一种形状记忆合金驱动的爬行机器人.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108100068A(43)申请公布日2018.06.01(21)申请号201711370984.2(22)申请日2017.12.19(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人史震云潘杰田加文黄皓蒋永瑞曾松(74)专利代理机构北京汇捷知识产权代理事务所(普通合伙)11531代理人于鹏(51)Int.Cl.B62D57/02(2006.01)权利要求书1页说明书3页附图2页(54)发明名称一种形状记忆合金驱动的爬行机器人(57)摘要本发明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。CN108100068ACN108100068A权利要求书1/1页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。2CN108100068A说明书1/3页一种形状记忆合金驱动的爬行机器人技术领域[0001]本发明涉及机器人技术，更具体地说，本发明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。背景技术[0002]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。[0003]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。发明内容[0004]针对目前软体机器人所存在的问题，本发明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。[0005]本发明是一种基于由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。本发明包括以下三大部分：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＝3