一种形状记忆合金驱动的多腔软体爬行机器人及爬行方法

1.本发明涉及软体机器人领域，尤其涉及到一种基于形状记忆合金驱动的多腔软体爬行机器人。


背景技术：

2.随着科技的发展，机器人已经广泛运用于医疗、救援、工业、农业等多种领域。但现有机器人大部分是传统刚性机器人，运动速度快、精度高、易于控制。但因其结构复杂、灵活性差、环境适应性不佳等缺点不能满足人们对当前复杂工作环境的要求，促使越来越多的研究人员开发软体机器人。
3.自然界许多生物具有柔软的身体，行动灵活，具有强大的环境适应性。相应的，使用软材料制成的爬行机器人，可在一定范围内改变自身的形状和尺寸，拥有连续变形能力，能更好的适应自然界中的复杂地形。
4.目前基于sma驱动的爬行机器人一般采用单一驱动方式，申请号为201810549054.1的专利公开了基于sma弹簧驱动的仿毛虫机器人，单一使用sma弹簧驱动，未结合其他驱动方式，整体运动速度还有待提高。另一方面，目前制约sma作为柔性驱动器的最大因素是sma断电后散热慢，它导致了sma驱动周期长，整体驱动频率不高。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于形状记忆合金驱动的多腔软体爬行机器人，通过sma(形状记忆合金)弹簧驱动前、后腔体实现整体爬行运动的软体机器人。本发明在驱动部分采用sma弹簧-流体复合驱动，提高了整体驱动速度。此外还设计了冷却系统，提高了sma弹簧断电后恢复速度，缩短了工作周期。
6.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
7.一种基于形状记忆合金驱动的多腔软体爬行机器人，包括后驱动模块、前驱动模块、伸缩模块、轴承和夹具；所述后驱动模块和前驱动模块结构相同；后驱动模块和前驱动模块之间设置有伸缩模块；所述后驱动模块包括sma弹簧、回复弹簧和导热硅胶薄膜；所述sma弹簧和回复弹簧耦合在一起组成耦合体，耦合体外侧套装有导热硅胶薄膜，耦合体两端通过夹具夹持，夹具安装在轴承内圈，在导热硅胶薄膜外侧套装有硅胶外壳，且导热硅胶薄膜与硅胶外壳之间有冷却液；所述冷却液可以通过夹具进入伸缩模块；所述伸缩模块在冷却液作用下可以伸缩；所述轴承外圈上套装有腹足基座；所述腹足基座通过连接弹簧与腹足连接。
8.上述方案中，所述夹具为圆柱形结构，且两端粗中间细，中段细圆柱形结构外侧壁上开设有孔。
9.上述方案中，所述夹具的前段置于导热硅胶薄膜内，夹具的前段用于夹持耦合体，孔用来流入或者流出冷却液；夹具的后段与伸缩模块相通。
10.上述方案中，所述伸缩模块为液压驱动的折叠式伸缩管。
冷却液；15-硅胶外壳。
具体实施方式
33.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.一种基于形状记忆合金驱动的多腔软体爬行机器人，包括后驱动模块2、前驱动模块4、伸缩模块3、轴承5和夹具9；所述后驱动模块2和前驱动模块4结构相同；后驱动模块2和前驱动模块4之间设置有伸缩模块3；所述后驱动模块2包括sma弹簧6、回复弹簧7和导热硅胶薄膜8；所述sma弹簧6和回复弹簧7耦合在一起组成耦合体，耦合体外侧套装有导热硅胶薄膜8，耦合体两端通过夹具9夹持，夹具9安装在轴承5内圈，在导热硅胶薄膜8外侧套装有硅胶外壳15，且导热硅胶薄膜8与硅胶外壳15之间有冷却液14；所述冷却液14可以通过夹具9进入伸缩模块3；所述伸缩模块3在冷却液14作用下可以伸缩；所述轴承5外圈上套装有腹足基座10；所述腹足基座10通过连接弹簧11与腹足1连接。所述夹具9为圆柱形结构，且两端粗中间细，中段细圆柱形结构外侧壁上开设有孔。所述夹具9的前段置于导热硅胶薄膜8内，夹具9的前段用于夹持耦合体，孔用来流入或者流出冷却液14；夹具9的后段与伸缩模块3相通。
37.一种基于形状记忆合金驱动的多腔软体爬行机器人，包括前驱动模块4、后驱动模块2、伸缩模块3、冷却系统、腹足1、控制模块和电源。
38.前驱动模块4、后驱动模块2的结构相同。首先，将sma弹簧6与回复弹簧7耦合之后以导热硅胶薄膜8密封形成密闭模块，接着，在此密闭模块上包裹波纹伸缩管样式的硅胶外壳15。sma弹簧6通电收缩，会带动整个驱动模块收缩，断电时，sma弹簧6经过一段时间冷却后则带动整个驱动模块恢复原长，驱动模块基于此机理实现爬行机器人的驱动。
