[發明專利]形狀記憶合金驅動的蠕動機器人

在審

• 申請號: 201810934472.2
• 申請日: 2018-08-16
• 公開（公告）號: CN109015617A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 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: B25J9/10
• 分類號: B25J9/10
• 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蠕動機器人，屬于機器人技術領域。本發明根據自然界生物毛毛蟲的運動特點，利用仿生學、機械制造學及材料學制作出了軀體形狀為毛毛蟲的蠕動機器人。該機器人的軀體采用硅膠材料制作而成，利用形狀記憶合金集成性高、輸出功重比大的特點，將形狀記憶合金彈簧作為機器人的驅動器。結合毛毛蟲的運動機理，在機器人的軀體兩端設計了摩擦效率不同的結構，使機器人能實現蠕動前進。該蠕動機器人軀體彎曲角度范圍較大，運動效率高，具有較好的環境適應能力。

技術領域

本發明涉及機器人技術，是利用智能材料驅動柔性材料的機器人結構設計。

背景技術

如今機器人技術發展迅速，機器人已經被應用于各個領域，但目前常見的機器人大多是由硬質材料構成的剛體機器人。剛體機器人雖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；控制上也較復雜。自然界的生物結構為機器人的設計帶來了靈感，結合仿生學的一些結構與理論，將軟體生物的柔順性、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。目前軟體機器人技術在工業領域及醫療領域已經取得突破進展，比如用于抓取易碎物品的氣驅動抓手和用于醫療康復的助力手套等。

但是軟體機器人也面臨很多不足，比如驅動形式比較少、負載較差、控制精度差等，這些問題需要研究者從軟體機器人的材料、結構設計及運動控制等方面進行不斷的深入研究。目前比較流行的線型驅動及氣體驅動型軟體機器人需要提及龐大的能源裝置及外部傳感器并產生噪音，機器人很難應用于狹小空間和實施秘密偵查。

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SMA驅動的蠕動機器人。SMA 材料具有形狀記憶功能，體積小，功重比大，在驅動中不產生噪音及氣味，非常適合應用于微小型機器人的制作。該機器人的軀體是由柔軟材料硅膠制作而成，軀體兩端的結構并不相同使機器人的兩端的摩擦力并不相同。機器人利用軀體在彎曲過程中，軀干兩端的摩擦力并不相同而實現蠕動前進。機器人在運動中不產生噪音且運動靈活，較適應用于空間狹小的場所。

本發明包括一下兩個部分：機器人的軀體設計和驅動模塊設計。機器人的軀體是根據自然界中蠕動運動的毛毛蟲的結構設計和制作。在軀體的上下兩側設計直角結構能讓軀體按照一定的弧度進行彎曲，提升機器人的可控性。由于聚醚醚酮PEEK板具有質量小且耐高溫的特點，因此將形狀記憶合金(SMA)彈簧由PEEK制作的約束板固定。軀體下側的彈簧被約束在軀體的槽中，下側的SMA彈簧通電導線由軀體上側引入。軀體兩側的彈簧可以使機器人的軀體實現彎曲，其中上側的SMA彈簧是為了加快機器人的軀體恢復初始姿態。

本發明通過以下技術方案實現。

該方法包括如下步驟：

步驟1：參照自然界中具有蠕動運動方式的生物，為了使機器人的軀體能按照一定弧線彎曲，將軀體的表面設計成齒形結構，使用柔性材料硅膠作為軀體的制作材料；

步驟2：結合PEEK具有耐高溫、剛度大的特點，將此材料加工成約束SMA彈簧的板子。

步驟3：將硅膠倒入設計好的模具中，并在模具中放置步驟2中的約束板；

步驟4：用測力計測量出機器人的軀體上下兩側彎曲所需要的力，根據力的大小選擇出合適的SMA彈簧作為軀體的驅動器；

步驟5：將機器人的部件進行組裝，包含：軀體單元和驅動單元。其中SMA彈簧在軀體中被PEEK板所約束；

步驟6：根據SMA彈簧在通電受熱中其內部電阻值會不斷變化，不同電阻值將對應硅膠軀體不同的彎曲角度，因此將SMA彈簧在通電中電阻值的變化作為機器人的運動控制信息；