专利名称：一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型蠕动机器人，具体涉及一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人。
背景技术：
20世纪90年代以来，非结构环境机器人已经从单纯的自动化机械中脱颖而出， 进入诸如航空航天等高精密设备等领域，并且非结构环境的结构复杂、内部空间狭小、检修和维护困难等特殊性，对机器人系统提出了更高的要求，微小型机器人作为一类非结构环境机器人，致力于解决毫米尺度空间中信息收集、信息处理、自身行动决策及周围环境适应等方面问题，通过其自主移动及协调动作，及时发现故障以致解决和处理问题，可应用于核能、航天等微小管道、壁面等空间的维修、探伤工作，现有微小型蠕动机器人多采用具有形状记忆效应的SMA弹簧作为微驱动器，如中国专利公开号为CN1803409 (名称为基于形状记忆合金驱动的刚/弹耦合的微型蠕动机器人)的发明专利申请。在该发明中，由于SMA材料本身形变温度和形变量之间具有非线性关系，使得通电加热直接控制形变量的开环控制方式很难达到对SMA形变步距的准确控制；另一方面用于驱动的四组SMA弹簧的形状记忆效应很难做到一致，并且每组SMA弹簧与前后挡板固接的连接方式使得两组SMA弹簧驱动车体运动时存在耦合，即当机器人转弯运动时一侧SMA弹簧提供动力，另一侧SMA弹簧产生阻力，导致运动干涉，转角步距不准确；此外依靠SMA复位弹簧复合偏心轮摩擦自锁定位机构的结构相对复杂，且摩擦原理定位的反应速度慢、准确性较低。
发明内容
本发明为解决现有微小型机器人运动时存在运动步距不能精确控制、多组SMA驱动器驱动耦合导致运动干涉和摩擦原理定位的准确性较低的问题，进而提出一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人。本发明为解决上述问题采取的技术方案是本发明包括两个吸附装置、两个SMA 弹性驱动臂和两个挡板，两个SMA弹性驱动臂并排平行设置，两个SMA弹性驱动臂与两个挡板连接成四框体，每个SMA弹性驱动臂的一端分别与一个挡板边缘铰接，每个挡板的外侧面分别与一个吸附装置连接，每个SMA弹性驱动臂包括SMA丝、应变片和弹性铰链，所述 SMA丝安装在弹性铰链的外侧面上，所述应变片安装在弹性铰链内侧面的中部，所述弹性铰链的每一端分别与一个挡板的边缘铰接。本发明的有益效果是本发明采用步距可控的SMA弹性驱动臂，通过应变片实时测量弹性铰链的形变量，对机器人运动的步距进行闭环控制，使机器人准确运动；本发明中的驱动装置采用铰链的空间四连杆结构，解决了机器人转弯过程中两组SMA微驱动器的驱动耦合问题，可实现对转角的精确控制；本发明采用的吸附式定位装置定位噪音小、速度快、定位准确。
图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明的主视图，图3是图2的俯视图， 图4是图2的左视图，图5是SMA弹性驱动臂的整体结构示意图，图6是SMA弹性驱动臂与挡板连接的整体结构示意图，图7是吸附装置安装在挡板上的整体的结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一如图1-7所示，本实施方式所述一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人包括两个吸附装置1、两个SMA弹性驱动臂2和两个挡板3，两个SMA弹性驱动臂2并排平行设置，两个SMA弹性驱动臂与两个挡板3连接成四框体，每个SMA弹性驱动臂2的一端分别与一个挡板3边缘铰接，每个挡板3的外侧分别与一个吸附装置1连接，每个SMA弹性驱动臂2包括SMA丝2-1、应变片2_2和弹性铰链2_3，所述SMA丝2_1安装在弹性铰链2-3的外侧面上，所述应变片2-2安装在弹性铰链2-3内侧面的中部，所述弹性铰链2-3的每一端分别与一个挡板3的边缘铰接。