专利名称：一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器人的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器 人。
背景技术：
目前，移动机器人主要采用两种运动方式多轮或履带式驱动，仿生爬行或步行。 然而，这两种移动机器人存在共同的缺陷很难一次性跃过较大的障碍物或沟渠。随着机器 人应用范围的日益广泛，机器人面临的工作环境也越来越恶劣，诸如考古探测、军事侦察、 反恐活动等，在这样的环境中显然要求机器人必须具有较强的地形适应和自主运动能力。 相对于以上两种运动方式的移动机器人，弹跳机器人可以顺利地跃过高于自身尺寸数倍的 障碍物，例如2009年瑞士洛桑大学研究的7克弹跳机器人能跳跃相当于自身高度27倍的 高度，因此更能适合复杂和不可预测的环境。常用机器人大多采用伺服电机驱动，其功重比小，且需要减速机构，从而使机器人 体积增大、结构繁重，且零部件精度要求高；同时，电机驱动存在噪音和污染，驱动电压也较 高，对于机器人向微小型化及家庭和服务行业发展非常不利。
发明内容
为克服现有弹跳机器人的缺陷与不足，本发明提供一种结构简单、性能稳定的形 状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器人。本发明提供的弹跳机器人，包括前臂、蓄能机构、能量转换机构、后臂、触发机构、 控制系统、电池和调角柱；前臂由第一连接块、第一杆件和第二杆件固接而成，第一杆件和 第二杆件平行布置并固接在第一连接块上；蓄能机构由一对同轴平行对称排列的扭簧或平 行双列扭簧或左右对称的簧片组成，蓄能机构设置在前臂和后臂之间；后臂由第二连接块、 第三杆件、第四杆件和第三连接块固接形成，第三杆件与第四杆件之间成锐角，第二连接块 上固定有稳定杆；触发机构由触发扭簧、第二挂钩和第四连接块焊接而成，第四连接块固定 在触发扭簧头部，第二挂钩固定在触发扭簧伸出部分上，触发机构固定在后臂后部；控制系 统由电源电路部分、单片机电路部分和驱动电路部分组成；调角柱通过销轴连接在后臂的 末端；能量转换机构设置为旋转杠杆式能量转换机构、滑块式能量转换机构和双弹簧式能 量转换机构。所述的旋转杠杆式能量转换机构由第一记忆合金弹簧、第二记忆合金弹簧、第三 记忆合金弹簧、旋转杠杆、第一挂钩和第一销轴组成，第一挂钩固定在旋转杠杆上，旋转杠 杆两端设有连接孔并插入前臂中，通过第一销轴与前臂固定连接，前臂的第一连接块与旋 转杠杆左端连接孔之间连接第一记忆合金弹簧，前臂的第一连接块与旋转杠杆右端连接孔 之间连接第二记忆合金弹簧，触发机构的第四连接块与后臂的第二连接块之间连接第三记 忆合金弹簧。所述的滑块式能量转换机构由滑块、第三记忆合金弹簧、第四记忆合金弹簧、第五记忆合金弹簧、第一双程记忆合金弹簧和第五杆件组成，滑块套装在前臂中部，滑块由第一 圆筒、第二圆筒和连接板组成，第一圆筒、第二圆筒分别插入前臂的第一杆件、第二杆件中， 连接板位于第一圆筒和第二圆筒之间并设有三个孔，前孔与前臂的第一连接块之间连接第 四记忆合金弹簧，中间孔与触发机构的第二挂钩之间连接第一双程记忆合金弹簧，第五杆 件插装在前臂下部，连接板的后孔与第五杆件之间连接第五记忆合金弹簧，触发机构的第 四连接块与后臂的第二连接块之间连接第三记忆合金弹簧。所述的双弹簧式能量转换机构由第三记忆合金弹簧和第二双程记忆合金弹簧组 成，前臂的第一连接块与触发机构的第二挂钩之间连接第二双程记忆合金弹簧，触发机构 的第四连接块与后臂的第二连接块之间连接第三记忆合金弹簧。本发明的有益效果是
