一种形状记忆合金驱动的象鼻型连续机器人的制作方法

本发明涉及一种仿生机器人，更具体地说，本发明涉及一种形状记忆合金驱动的象鼻型连续机器人。

背景技术：

近几十年来，仿生学极大地推动了机器人技术的研究与发展。其中，连续机器人就是一类典型的范例。它们是受大象鼻子、章鱼触手以及蛇体这一类生物结构启发而设计的，通常采用柔性的结构，无离散关节和刚性连杆，并通过弯曲本体成弧形或波浪形以形成运动。这一类机器人可以灵活地绕过障碍物，或穿过狭小的孔洞，非常适合非结构化环境应用，在航空检测、医疗外科、城市救援、工业制造等领域有巨大的应用前景。

专利申请号cn200910072751.3，名称为连续体型半自主式内窥镜机器人，具有五段弯曲关节。每段弯曲关节由四根钢丝驱动，具有两个自由度。这种设计的不足是：钢丝的控制需要笨重的远程电机驱动结构，整体体积大；专利申请号cn201410163465.9，名称为绳索驱动连续机器人，采用离散关节、连续关节混合的结构形式。其中离散关节使用电机驱动，连续关节采用绳索驱动。这种设计的不足是：离散关节的电机结构使机器人体积无法进一步减小、绳索的控制需要笨重的远程电机驱动结构。

技术实现要素：

针对现有技术，本发明的目的在于提供了一种形状记忆合金驱动的象鼻型连续机器人，以解决现有连续机器人体积大、需要笨重的远程驱动结构问题，并具有良好的运动灵活性。

本发明通过以下技术方案实现。

一种形状记忆合金驱动的象鼻型连续机器人，其特征在于：该机器人采用模块化设计思想，包括若干个相同的连续关节模块、若干个相同的双通螺柱。相邻两个连续关节模块通过双通螺柱串联形式连接。每个连续关节模块具有弯曲和偏转两个自由度，其结构包括两个法兰、一个拉伸弹簧、四根形状记忆合金弹簧、五个第一类分隔栏、五个第二类分隔栏、一个传感器模块。其中，形状记忆合金弹簧是连续关节模块的驱动元件，通过电流加热的方式控制；传感器模块为九轴惯性测量单元，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感器，其传感信息可以解算得到连续关节模块的位置和姿态。

拉伸弹簧两端为平面，其节距与线径相等，位于连续关节模块的中央，并通过上下两个法兰的圆环槽与这两个法兰固定。四根形状记忆合金弹簧均匀布置在拉伸弹簧的四周，并通过螺栓与上下两个法兰固定。该螺栓与法兰之间设有单头焊片垫圈，用于连接通电导线。通过调节通过形状记忆合金弹簧的电流和时间，可以控制形状记忆合金弹簧的长度变化。五个第一类分隔栏沿着拉伸弹簧长度方向均匀分布在上下两个法兰之间。第一类分隔栏设有中心孔和均匀布置的小孔，其中小孔用于供形状记忆合金弹簧穿过；中心孔用于供拉伸弹簧通过，且与拉伸弹簧外壁紧密贴合。第二类分隔栏中除中心孔比第一类分隔栏的中心孔大外，其他结构与第一类分隔栏相同。五个第二类分隔栏分别与五个第一类分隔栏贴合，在安装好形状记忆合金弹簧和拉伸弹簧后，两者沿中心轴线相互错位一定角度，并用螺栓螺母组合固定。两类分隔栏的作用为：使连续关节模块运动后形状记忆合金弹簧形状近似圆弧形，同时在保持形状记忆合金弹簧中每一小段的变形近似相同。传感器模块使用螺栓固定在上法兰上。为防止短路，上下法兰、第一类分隔栏、第二类分隔栏的材料采用绝缘的非金属材料。拉伸弹簧喷有绝缘漆。

通过上述连接，构成了形状记忆合金驱动的象鼻型连续机器人。

本发明的优点为：一、采用形状记忆合金驱动，驱动部件形状记忆合金直接作为本体的一部分，只需外接通电导线即可控制，结构简单，整体体积小，重量轻，适合狭小环境应用。二、形状记忆合金弹簧行程大，连续关节单元可以获得更大的弯曲角度，提高机器人的灵活性。三、形状记忆合金是一种智能材料，除作为驱动元件外，还可以提供传感信息，如力、形变，有利于机器人运动的精确控制。

附图说明

图1a为本发明的形状记忆合金驱动的象鼻型连续机器人的结构图。

图1b为本发明的形状记忆合金驱动的象鼻型连续机器人的分解图。

图2a为本发明的连续关节模块的结构图。

图2b为本发明的连续关节模块的分解图。

图中：1.连续关节模块、2.双通螺柱、3.连续关节模块、101.传感器模块、102.法兰(包括102a、102b)、103.螺栓(包括103a、103b)、104.单头焊片垫圈(包括104a、104b)、105.形状记忆合金弹簧(包括105a、105b、105c、105d)、106.拉伸弹簧、107.螺栓螺母组合(包括107a、107b、107c、107d、107e)、108.第一类分隔栏(包括108a、108b、108c、108d、108e)、109.第二类分隔栏(包括109a、109b、109c、109d、109e)。

