一種形狀記憶合金驅動的象鼻型連續機器人的製作方法

2024-03-25 16:29:05 1

本發明涉及一種仿生機器人，更具體地說，本發明涉及一種形狀記憶合金驅動的象鼻型連續機器人。

背景技術：

近幾十年來，仿生學極大地推動了機器人技術的研究與發展。其中，連續機器人就是一類典型的範例。它們是受大象鼻子、章魚觸手以及蛇體這一類生物結構啟發而設計的，通常採用柔性的結構，無離散關節和剛性連杆，並通過彎曲本體成弧形或波浪形以形成運動。這一類機器人可以靈活地繞過障礙物，或穿過狹小的孔洞，非常適合非結構化環境應用，在航空檢測、醫療外科、城市救援、工業製造等領域有巨大的應用前景。

專利申請號cn200910072751.3，名稱為連續體型半自主式內窺鏡機器人，具有五段彎曲關節。每段彎曲關節由四根鋼絲驅動，具有兩個自由度。這種設計的不足是：鋼絲的控制需要笨重的遠程電機驅動結構，整體體積大；專利申請號cn201410163465.9，名稱為繩索驅動連續機器人，採用離散關節、連續關節混合的結構形式。其中離散關節使用電機驅動，連續關節採用繩索驅動。這種設計的不足是：離散關節的電機結構使機器人體積無法進一步減小、繩索的控制需要笨重的遠程電機驅動結構。

技術實現要素：

針對現有技術，本發明的目的在於提供了一種形狀記憶合金驅動的象鼻型連續機器人，以解決現有連續機器人體積大、需要笨重的遠程驅動結構問題，並具有良好的運動靈活性。

本發明通過以下技術方案實現。

一種形狀記憶合金驅動的象鼻型連續機器人，其特徵在於：該機器人採用模塊化設計思想，包括若干個相同的連續關節模塊、若干個相同的雙通螺柱。相鄰兩個連續關節模塊通過雙通螺柱串聯形式連接。每個連續關節模塊具有彎曲和偏轉兩個自由度，其結構包括兩個法蘭、一個拉伸彈簧、四根形狀記憶合金彈簧、五個第一類分隔欄、五個第二類分隔欄、一個傳感器模塊。其中，形狀記憶合金彈簧是連續關節模塊的驅動元件，通過電流加熱的方式控制；傳感器模塊為九軸慣性測量單元，包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸地磁傳感器，其傳感信息可以解算得到連續關節模塊的位置和姿態。

拉伸彈簧兩端為平面，其節距與線徑相等，位於連續關節模塊的中央，並通過上下兩個法蘭的圓環槽與這兩個法蘭固定。四根形狀記憶合金彈簧均勻布置在拉伸彈簧的四周，並通過螺栓與上下兩個法蘭固定。該螺栓與法蘭之間設有單頭焊片墊圈，用於連接通電導線。通過調節通過形狀記憶合金彈簧的電流和時間，可以控制形狀記憶合金彈簧的長度變化。五個第一類分隔欄沿著拉伸彈簧長度方向均勻分布在上下兩個法蘭之間。第一類分隔欄設有中心孔和均勻布置的小孔，其中小孔用於供形狀記憶合金彈簧穿過；中心孔用於供拉伸彈簧通過，且與拉伸彈簧外壁緊密貼合。第二類分隔欄中除中心孔比第一類分隔欄的中心孔大外，其他結構與第一類分隔欄相同。五個第二類分隔欄分別與五個第一類分隔欄貼合，在安裝好形狀記憶合金彈簧和拉伸彈簧後，兩者沿中心軸線相互錯位一定角度，並用螺栓螺母組合固定。兩類分隔欄的作用為：使連續關節模塊運動後形狀記憶合金彈簧形狀近似圓弧形，同時在保持形狀記憶合金彈簧中每一小段的變形近似相同。傳感器模塊使用螺栓固定在上法蘭上。為防止短路，上下法蘭、第一類分隔欄、第二類分隔欄的材料採用絕緣的非金屬材料。拉伸彈簧噴有絕緣漆。

通過上述連接，構成了形狀記憶合金驅動的象鼻型連續機器人。

本發明的優點為：一、採用形狀記憶合金驅動，驅動部件形狀記憶合金直接作為本體的一部分，只需外接通電導線即可控制，結構簡單，整體體積小，重量輕，適合狹小環境應用。二、形狀記憶合金彈簧行程大，連續關節單元可以獲得更大的彎曲角度，提高機器人的靈活性。三、形狀記憶合金是一種智能材料，除作為驅動元件外，還可以提供傳感信息，如力、形變，有利於機器人運動的精確控制。

附圖說明

圖1a為本發明的形狀記憶合金驅動的象鼻型連續機器人的結構圖。

圖1b為本發明的形狀記憶合金驅動的象鼻型連續機器人的分解圖。

圖2a為本發明的連續關節模塊的結構圖。

圖2b為本發明的連續關節模塊的分解圖。

圖中：1.連續關節模塊、2.雙通螺柱、3.連續關節模塊、101.傳感器模塊、102.法蘭(包括102a、102b)、103.螺栓(包括103a、103b)、104.單頭焊片墊圈(包括104a、104b)、105.形狀記憶合金彈簧(包括105a、105b、105c、105d)、106.拉伸彈簧、107.螺栓螺母組合(包括107a、107b、107c、107d、107e)、108.第一類分隔欄(包括108a、108b、108c、108d、108e)、109.第二類分隔欄(包括109a、109b、109c、109d、109e)。