1、驱动和触发机构采用记忆合金弹簧，轻质简便，一定程度上弥补了现有采用电力控 制的弹跳机器人驱动和触发装置功重比小、驱动时存在噪音和污染、驱动电压比较高的缺 陷。2、增设旋转装置并与记忆合金弹簧结合应用，结构简单、性能稳定，使弹跳机器人 实现了循环多次工作。3、角度柱由弹性材料制成，调节弹跳机器人初始弹跳角度的同时还能有效提高弹 跳机器人的弹跳高度。
图1为本发明实施例1的整体结构示意图 图2为本发明实施例的前臂结构示意图
图3为本发明实施例的蓄能机构结构示意图 图4为本发明实施例的后臂结构示意图 图5为本发明实施例的触发机构结构示意图 图6为本发明实施例控制系统的电源部分电路示意图 图7为本发明实施例控制系统的单片机部分电路示意图 图8为本发明实施例控制系统的驱动部分电路示意图 图9为本发明实施例2的整体结构示意图 图10为本发明实施例2的滑块结构示意图 图11本发明实施例3的整体结构示意图
图中1.第一连接块，2.第一杆件，3.第二杆件，4.第一销轴，5.第一扭簧，6.第二扭 簧，7.旋转杠杆，8.控制系统，9.电池，10.第一挂钩，11.第二挂钩，12.第四连接块，13. 触发扭簧，14.第二连接块，15.第二销轴，16.调角柱，17.第三杆件，18.第四杆件，19. 第三连接块，20.稳定杆，21.第一记忆合金弹簧，22.第二记忆合金弹簧，23.第三记忆合 金弹簧，24.滑块，24a.第一圆筒，24b.第二圆筒，24c.连接板，25.第五杆件，26.第四记忆 合金弹簧，27.第五记忆合金弹簧，28.第一双程记忆合金弹簧，29.第二双程记忆合金弹
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。实施例1
一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器人，包括前臂、蓄能机构、能量转换机构、后臂、 触发机构、控制系统、电池和调角柱；前臂由第一连接块1、第一杆件2和第二杆件3固接而 成，第一杆件2和第二杆件3平行布置并固接在第一连接块1上；蓄能机构由一对同轴平行 对称排列的第一扭簧5和第二扭簧6组成，两扭簧的前、后伸出端分别插装在前臂、后臂上； 能量转换机构采用旋转杠杆式能量转换机构，由第一记忆合金弹簧21、第二记忆合金弹簧 22、第三记忆合金弹簧23、旋转杠杆7、第一挂钩10和第一销轴4组成，第一挂钩10固定在 旋转杠杆7上，旋转杠杆7两端设有连接孔并插入前臂中，通过第一销轴4与前臂固定连 接，前臂的第一连接块1与旋转杠杆7左端连接孔之间连接第一记忆合金弹簧21，前臂的第 一连接块1与旋转杠杆7右端连接孔之间连接第二记忆合金弹簧22，触发机构的第四连接 块12与后臂的第二连接块14之间连接第三记忆合金弹簧23 ；后臂由第二连接块14、第三 杆件17、第四杆件18和第三连接块19固接形成，第二连接块14和第三连接块19由轻质 塑料制成，第三杆件17与第四杆件18之间成锐角，第二连接块19上固定有稳定杆20 ；触 发机构由触发扭簧13、第二挂钩11和第四连接块12焊接而成，第四连接块12固定在触发 扭簧13头部，第二挂钩11固定在触发扭簧13伸出部分上，触发机构固定在后臂后部；控制 系统8由电源电路部分、单片机电路部分和驱动电路部分组成，控制系统8和电池9固定在 旋转装置靠近旋转支点的位置；调角柱16由轻质弹性材料制成，通过销轴连接在后臂的末 端，通过将第二销轴15插入调角柱16上不同的孔，调节弹跳机器人的初始弹跳角度。实施例2:
