[發明專利]形狀記憶合金驅動的仿生爬壁機器人腿單元及機器人

有效

• 申請號: 201810448505.2
• 申請日: 2018-05-11
• 公開（公告）號: CN108372517B
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 張文東;孫振國;陳強
• 申請（專利權）人: 清華大學;浙江清華長三角研究院
• 主分類號: B25J18/00
• 分類號: B25J18/00;B25J11/00;B25J15/06
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 李玉琦;張超艷

本發明公開了一種形狀記憶合金驅動的仿生爬壁機器人腿單元，包括仿生腿、足模塊、減震彈簧、雙向形狀記憶合金驅動器和單向形狀記憶合金驅動器，通過雙向形狀記憶合金驅動器和單向形狀記憶合金驅動器驅動仿生腿的前后和左右移動。本發明還公開了一種形狀記憶合金驅動的仿生爬壁機器人，包括上述仿生爬壁機器人腿單元。本發明使用形狀記憶合金驅動器，采用仿生結構，實現了機器人在介質表面的爬壁運動；驅動器結構簡單、質量輕、運動靈活；足模塊采用鐵磁性球體，仿生腿運動過程中沒有多余的抬腿與再吸附動作，腿部能夠提供穩定的支持力和吸附力，支撐點穩定，機器人重心變化小，步態規劃簡單。

技術領域

本發明涉及爬壁機器人技術領域，具體地，涉及一種形狀記憶合金驅動的仿生爬壁機器人腿單元及機器人。

背景技術

仿生多足式爬壁機器人由于具有極強的運動靈活性和越障能力，越來越受到人們的關注。不同于輪式和履帶式，多足式爬壁機器人模仿動物的運動方式，能夠實現多種運動姿態，適應各種不同的表面環境，應用范圍廣泛。但多足式爬壁機器人目前多采用電機或者液壓驅動，自身重量大，結構復雜；爬行過程中需要實現各足與爬行表面之間的脫離和再吸附，機器人支撐點會發生變化，機器人穩定性和安全性降低，步態設計復雜。

公開號為CN101746429A的中國專利提出了一種六足仿生濕吸爬壁機器人，使用柔性結構，采用模塊化設計理念，實現了機器人的壁面爬行功能。但該設計使用了8個電機，設計了單獨的拉繩結構和預壓結構來實現足墊與壁面剝離和吸附，結構復雜；運動過程中兩組仿生肢節交替支撐，機器人穩定性較差。

此外，公開號為CN1385284A的中國專利提出了一種形狀記憶合金驅動的微型雙三足機器人，采用組合偏動式形狀記憶合金驅動器進行驅動，實現了機器人的轉彎和直線運動。但該方案中所提出使用的形狀記憶合金驅動器包含多個滑輪，結構復雜；且機器人依然通過兩組腿的交替抬起、偏轉、落地來實現運動，非支撐腿的冗余動作多，步態設計復雜。

發明內容

鑒于以上問題，本發明的目的是提供一種形狀記憶合金驅動的仿生爬壁機器人腿單元及機器人，以解決現有多足式爬壁機器人驅動結構和步態設計復雜等問題。

本發明的一個方面提供一種形狀記憶合金驅動的仿生爬壁機器人腿單元，安裝在仿生爬壁機器人的軀干上，所述仿生爬壁機器人腿單元包括：

仿生腿，所述仿生腿包括第一肢節和第二肢節，所述第一肢節的第一端與所述軀干通過球鉸連接，所述第一肢節的第二端與所述第二肢節的第一端通過平面轉動副連接，所述第二肢節的第二端安裝有足模塊；

減震彈簧，所述減震彈簧安裝于所述第一肢節與所述軀干之間，且垂直于所述軀干所在的平面；

單向形狀記憶合金驅動器，安裝在所述第一肢節與所述第二肢節之間，用于驅動所述仿生腿左右移動；以及

雙向形狀記憶合金驅動器，安裝在所述第一肢節與所述軀干之間，用于驅動所述仿生腿前后移動。

優選地，所述足模塊包括彈性罩、形狀記憶合金環和磁性球，所述彈性罩與所述第二肢節的第二端固定連接，所述磁性球安裝于所述彈性罩中，所述形狀記憶合金環安裝于所述彈性罩的開口處，通過控制形狀記憶合金環實現對所述磁性球的鎖定與釋放，且所述仿生腿移動過程中所述磁性球與吸附表面保持接觸。

優選地，加熱所述形狀記憶合金環至其溫度超過相變點，所述形狀記憶合金環的直徑增大，所述彈性罩的開口增大，釋放所述磁性球，所述磁性球在所述彈性罩中轉動，使得所述足模塊相對于介質表面移動；所述形狀記憶合金環冷卻后，所述彈性罩的開口處收縮，鎖定所述磁性球吸附在介質表面，所述足模塊與所述介質表面保持靜止。