39.伸缩模块3为液压驱动的折叠式伸缩管设计，其外部呈现波纹状，内部为空腔结构，以便更好的实现伸长与收缩的功能，其材质为硅胶，变形量大、密封性能好，抗破坏能力强。
40.冷却系统主要由冷却液组成，其分布在前驱动模块4、后驱动模块2和伸缩模块3中，一方面实现对sma弹簧的冷却作用，另一方面，在驱动模块收缩时，腔体体积变小，冷却液排进伸缩模块3，使得伸缩模块3伸长，亦给爬行机器人提供一定的驱动力。
41.腹足1分布在前驱动模块4、后驱动模块2的两端，前驱动模块4、后驱动模块2各有两组共八个腹足，其在机器人两端对称分布。腹足1由腹足基座10、连接弹簧11和半圆柱足部共同组成。
42.控制模块主要有单片机、电磁继电器和若干导线。单片机主要负责发布指令和信号转化，将电控代码输入单片机后，生成方波电压信号，该方波电信号的高幅为2v，低幅为0，周期为t，利用电磁继电器可以控制电源的通电和断电时间。
43.电源主要为单片机、电磁继电器和sma弹簧6等用电设备提供稳定输入。
44.以sma弹簧6、硅胶外壳15和伸缩管的变形来使爬行机器人产生形变，又利用腹足中的足部前端12和足部后端13摩擦力的不同，使机器人产生定向爬行运动。其中，足部前端12材料的摩擦力大于足部后端13材料的摩擦力.
45.以前驱动模块4所在位置为前，在同一腹足1中，足部前端12在足部后端13的后边，即足部后端13离前驱动模块4的距离小于足部前端12离前驱动模块4的距离。
46.sma弹簧6主材为0.5mm丝径的双程niti形状记忆合金丝，先通过机械约束手段固定成弹簧状，再放入真空管式炉中进行热处理，出炉后冷却至室温就得到sma弹簧6。
47.结合附图1、5所示，爬行机器人包括前驱动模块4、后驱动模块2、伸缩模块3、冷却系统14和腹足1；爬行机器人主要由2个软腔体即前驱动模块4、后驱动模块2和1个伸缩模块3提供驱动力。当sma弹簧6通电，其温度升高发生收缩变形的同时，将硅胶外壳15空腔内的冷却液挤压进伸缩模块3，从而使得伸缩模块3也变形伸长，提供二次推动力。当sma弹簧6断电后恢复，带动驱动模块恢复原长度时，配合设计的腹足1可拉动爬行机器人向前运动。
48.结合附图2和3所示，为了提高驱动模块断电后恢复的速度，将普通的回复弹簧7与sma弹簧6进行交叉耦合并固定在夹具9上，为了避免sma弹簧6直接与冷却液接触而影响其通电响应速率，将上述的耦合结构用一层导热硅胶薄膜8密封。再将两端的夹具9安装在轴承5中心，所有连接处都使用密封胶进行密封处理。
49.sma弹簧6在通电收缩的过程中，除了会发生轴向伸缩运动，还会发生一定的扭转运动，使用轴承5可以避免sma弹簧6的扭转力传递到腹足1，保证了爬行机器人的稳定性。
50.结合附图1、3所示，该爬行机器人的前、后驱动模块的硅胶外壳15和伸缩模块3的折叠式伸缩管结构均由ecoflex00-30型硅胶材料制成，通过浇筑成型的方法一体成型制备，表面不能有气泡和厚度不均匀的情况。所述的冷却系统主要由分布在导热硅胶薄膜8和硅胶外壳15之间的冷却液14以及伸缩模块3中的冷却液14组成，目的是为了提高sma弹簧6的冷却速度，提高整体爬行的效率。
51.结合附图5所示，该爬行机器人的腹足1由腹足基座10、连接弹簧11、足部前端12和足部后端13共同组成。腹足基座10由树脂材料通过3d光固化机打印而成。与地面接触的部分为半圆柱足部，分为足部前端12和足部后端13两部分，并利用不同材料制备，其中足部前端12采用摩擦系数更大的材料。最后，利用连接弹簧11将半圆柱足部与腹足基座10相连，最终腹足1通过腹足基座10固定在相应的驱动模块下。
52.工作过程：
53.初始状态下如图6，sma弹簧6不通电，驱动模块结构不发生变形，腹足1仅发挥原地支撑作用；开始运动如图6，后驱动模块2内的sma弹簧6通电收缩，后驱动模块2变形收缩，伸缩模块3伸长，推动前驱动模块4向前运动；后驱动模块2断电恢复如图6，sma弹簧6恢复原长，伸缩模块3收缩恢复原状。接着，前驱动模块4工作如图6，其上的sma弹簧6通电收缩，前驱动模块4变形收缩，伸缩模块3伸长，由于后退方向腹足产生的摩擦力较大，因此前驱动模块4向其前端收缩；前驱动模块4断电如图6，sma弹簧6恢复原长，伸缩模块3收缩恢复原状，拉动后驱动模块2向前运动。
54.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
55.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。