一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器人，包括前臂、蓄能机构、能量转换机构、后臂、 触发机构、控制系统、电池和调角柱；前臂由第一连接块1、第一杆件2和第二杆3固接而 成，第一杆件2和第二杆件3平行布置并固接在第一连接块1上；蓄能机构由一对同轴平行 对称排列的第一扭簧5和第二扭簧6组成，两扭簧的前、后伸出端分别插装在前臂、后臂上； 能量转换机构采用滑块式能量转换机构，由滑块24、第三记忆合金弹簧23、第四记忆合金 弹簧26、第五记忆合金弹簧27、第一双程记忆合金弹簧28和第五杆件25组成，滑块24套 装在前臂中部，滑块由第一圆筒24a、第二圆筒24b和连接板24c组成，第一圆筒24a、第二 圆筒24b分别插入前臂的第一杆件2、第二杆件3中，连接板24c位于第一圆筒24a和第二 圆筒24b之间并设有三个孔，前孔与前臂的第一连接块1之间连接第四记忆合金弹簧26，中 间孔与触发机构的第二挂钩11之间连接第一双程记忆合金弹簧28，第五杆件25插装在前 臂下部，连接板24c的后孔与第五杆件25之间连接第五记忆合金弹簧27，触发机构的第四 连接块12与后臂的第二连接块14之间连接第三记忆合金弹簧23 ；后臂由第二连接块14、 第三杆件17、第四杆件18和第三连接块19固接形成，第二连接块14和第三连接块19由轻 质塑料制成，第三杆件17与第四杆件18之间成锐角，第二连接块19上固定有稳定杆20 ； 触发机构由触发扭簧13、第二挂钩11和第四连接块12焊接而成，第四连接块12固定在触 发扭簧13头部，第二挂钩11固定在触发扭簧13伸出部分上，触发机构固定在后臂后部；控 制系统8由电源电路部分、单片机电路部分和驱动电路部分组成，控制系统8和电池9分别 固定在前臂和后臂上；调角柱16由轻质弹性材料制成，通过销轴连接在后臂的末端，通过将第二销轴15插入调角柱16上不同的孔，调节弹跳机器人的初始弹跳角度。实施例3:
一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器人，包括前臂、蓄能机构、能量转换机构、后臂、 触发机构、控制系统、电池和调角柱；前臂由第一连接块1、第一杆件2和第二杆3固接而 成，第一杆件2和第二杆件3平行布置并固接在第一连接块1上；蓄能机构由一对同轴平 行对称排列的第一扭簧5和第二扭簧6组成，两扭簧的前、后伸出端分别插装在前臂、后臂 上；能量转换机构采用双弹簧式能量转换机构，由第三记忆合金弹簧23和第二双程记忆合 金弹簧29组成，前臂的第一连接块1与触发机构的第二挂钩11之间连接第二双程记忆合 金弹簧29，触发机构的第四连接块12与后臂的第二连接块14之间连接第三记忆合金弹簧 23 ；后臂由第二连接块14、第三杆件17、第四杆件18和第三连接块19固接形成，第二连接 块14和第三连接块19由轻质塑料制成，第三杆件17与第四杆件18之间成锐角，第二连接 块19上固定有稳定杆20 ；触发机构由触发扭簧13、第二挂钩11和第四连接块12焊接而 成，第四连接块12固定在触发扭簧13头部，第二挂钩11固定在触发扭簧13伸出部分上， 触发机构固定在后臂后部；所述控制系统8由电源电路部分、单片机电路部分和驱动电路 部分组成，控制系统8和电池9分别固定在前臂和后臂上；调角柱16由轻质弹性材料制成， 通过销轴连接在后臂的末端，通过将第二销轴15插入调角柱16上不同的孔，调节弹跳机器 人的初始弹跳角度。空载情况下，双程记忆合金弹簧保证满足其在冷却状态下的长度和加 热状态的长度比为5 6。上述实施例采用的形状记忆合金弹簧均为钛镍记忆合金弹簧。本发明实施例的控制系统单片机采用飞思卡尔公司的8位微处理器MC9S08QD4， 以尽可能减轻弹跳机器人的控制系统重量。如图7、图8、图9所示，VCC_4. 2与电池BT正极 相连，同时与稳压芯片REG710_3. 3的电压输入端相连；稳压芯片的电压输出端VCC_3. 3与 单片机S08QD4的3脚VDD相连，单片机的4脚VSS接地；单片机的1脚PTA5作为复位口， 2脚PTA4作为下载口与下载接口 BKGD相连，用于单片机的程序下载及调试；单片机的5脚 PTA3与控制记忆合金3加热的信号端SMA3相连，单片机的6脚PTA2与控制记忆合金2加 热的信号端SMA2相连，单片机的7脚PTAl与控制记忆合金1加热的信号端SMAl相连，单 片机的8脚PTAO与检测是否脱钩的信号端Capture相连。实施例1的弹跳动作实现过程如下
