机器人的脊柱采用了基于形状记忆合金弹簧的多段式铰链结构设计，当机器人直行运动时，能通过脚掌的扭转带动柔性脊柱被动地进行周期性侧向摆动，从而增大机器人的运动步幅，提高移动速度；当机器人在运动过程中遇到障碍物时，能利用形状形状记忆合金弹簧加热自主收缩的物理特性实现柔性脊柱主动侧向偏转，使得仿壁虎机器人能够主动进行小半径的转向运动以快速避开障碍物，提高了机器人的运动灵活性和环境适应性。
[0013]此外，本专利技术所述仿壁虎机器人的腿部机构采用三自由度的设计，分别对应壁虎四肢的髋关节、膝关节和踝关节，能够在没有冗余驱动的情况下实现自由的三维单肢运动，增强机器人的运动性能。
[0014]本专利技术所提供的的仿壁虎机器人整体构型与生物壁虎高度相似，且易于设计和装配，控制系统简单，易于操作，爬行稳定性好，具有较强的综合运动能力。
附图说明
[0015]图1为本专利技术所述的一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人的整体结构示意图；图2为本专利技术所述的一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人的柔性脊柱结构示意图；图3为本专利技术所述的一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人的柔性脊柱结构爆炸图；图4为本专利技术所述的一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人的腿部
机构结构示意图；图5为本专利技术所述的一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人的腿部机构结构爆炸图；图6为本专利技术所述的一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人的前机体支撑板和后机体支撑板；图7为本专利技术所述的一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人的尾巴；图中：1
‑
前机体支撑板；2
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主控制板；3
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柔性脊柱；301
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第一脊椎架；302
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第二脊椎架；303
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第二安装部；304
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第三脊椎架；305
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记忆合金弹簧；306
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螺栓；307
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第一安装部；308
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螺母；309
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滚轴轴承；4
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腿部机构；401
‑
L型连接架；402
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俯仰舵机；403
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第一舵机连接架；404
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进退舵机；405
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第二舵机连接架；406
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扭转舵机；407
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第三舵机连接架；408
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机器人脚掌；5
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后机体支撑板；6
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尾巴。
具体实施方式
[0016]下面将结合附图以及具体实例对本专利技术的技术进行细致、清楚的描述.在本专利技术的描述中，需要理解的是，属于“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人，其特征在于，所述仿壁虎机器人包括前肢体支撑板（1），所述前肢体支撑板（1）上设有主控制板（2），所述前肢体支撑板（1）的一端设有柔性脊柱（3），所述柔性脊柱（3）的一端设有后机体支撑板（5），所述后机体支撑板（5）的一端设有尾巴（6），所述前机体支撑板（1）的两侧和后机体支撑板（5）的两侧均设有腿部机构（4）。2.如权利要求1所述的一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人，其特征在于，所述主控制板（2）通过螺柱螺母设于所述前机体支撑板（1）上，所述主控制板（2）包括STM32主控芯片，与STM32主控芯片输出端直接相连的有舵机驱动模块和电流驱动模块，以及与STM32主控芯片的输入端直接相连的手柄控制模块、惯性测量模块和稳压模块；所述舵机驱动模块输出端直接连接所述腿部机构（4）中的俯仰舵机（402）、进退舵机（404）和扭转舵机（406），用于根据STM32主控芯片的控制指令生成特定的PWM信号驱动各个舵机；所述电流驱动模块输出端直接连接柔性脊柱（3）两侧的多根形状记忆合金弹簧（305），用于放大STM32主控芯片输出的电流信号，从而加热形状记忆合金弹簧（305）；所述手柄控制模块用于接收外部控制手柄的控制信号，再发送到STM32主控芯片，对仿壁虎机器人的运动模式进行调节；所述惯性测量模块用于对仿壁虎机器人的运动姿态进行监测，并将监测数据发送到STM32主控芯片；所述STM32主控芯片、舵机驱动模块、手柄遥控模块和惯性测量模块均由7.4V的锂电池经过所述稳压模块后提供动力，所述电流驱动模块由24V的移动电源提供输入电压。3.如权利要求1所述的一种基于形状记忆合金驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人，其特征在于，所述柔性脊柱（3）包括两个第一关节组，两个所述第一关节组均包括第一脊椎架（301），所述第一脊椎架（301）的一端通过螺栓（306）连接第一脊椎架组，所述第一脊椎架（301）设于第一连接板上，所述第一脊椎架组设于第...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱镓辉，吉爱红，于阳光，刘亚红，韩青非，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：