具体实施方式：

下面通过结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的实施方式：

一种形状记忆合金驱动的象鼻型连续机器人，依照模块化设计思想设计，如图1a和图1b所示，该机器人包括：连续关节模块1，双通螺柱2，连续关节模块3。两个连续关节模块的机构和尺寸相同，通过双通螺柱2串联连接。每个连续关节模块具有弯曲和偏转两个自由度。图1所示的形状记忆合金驱动的象鼻型连续机器人总共具有4个自由度。若需要用到多个连续关节模块(模块数n大于2)，只需以相同方法串联连接，最终组成的机器人自由度为2×n个。

如图2a和图2b所示，连续关节模块1包括：传感器模块101、法兰102(包括两个法兰102a、102b)、螺栓103(包括两组相同的螺栓103a、103b)、单头焊片垫圈104(包括两组相同的单头焊片垫圈104a、104b)、形状记忆合金弹簧105(包括四根相同的形状记忆合金弹簧105a、105b、105c、105d)、拉伸弹簧106、螺栓螺母组合107(包括五组相同的螺栓螺母107a、107b、107c、107d、107e)、第一类分隔栏108(包括五个相同的第一类分隔栏108a、108b、108c、108d、108e)、第二类分隔栏109(包括五个相同的第二类分隔栏109a、109b、109c、109d、109e)；

拉伸弹簧106两端为平面，其节距与线径相等，安装在法兰102a和法兰102b的环形槽中，辅以胶粘剂固定。四根形状记忆合金弹簧105a、105b、105c、105d沿圆周方向间隔90°分布在拉伸弹簧106四周。形状记忆合金弹簧105a分别通过螺栓103a、螺栓103b固定在法兰102a和法兰102b上。螺栓103a与法兰102a之间和螺栓103b与法兰102b之间分别有单头焊片垫圈104a和单头焊片垫圈104b，用以焊接通电导线。形状记忆合金弹簧105b、105c、105d的固定方式与形状记忆合金弹簧105a相似。五个第一类分隔栏108a、108b、108c、108d、108e沿拉伸弹簧轴线106方向均匀分布在法兰110和法兰118之间。第一类分隔栏108设有中心孔和均匀分布的小孔，中心孔用以供拉伸弹簧106穿过，并与拉伸弹簧106外壁紧密贴合，小孔用以供形状记忆合金弹簧105通过。第二类分隔栏109中除中心孔比第一类分隔栏108的中心孔大外，其他结构及尺寸与第一类分隔栏108相同。五个第二类分隔栏109a、109b、109c、109d、109e分别与五个第一类分隔栏108a、108b、108c、108d、108e贴合，在安装好形状记忆合金弹簧105和拉伸弹簧106后，两者沿拉伸弹簧106中心轴线相互错位一定角度，并用螺栓螺母组合107固定。第一类分隔栏108和第二类分隔栏109的作用为：连续关节模块1运动后，使形状记忆合金弹簧105形状近似圆弧形，同时保持形状记忆合金弹簧105中每一小段的变形近似相同。传感器模块101为九轴惯性测量单元，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感器，用螺栓固定在上法兰102a上。传感器模块101可以测量上法兰102a的空间姿态信息。当法兰102b固定或者其空间姿态信息已知的情况下，使用传感器模块101的信息可以解算得到连续关节模块1的运动信息。

到为防止短路，法兰102、第一类分隔栏108、第二类分隔栏109、双通螺柱2的材料采用绝缘的非金属材料，拉伸弹簧喷有绝缘漆。

具体的使用方法：

连续关节模块1的弯曲自由度控制：任取一根形状记忆合金弹簧，如105a，通过电流加热的方式，形状记忆合金弹簧105a会产生收缩变形和驱动力，带动连续关节模块1沿形状记忆合金弹簧105a一侧弯曲。调节通电电流大小和时间，可以调节该弯曲的角度；

连续关节模块1的偏转自由度控制：任取两根相邻的形状记忆合金弹簧，如105a和105b。通过调节加载形状记忆合金弹簧105a、105b的电流和时间，使它们产生不同的变形与驱动力，带动连续关节模块1以不同偏转角度弯曲；

形状记忆合金驱动的象鼻型连续机器人运动过程：首先，根据各个连续关节模块中的传感器模块的信息解算出各个连续关节模块的位姿。其次，根据当前机器人位姿与目标位姿，进行轨迹规划以获得各个连续关节模块的运动轨迹。其次，根据规划的运动轨迹，控制每个连续关节模块中的形状记忆合金弹簧的电流，结合传感器模块的信息实时修正运动轨迹。最终，机器人达到目标位姿。