1、假定初始状态时，第一挂钩10和第二挂钩11未钩连，且三个记忆合金弹簧都处于室 温自由状态。控制系统的检测单元检测到挂钩未钩连信号，发送指令使电源对第一记忆合 金弹簧21进行加热，一段时间后第一记忆合金弹簧21随之收缩并带动旋转杠杆构旋转，同 时旋转杠杆将拉动第二记忆合金弹簧22伸长。当旋转结构旋转到一定位置时第一挂钩10 与第二挂钩11钩连，复位完毕；
2、复位后，控制系统的检测单元检测到钩连信号，并停止加热第一记忆合金弹簧21，开 始加热第二记忆合金弹簧22至其收缩至最短，收缩过程中第二记忆合金弹簧22拉动前臂 克服蓄能机构的弹性势能向后臂构方向旋转，并将能量以弹性势能的形式储存在蓄能机构 中，同时第一记忆合金弹簧21也降被拉长。至此，蓄能机构中蓄存了弹跳所需能量，蓄能完 毕；
3、蓄能后，系统停止加热第二记忆合金弹簧22，开始加热第三记忆合金弹簧23，第三记忆合金弹簧23随之收缩，并克服触发扭簧13的弹性势能顺时针旋转，一部分能量也以弹 性势能的形式储存到触发扭簧13中，触发扭簧13旋转到一定位置时，第一挂钩10和第二 挂钩11脱钩。至此，触发完毕；
4、触发后，弹跳机器人开始在蓄能机构所储存的能量的驱动下实现跳跃动作。同时脱 钩信号也被检测单元检测反馈给系统，系统停止加热第三记忆合金弹簧23，第三记忆合金 弹簧23将被冷却并在触发扭簧13所储存能量的驱动下快速恢复到初始位置。脱钩信号传 递给系统，系统发出指令开始重新加热第一记忆合金弹簧21并使其收缩，进行复位动作；
如此循环往复，实现本发明机器人复位一蓄能一触发一弹跳的工作循环。实施例2的弹跳动作实现过程如下
工作时，首先加热第一双程记忆合金弹簧28，1秒后同时加热加热第四记忆合金弹簧 26，第四记忆合金弹簧26收缩拉动滑块24上滑，当第一双程记忆合金弹簧28收缩至最短 时，蓄能机构蓄能达到最大值，控制系统停止加热第四记忆合金弹簧26和第一双程记忆合 金弹簧28，并开始加热第三记忆合金弹簧23使之收缩，直至第二挂钩11与第一双程记忆合 金弹簧28脱钩；脱钩后，弹跳机器人开始在蓄能机构所蓄能量的驱动下实现跳跃动作，同 时脱钩信号传递至控制系统，系统停止加热第三记忆合金弹簧23，开始加热第五记忆合金 弹簧27使之收缩，并拉动滑块24下滑至初始位置，信号反馈给控制系统，系统停止加热第 五记忆合金弹簧27 ；—段时间后，第三记忆合金弹簧23和第一双程记忆合金弹簧28均恢 复至初始状态，第一双程记忆合金弹簧28的挂钩自动与触发机构的第二挂钩11重新钩住； 重复上述动作即可实现弹跳机器人的复位一蓄能一触发一弹跳的工作循环。实施例3的弹跳动作实现过程如下
工作时，首先加热第二双程记忆合金弹簧29使之收缩至最短，前臂随之顺时针旋转， 蓄能机构蓄能也达到最大值，信号反馈给控制系统，系统停止加热第二双程记忆合金弹簧 29，开始加热第三记忆合金弹簧23使之收缩，直至第二挂钩11与第二双程记忆合金弹簧29 脱钩；脱钩后，弹跳机器人开始在蓄能结构所蓄能量的驱动下实现跳跃动作，同时脱钩信号 传递至控制系统，系统停止加热第三记忆合金弹簧23 ；—段时间后，第三记忆合金弹簧23 和第二双程记忆合金弹簧29均恢复至初始状态，第二双程记忆合金弹簧29上的挂钩自动 与触发机构中的第二挂钩11重新钩住；重复上述动作实现弹跳机器人的复位一蓄能一触 发一弹跳的工作循环。
权利要求
