[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于形狀記憶合金的爬行軟體機(jī)器及其驅(qū)動(dòng)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811631208.8
• 申請(qǐng)日: 2018-12-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109733497B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-05-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李征杰;劉子順
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B62D57/032
• 分類(lèi)號(hào): B62D57/032
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會(huì)俠

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于形狀記憶合金材料的爬行軟體機(jī)器及其驅(qū)動(dòng)方法，該機(jī)器由連接體和固結(jié)在連接體上的四個(gè)驅(qū)動(dòng)器組成；驅(qū)動(dòng)器由形狀記憶合金絲、繞制在形狀記憶合金絲上的金屬線(xiàn)以及含有液態(tài)金屬的彈性體組成；其驅(qū)動(dòng)方法是利用高頻交變磁場(chǎng)加熱金屬線(xiàn)，所產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到形狀記憶合金絲上，使其達(dá)到奧氏體相變轉(zhuǎn)變終止溫度并且發(fā)生較大彎曲變形，發(fā)生彎曲變形的形狀記憶合金絲帶動(dòng)彈性體變形，并將應(yīng)變能儲(chǔ)存在彈性體中；撤去高頻交變磁場(chǎng)，形狀記憶合金絲冷卻，含有液態(tài)金屬的彈性體釋放應(yīng)變能，彈性體和形狀記憶合金絲恢復(fù)到初始構(gòu)型；在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，按照一定順序分別激勵(lì)四個(gè)驅(qū)動(dòng)器，可以使爬行軟體機(jī)器定向運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種軟體機(jī)器，具體涉及一種基于形狀記憶合金絲的爬行軟體機(jī)器及其驅(qū)動(dòng)方法。

研究背景

小型爬行軟體機(jī)器是一種可以沿著管道內(nèi)部或者在狹小地形自動(dòng)行走的一種操作機(jī)器，這種機(jī)器可以代替人類(lèi)對(duì)狹小地形進(jìn)行檢測(cè)，能在各種復(fù)雜管道環(huán)境中，進(jìn)行診斷和檢測(cè)，因而廣泛的而應(yīng)用于管道損傷檢測(cè)，地質(zhì)考察，地震后生命勘探等方面。目前傳統(tǒng)的小型爬行機(jī)器主要由剛體和關(guān)節(jié)組成。他們可以快速的完成爬行動(dòng)作，然而，他們也有著一些劣勢(shì)。首先，傳統(tǒng)爬行機(jī)器大多數(shù)自由度有限，同時(shí)只能在簡(jiǎn)單的環(huán)境中運(yùn)行。其次，傳統(tǒng)的爬行機(jī)構(gòu)剛度較高，在人使用其的過(guò)程中，傳統(tǒng)的爬行機(jī)器可能會(huì)對(duì)人體造成傷害。再次，傳統(tǒng)的小型爬行機(jī)構(gòu)往往重量較大，不利于攜帶。除此之外，目前已有的利用形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)的爬行軟體機(jī)器，大多數(shù)是利用接線(xiàn)通電加熱形狀記憶合金絲，如申請(qǐng)?zhí)枮?01711153544.1江蘇大學(xué)的小型軟爬行人專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)枮?01610705682.5的中國(guó)專(zhuān)利，這種通電加熱方法有以下缺點(diǎn)，其一是通電線(xiàn)路復(fù)雜，其二，電源耗盡后，更換電源較為麻煩。次之，申請(qǐng)?zhí)枮?01610705682.5的專(zhuān)利中，直接讓形狀記憶合金絲與空氣換熱，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，所以形狀記憶合金絲無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速散熱，因而使得該爬行機(jī)構(gòu)效率較低。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于形狀記憶合金絲的爬行軟體機(jī)器及其驅(qū)動(dòng)方法，該機(jī)器不會(huì)像剛性機(jī)構(gòu)一樣只適用于簡(jiǎn)單的環(huán)境，該機(jī)構(gòu)具有更多的自由度，能在更狹小的環(huán)境中工作。其二，該機(jī)器由含有液態(tài)金屬的彈性體組成，彈性體較低的模量使得人能更安全的操作使用該機(jī)器。其三，該機(jī)器的形狀記憶合金絲是由高頻磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的，因而無(wú)需設(shè)計(jì)電路，相較于電流驅(qū)動(dòng)的爬行軟體機(jī)器，有著設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)。其四，該機(jī)器采用了含有液態(tài)金屬的彈性體作為基體，相較于專(zhuān)利號(hào)為201610705682.5軟機(jī)器人有著更好的散熱機(jī)制。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于形狀記憶合金的爬行軟體機(jī)器，其特征在于：由連接體1和固結(jié)在連接體1上的四個(gè)驅(qū)動(dòng)器2組成；所述連接體1由彈性體組成，其四個(gè)方向上連接著四個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器2，分別形成爬行軟體機(jī)器的左腿、右腿、前腿和后腿；所述驅(qū)動(dòng)器2由形狀記憶合金絲4、繞制在形狀記憶合金絲4上的金屬線(xiàn)5以及包覆形狀記憶合金絲4和金屬線(xiàn)5的含有液態(tài)金屬的彈性體3組成；

或者當(dāng)所用的形狀記憶合金絲為鎳鈦合金形狀記憶合金絲,且形狀記憶合金絲4的直徑超過(guò)1mm時(shí)，該大直徑的形狀記憶合金絲4上不需要繞制金屬線(xiàn)5，則驅(qū)動(dòng)器2只由大直徑的形狀記憶合金絲4以及含有液態(tài)金屬的彈性體3組成；

所述連接體1的外觀(guān)呈現(xiàn)井字形。

所述連接體1用醫(yī)用硅膠或者Eco-flex澆筑在3D打印出的模具中制成。

所述驅(qū)動(dòng)器2，其制作過(guò)程如下，首先利用3D打印技術(shù)制作出的模具，再用醫(yī)用硅膠交聯(lián)劑與單體以及鎵銦錫液態(tài)金屬按照質(zhì)量比為4:4:1制作出含有液態(tài)金屬的混合液，先澆筑混合液至模具的一半，等其固化完成后，放入外繞制金屬線(xiàn)5的形狀記憶合金絲4或直接放入大直徑的鎳鈦合金形狀記憶合金絲，再澆筑混合液填滿(mǎn)模具，當(dāng)混合液固化為含有液態(tài)金屬的彈性體3之后，驅(qū)動(dòng)器2制作完成。

所述金屬線(xiàn)5為銅絲或銀絲。