具體實施方式：

下面通過結合附圖對本發明作進一步說明。

本發明的實施方式：

一種形狀記憶合金驅動的象鼻型連續機器人，依照模塊化設計思想設計，如圖1a和圖1b所示，該機器人包括：連續關節模塊1，雙通螺柱2，連續關節模塊3。兩個連續關節模塊的機構和尺寸相同，通過雙通螺柱2串聯連接。每個連續關節模塊具有彎曲和偏轉兩個自由度。圖1所示的形狀記憶合金驅動的象鼻型連續機器人總共具有4個自由度。若需要用到多個連續關節模塊(模塊數n大於2)，只需以相同方法串聯連接，最終組成的機器人自由度為2×n個。

如圖2a和圖2b所示，連續關節模塊1包括：傳感器模塊101、法蘭102(包括兩個法蘭102a、102b)、螺栓103(包括兩組相同的螺栓103a、103b)、單頭焊片墊圈104(包括兩組相同的單頭焊片墊圈104a、104b)、形狀記憶合金彈簧105(包括四根相同的形狀記憶合金彈簧105a、105b、105c、105d)、拉伸彈簧106、螺栓螺母組合107(包括五組相同的螺栓螺母107a、107b、107c、107d、107e)、第一類分隔欄108(包括五個相同的第一類分隔欄108a、108b、108c、108d、108e)、第二類分隔欄109(包括五個相同的第二類分隔欄109a、109b、109c、109d、109e)；

拉伸彈簧106兩端為平面，其節距與線徑相等，安裝在法蘭102a和法蘭102b的環形槽中，輔以膠粘劑固定。四根形狀記憶合金彈簧105a、105b、105c、105d沿圓周方向間隔90°分布在拉伸彈簧106四周。形狀記憶合金彈簧105a分別通過螺栓103a、螺栓103b固定在法蘭102a和法蘭102b上。螺栓103a與法蘭102a之間和螺栓103b與法蘭102b之間分別有單頭焊片墊圈104a和單頭焊片墊圈104b，用以焊接通電導線。形狀記憶合金彈簧105b、105c、105d的固定方式與形狀記憶合金彈簧105a相似。五個第一類分隔欄108a、108b、108c、108d、108e沿拉伸彈簧軸線106方向均勻分布在法蘭110和法蘭118之間。第一類分隔欄108設有中心孔和均勻分布的小孔，中心孔用以供拉伸彈簧106穿過，並與拉伸彈簧106外壁緊密貼合，小孔用以供形狀記憶合金彈簧105通過。第二類分隔欄109中除中心孔比第一類分隔欄108的中心孔大外，其他結構及尺寸與第一類分隔欄108相同。五個第二類分隔欄109a、109b、109c、109d、109e分別與五個第一類分隔欄108a、108b、108c、108d、108e貼合，在安裝好形狀記憶合金彈簧105和拉伸彈簧106後，兩者沿拉伸彈簧106中心軸線相互錯位一定角度，並用螺栓螺母組合107固定。第一類分隔欄108和第二類分隔欄109的作用為：連續關節模塊1運動後，使形狀記憶合金彈簧105形狀近似圓弧形，同時保持形狀記憶合金彈簧105中每一小段的變形近似相同。傳感器模塊101為九軸慣性測量單元，包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸地磁傳感器，用螺栓固定在上法蘭102a上。傳感器模塊101可以測量上法蘭102a的空間姿態信息。當法蘭102b固定或者其空間姿態信息已知的情況下，使用傳感器模塊101的信息可以解算得到連續關節模塊1的運動信息。

到為防止短路，法蘭102、第一類分隔欄108、第二類分隔欄109、雙通螺柱2的材料採用絕緣的非金屬材料，拉伸彈簧噴有絕緣漆。

具體的使用方法：

連續關節模塊1的彎曲自由度控制：任取一根形狀記憶合金彈簧，如105a，通過電流加熱的方式，形狀記憶合金彈簧105a會產生收縮變形和驅動力，帶動連續關節模塊1沿形狀記憶合金彈簧105a一側彎曲。調節通電電流大小和時間，可以調節該彎曲的角度；

連續關節模塊1的偏轉自由度控制：任取兩根相鄰的形狀記憶合金彈簧，如105a和105b。通過調節加載形狀記憶合金彈簧105a、105b的電流和時間，使它們產生不同的變形與驅動力，帶動連續關節模塊1以不同偏轉角度彎曲；

形狀記憶合金驅動的象鼻型連續機器人運動過程：首先，根據各個連續關節模塊中的傳感器模塊的信息解算出各個連續關節模塊的位姿。其次，根據當前機器人位姿與目標位姿，進行軌跡規劃以獲得各個連續關節模塊的運動軌跡。其次，根據規劃的運動軌跡，控制每個連續關節模塊中的形狀記憶合金彈簧的電流，結合傳感器模塊的信息實時修正運動軌跡。最終，機器人達到目標位姿。