本实施方式中SMA丝2-1的两端与驱动电路连接，室温条件下，SMA丝2-1承受拉力，弹性铰链2-3承受弯矩而产生一定的弹性形变，当SMA丝2-1通电加热升温时，SMA丝长度收缩，使弹性铰链2-3受弯矩增大，弹性形变增大，从而SMA弹性驱动臂2长度收缩、弯曲程度增大；当SMA丝2-1断电冷却恢复至室温时，弹性铰链2-3所受弯矩减小，弹性铰链2-3在弹性恢复力的作用下恢复原状，同时拉动SMA丝2-1使之恢复原长，通过弹性铰链2-3外侧的应变片2-2可以实时检测弹性铰链 2-3的变形，与SMA驱动电路进行反馈，间接调整驱动电压，改变SMA丝的温度，从而控制弹性驱动臂2的形变量；由于SMA弹性驱动臂2通过弹性铰链2-3与挡板3铰接，两侧弹性驱动臂2同步改变形变量，可使机器人直线运动；只有一侧弹性驱动臂2改变形变量，可使机器人向一侧偏转，调整驱动电压并通过应变片2-2检测弹性铰链2-3变形量，使之达到给定值，从而使机器人转过给定角度。
具体实施方式
二 如图1-7所示，本实施方式所述一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人的SMA弹性驱动臂2包括第一细铜管2-4、第二细铜管2-5和第三细铜管2-6，所述SMA丝2-1呈U形，所述SMA丝2_1的开口端通过第一细铜管2_4、第三细铜管 2-6固定在弹性铰链2-3 —端的外侧面上，所述SMA丝2-1的非开口端通过第二细铜管2_5 固定在弹性铰链2-3另一端的外侧面上。本实施方式保证了 SMA丝提供足够大的拉力。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三如图1-7所示，本实施方式所述一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人的每个吸附装置1包括两个卡爪组件1-1和电磁铁1-2，两个卡爪组件 1-1由上至下并排平行固定安装在挡板3的外侧面上，所述电磁铁1-2插装在卡爪组件1-1 内。本实施方式保证了电磁铁1-2在机器人移动过程中不会脱落。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四如图1-7所示，本实施方式所述一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人的SMA丝2-1为外表面涂有绝缘层的SMA丝2-1。其它组成及连接关系与具体方式一、二或三相同。工作原理本发明直线单步运动可分为两个阶段
4
第一阶段位于后端的吸附装置1断电无吸附力，位于前端的吸附装置1通电吸附接触面，然后两个SMA弹性驱动臂2同时加载相同电压使SMA弹性驱动臂2收缩，调整电压并通过应变片2-2检测弹性铰链2-3变形量，使之达到给定值，从而带动位于后端的吸附装置1向前移动给定距离；第二阶段位于后端的吸附装置1通电吸附接触面，位于前端的吸附装置1断电无吸附力，然后两个SMA弹性驱动臂2同时断电冷却，SMA驱动装置2释放储存的变形能，使 SMA弹性驱动臂2伸长，并推动位于前端的吸附装置1向前移动；重复上述两个阶段，本发明即可实现直线运动。左转弯单步运动可分为两个阶段第一阶段位于前端的吸附装置1断电无吸附力，位于后端的吸附装置1通电吸附接触面，右侧的SMA弹性驱动臂2保持断电冷却，左侧的SMA弹性驱动臂2加载电压使之收缩，由于SMA弹性驱动臂2通过弹性铰链2-3与挡板3铰接，导致机器人向左偏转，调整驱动电压并通过应变片2-2检测弹性铰链2-3变形量，使之达到给定值，从而使位于前端的吸附装置1向左侧转动给定角度；第二阶段位于后端的吸附装置1断电无吸附力，位于前端的吸附装置1通电吸附接触面，右侧的SMA弹性驱动臂2继续保持断电冷却，然后左侧的SMA弹性驱动臂2断电冷却，左侧的SMA弹性驱动臂2释放储存的变形能使左侧的SMA弹性驱动臂伸长，并带动位于后端的吸附装置1向右转动一定角度，此时整个机器人向左转过一定角度。