[發明專利]一種形狀記憶合金驅動的爬行機器人

在審

• 申請號: 201711370984.2
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN108100068A
• 公開（公告）日: 2018-06-01
• 發明（設計）人: 史震云;潘杰;田加文;黃皓;蔣永瑞;曾松
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B62D57/02
• 分類號: B62D57/02
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 于鵬

本發明公開了一種基于形狀記憶合金驅動的爬行機器人。機器人足部的輪子由硅膠材料制作而成，利用形狀記憶合金集成性高、輸出功重比大的特點，將形狀記憶合金絲作為機器人的驅動器。提升機器人的運動效率、環境適應能力，為機器人設計了具有防滑作用的棘輪結構，在記憶合金絲的驅動下，機器人的足部能實現較高效率的運動。機器人的前后軀干由具有剛性的壓簧連接，在軀干部位的記憶合金絲的作用下，機器人的軀干能實現軀干彎曲、轉向等行為。在機器人的軀干部位布置了具有電阻反饋的記憶合金絲，能作為機器人的運動姿態傳感器為機器人的閉環控制提供運動信息。該款機器人自帶傳感器，能自主實現滾動前行、轉彎等行為，適應能力強，運動效率高。

技術領域

本發明涉及機器人技術，更具體地說，本發明是利用智能材料驅動柔性材料的機器人結構設計。屬于特種柔性機器人領域。

背景技術

經過多年發展，各式各樣的機器人在很多領域被廣泛利用，但目前機器人大多是由金屬等構成的剛體機器人。傳統的剛體機器人雖然具有很高的運動精度，但在以下方面仍然存在不足：在復雜地形缺乏穩定性、靈活性和環境適應性；抓取易碎物體；在狹窄空間內的作業能力受限；輸出體積比不高；運動控制上也較復雜。隨著仿生學的發展，越來越多的仿生技術被應用到生活中，若借鑒仿生學的一些結構與理論，將軟體生物(如大象的鼻子、章魚觸手等)的柔順性、運動特點移植到機器人身上，則可以使機器人彌補剛體機器人的缺點。目前，軟體機器人還在不斷探索階段，但其應用前景廣泛。例如：在各種地震海嘯等災難中進行復雜地形的探索及搜救；在醫療手術中任意改變形狀以方便醫生的手術；在反恐及戰爭中對狹窄復雜地形進行情報收集等等。

但目前軟體機器人的研究還處于發展階段，關于軟體機器人的結構設計與驅動控制還具有很廣闊的研究空間。軟體機器人目前存在運動效率低、可控性差、剛度低等特點，以上特點使軟體機器人的應用被大大限制。因此提升軟體機器人的可控性、運動效率及剛度是研究的重點。

發明內容

針對目前軟體機器人所存在的問題，本發明提出一種基于形狀記憶性合SMA驅動的爬行機器人，該機器人能在平地、斜坡等陸地上實現爬行、轉向、避障等動作，運動效率高、適應能力強，具備一定的負載能力，改善了目前軟體機器人所存在運行效率低、負載能力弱等缺點。

本發明是一種基于由SMA驅動、自反饋和超彈性合金(SSMA)外部反饋結合和剛體關節配合的軟體機器人系統。本發明包括以下三大部分：機器人的殼體設計、機器人的腿部結構設計、驅動模塊設計。機器人的殼體由聚醚醚酮(PEEK)材料制作而成，殼體內部被設置了用于SMA絲(φ＝0.3mm)作業的通孔(φ＝1mm)、約束機器人的腿的螺紋孔(φ＝3mm)、約束簧基座的螺紋孔(φ＝18mm)。機器人的腿部上布置了偏置彈簧結構、棘輪結構，腿部在SMA絲的拉伸下能實現轉動。機器人的驅動模塊由SMA絲組成，SMA絲經過被殼體以及約束桿的約束，長度被得到最大優化，能滿足機器人的驅動需求。

本發明通過以下技術方案實現。

該方法包括如下步驟：

步驟1：參照爬行動物的運動特點，制作出爬行機器人的基本結構，鑒于PEEK材料具有剛性強，密度低的特點，因此將peek材料作為機器人的殼體與腿部的制作材料；

步驟2：利用SMA絲的具有記憶效應、自反饋、功重比大的特點，將SMA絲作為機器人的驅動器，并將SMA絲的作業長度優化到最大，并在殼體上設計SMA絲的約束結構；

步驟3：機器人的軀干具有兩根SMA驅動絲，分別用于機器人的轉向和彎曲運動，機器人的四個腿部分別具有獨立的SMA驅動絲，能實現獨立的驅動，為機器人的爬行運動提供動力，并利用SSMA絲作為機器人的彎曲傳感器；

步驟4：分別為機器人的軀干部位與腿部布置偏置彈簧，使機器人在經過SMA絲驅動后能恢復初始的姿態，保證運動持續；