1.一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器人，包括前臂、蓄能机构、能量转换机构、后 臂、触发机构、控制系统、电池和调角柱，其特征在于所述前臂由第一连接块、第一杆件和第 二杆件固接而成，第一杆件和第二杆件平行布置并固接在第一连接块上；所述蓄能机构设 置在前臂和后臂之间；所述后臂由第二连接块、第三杆件、第四杆件和第三连接块固接形 成，第三杆件与第四杆件之间成锐角，第二连接块上固定有稳定杆；所述触发机构由触发扭 簧、第二挂钩和第四连接块焊接而成，第四连接块固定在触发扭簧头部，第二挂钩固定在触 发扭簧伸出部分上，触发机构固定在后臂后部；所述控制系统由电源电路部分、单片机电路 部分和驱动电路部分组成；所述调角柱通过销轴连接在后臂的末端；所述能量转换机构设 置为旋转杠杆式能量转换机构、滑块式能量转换机构和双弹簧式能量转换机构。
2.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器人，其特征在于所述 的旋转杠杆式能量转换机构由第一记忆合金弹簧、第二记忆合金弹簧、第三记忆合金弹簧、 旋转杠杆、第一挂钩和第一销轴组成，第一挂钩固定在旋转杠杆上，旋转杠杆两端设有连接 孔并插入前臂中，通过第一销轴与前臂固定连接，前臂的第一连接块与旋转杠杆左端连接 孔之间连接第一记忆合金弹簧，前臂的第一连接块与旋转杠杆右端连接孔之间连接第二记 忆合金弹簧，触发机构的第四连接块与后臂的第二连接块之间连接第三记忆合金弹簧。
3.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器人，其特征在于所 述的滑块式能量转换机构由滑块、第三记忆合金弹簧、第四记忆合金弹簧、第五记忆合金弹 簧、第一双程记忆合金弹簧和第五杆件组成，滑块套装在前臂中部，滑块由第一圆筒、第二 圆筒和连接板组成，第一圆筒、第二圆筒分别插入前臂的第一杆件、第二杆件中，连接板位 于第一圆筒和第二圆筒之间并设有三个孔，前孔与前臂的第一连接块之间连接第四记忆合 金弹簧，中间孔与触发机构的第二挂钩之间连接第一双程记忆合金弹簧，第五杆件插装在 前臂下部，连接板的后孔与第五杆件之间连接第五记忆合金弹簧，触发机构的第四连接块 与后臂的第二连接块之间连接第三记忆合金弹簧。
4.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器人，其特征在于所述 的双弹簧式能量转换机构由第三记忆合金弹簧和第二双程记忆合金弹簧组成，前臂的第一 连接块与触发机构的第二挂钩之间连接第二双程记忆合金弹簧，触发机构的第四连接块与 后臂的第二连接块之间连接第三记忆合金弹簧。
5.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器人，其特征在于所述 的蓄能机构由一对同轴平行对称排列的扭簧组成，或由平行双列扭簧组成，或由左右对称 的簧片组成。
全文摘要
一种形状记忆合金弹簧驱动的弹跳机器人，包括前臂、蓄能机构、能量转换机构、后臂、触发机构、控制系统、电池和调角柱；前臂由第一连接块、第一杆件和第二杆件固接而成；蓄能机构由一对同轴平行对称排列的扭簧或平行双列扭簧或左右对称的簧片组成，其前、后伸出端分别插装在前臂、后臂上；后臂由第二连接块、第三杆件、第四杆件和第三连接块固接形成；触发机构由触发扭簧、第二挂钩和第四连接块焊接而成，并固定在后臂后部；控制系统由电源部分、单片机部分和驱动部分组成；调角柱通过销轴连接在后臂末端。该机器人结构简单、性能稳定，一定程度上弥补了现有弹跳机器人功重比小、驱动时存在噪音和污染、驱动电压比较高的缺陷。
文档编号B62D57/04GK102114880SQ20111005284
公开日2011年7月6日 申请日期2011年3月4日 优先权日2011年3月4日
发明者刘天琦, 刘淳, 张青春, 李龙, 石祎元, 窦志龙, 袁忠秋, 郭江龙, 陈述平 申请人:东北大学