重复上述两个阶段，可实现连续左转弯运动。同理右转弯单步运动可分为两个阶段第一阶段位于前端的吸附装置1断电无吸附力，位于后端的吸附装置1通电吸附接触面，左侧的SMA弹性驱动臂2保持断电冷却，右侧的SMA弹性驱动臂2加载电压使之收缩，由于SMA弹性驱动臂2通过弹性铰链2-3与挡板3铰接，导致机器人向右偏转，调整驱动电压并通过应变片2-2检测弹性铰链2-3变形量，使之达到给定值，从而使位于前端的吸附装置1向右侧转动给定角度；第二阶段位于后端的吸附装置1断电无吸附力，位于前端的吸附装置1通电吸附接触面，左侧的SMA弹性驱动臂2继续保持断电冷却，然后右侧的SMA弹性驱动臂2断电冷却，右侧的SMA弹性驱动臂2释放储存的变形能使右侧的SMA弹性驱动臂伸长，并带动位于后端的吸附装置1向左转动一定角度，此时整个机器人向右转过一定角度。重复上述两个阶段，可实现连续右转弯运动。
权利要求
1.一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人，它包括两个吸附装置(1)、两个 SMA弹性驱动臂⑵和两个挡板(3)，两个SMA弹性驱动臂⑵并排平行设置，两个SMA弹性驱动臂( 与两个挡板C3)连接成四框体，每个SMA弹性驱动臂O)的一端分别与一个挡板⑶边缘铰接，每个挡板⑶的外侧面分别与一个吸附装置⑴连接，其特征在于每个 SMA弹性驱动臂(2)包括SMA丝0-1)、应变片(2-2)和弹性铰链0_3)，所述SMA丝(2_1) 安装在弹性铰链0-3)的外侧面上，所述应变片0-2)安装在弹性铰链0-3)内侧面的中部，所述弹性铰链0-3)的每一端分别与一个挡板(3)的边缘铰接。
2.根据权利要求1所述一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人，其特征在于所述SMA弹性驱动臂( 包括第一细铜管0-4)、第二细铜管(2- 和第三细铜管 0-6)，所述SMA丝0-1)呈U形，所述SMA丝的开口端通过第一细铜管、第三细铜管0-6)固定在弹性铰链(2- —端的外侧面上，所述SM/U2-1)的非开口端通过第二细铜管0-5)固定在弹性铰链(2- 另一端的外侧面上。
3.根据权利要求1所述一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人，其特征在于每个吸附装置(1)包括两个卡爪组件(1-1)和电磁铁(1-2)，两个卡爪组件(1-1)由上至下并排平行固定安装在挡板(3)的外侧面上，所述电磁铁(1-2)插装在卡爪组件(1-1) 内。
4.根据权利要求1、2或3所述一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人，其特征在于所述SMA丝为外表面涂有绝缘层的SMA丝。
全文摘要
一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人。一种微型蠕动机器人，具体涉及一种形状记忆合金驱动的吸附式微型蠕动机器人。本发明为了解决现有微小型机器人运动时存在运动步距不能精确控制、多组SMA驱动器驱动耦合导致运动干涉和摩擦原理定位的准确性较低的问题。本发明包括两个吸附装置、两个SMA弹性驱动臂和两个挡板，每个SMA弹性驱动臂的一端分别与一个挡板边缘铰接，每个挡板的外侧分别与一个吸附装置连接，每个SMA弹性驱动臂包括SMA丝、应变片和弹性铰链，SMA丝安装在弹性铰链的外侧面上，应变片安装在弹性铰链内侧面的中部。本发明用于核能、航天等微小管道、壁面等空间的维修、探伤等方面。
文档编号B62D57/02GK102267501SQ20111011163
公开日2011年12月7日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者宋超男, 王振龙, 王玉魁 申请人:哈尔滨工业大学