一种基于形状记忆合金的爬行软体机器及其驱动方法与流程

本发明涉及一种软体机器，具体涉及一种基于形状记忆合金丝的爬行软体机器及其驱动方法。

研究背景

小型爬行软体机器是一种可以沿着管道内部或者在狭小地形自动行走的一种操作机器，这种机器可以代替人类对狭小地形进行检测，能在各种复杂管道环境中，进行诊断和检测，因而广泛的而应用于管道损伤检测，地质考察，地震后生命勘探等方面。目前传统的小型爬行机器主要由刚体和关节组成。他们可以快速的完成爬行动作，然而，他们也有着一些劣势。首先，传统爬行机器大多数自由度有限，同时只能在简单的环境中运行。其次，传统的爬行机构刚度较高，在人使用其的过程中，传统的爬行机器可能会对人体造成伤害。再次，传统的小型爬行机构往往重量较大，不利于携带。除此之外，目前已有的利用形状记忆合金丝驱动的爬行软体机器，大多数是利用接线通电加热形状记忆合金丝，如申请号为201711153544.1江苏大学的小型软爬行人专利，申请号为201610705682.5的中国专利，这种通电加热方法有以下缺点，其一是通电线路复杂，其二，电源耗尽后，更换电源较为麻烦。次之，申请号为201610705682.5的专利中，直接让形状记忆合金丝与空气换热，由于空气的导热系数比较低，所以形状记忆合金丝无法实现快速散热，因而使得该爬行机构效率较低。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于形状记忆合金丝的爬行软体机器及其驱动方法，该机器不会像刚性机构一样只适用于简单的环境，该机构具有更多的自由度，能在更狭小的环境中工作。其二，该机器由含有液态金属的弹性体组成，弹性体较低的模量使得人能更安全的操作使用该机器。其三，该机器的形状记忆合金丝是由高频磁场驱动的，因而无需设计电路，相较于电流驱动的爬行软体机器，有着设计简单、远程控制等优点。其四，该机器采用了含有液态金属的弹性体作为基体，相较于专利号为201610705682.5软机器人有着更好的散热机制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于形状记忆合金的爬行软体机器，其特征在于：由连接体1和固结在连接体1上的四个驱动器2组成；所述连接体1由弹性体组成，其四个方向上连接着四个独立的驱动器2，分别形成爬行软体机器的左腿、右腿、前腿和后腿；所述驱动器2由形状记忆合金丝4、绕制在形状记忆合金丝4上的金属线5以及包覆形状记忆合金丝4和金属线5的含有液态金属的弹性体3组成；

或者当所用的形状记忆合金丝为镍钛合金形状记忆合金丝,且形状记忆合金丝4的直径超过1mm时，该大直径的形状记忆合金丝4上不需要绕制金属线5，则驱动器2只由大直径的形状记忆合金丝4以及含有液态金属的弹性体3组成；

所述连接体1的外观呈现井字形。

所述连接体1用医用硅胶或者eco-flex浇筑在3d打印出的模具中制成。

所述驱动器2，其制作过程如下，首先利用3d打印技术制作出的模具，再用医用硅胶交联剂与单体以及镓铟锡液态金属按照质量比为4:4:1制作出含有液态金属的混合液，先浇筑混合液至模具的一半，等其固化完成后，放入外绕制金属线5的形状记忆合金丝4或直接放入大直径的镍钛合金形状记忆合金丝，再浇筑混合液填满模具，当混合液固化为含有液态金属的弹性体3之后，驱动器2制作完成。

所述金属线5为铜丝或银丝。

所述基于形状记忆合金的爬行软体机器的驱动方法，外加高频交变磁场6激励驱动器2，绕在形状记忆合金丝4上的铜线5内因高频交变磁场6而感生出涡流，感生的涡流加热金属线5，金属线5上的热量传导至形状记忆合金丝4上，使得形状记忆合金丝4的温度上升达到奥氏体转变终止温度并发生大的弯曲变形，弯曲变形的形状记忆合金丝带动弹性体3变形，并将应变能储存在弹性体3中；停止高频交变磁场6激励，形状记忆合金丝4以及金属线5上的热量迅速由弹性体3传导至空气中，形状记忆合金丝的温度下降，储存在弹性体3中的应变能释放，使得弹性体3和形状记忆合金丝4恢复原状；

或者其驱动方法为外加高频交变磁场6，将直接在大直径的镍钛合金形状记忆合金丝的中产生涡流，涡流产生的热量直接加热形状记忆合金丝4，使得形状记忆合金丝4的温度上升达到奥氏体转变终止温度并发生大的弯曲变形，弯曲变形的形状记忆合金丝带动弹性体3变形，并将应变能储存在弹性体3中；停止高频交变磁场6激励，形状记忆合金丝4以及金属线5上的热量迅速由弹性体3中的液态金属传导至空气中，形状记忆合金丝3的温度下降，储存在弹性体3中的应变能释放，使得弹性体3和形状记忆合金丝4恢复原状；

所述的一种基于形状记忆合金的爬行软体机器，实现其定向运动需要的步骤如下：

步骤1：外加高频交变磁场6，激励爬行软体机器的右腿，高频交变磁场在驱动器2中的金属线5中产生涡流，涡流加热金属线5，同时热量由金属线传导给了形状记忆合金丝4，形状记忆合金丝4温度升高超过奥氏体相变转变终止温度并发生弯曲变形，从而带动弹性体3变形，将应变能储存在弹性体中；在此步骤中，爬行软机器重心右移，因而右腿承受了爬行软机器更多的重量，因故所受摩擦力更大，左腿所受摩擦力更小，因而爬行软机器左腿向右运动；

步骤2：保持加在右腿的高频交变磁场6，同时，给予左腿高频交变磁场激励，和步骤1过程类似，左腿的形状记忆合金丝4发生弯曲变形，直至对称状态；

步骤3：撤去右腿的高频交变磁场6，保持左腿的高频磁场6，右腿的形状记忆合金丝4以及金属线5的热量迅速被弹性体3中的液态金属散失到空气中，弹性体中的应变能释放，右腿的弹性体3和形状记忆合金丝4迅速恢复成原状，因故右腿向右运动；

步骤4：最后撤去左腿的高频交变磁场6，类似的有，左腿的形状记忆合金丝4恢复原状，恢复原状的过程中会对整个爬行软体机器有一个向右的推力，致使爬行软体机器继续向右运动；

重复上述步骤，小型软爬行机器人本体不断地向右定向运动；若想要爬行软体机器向其他方向定向运动(例如向前运动)，采取类似的驱动步骤(步骤1，外加高频磁场激励前腿；步骤2，保持前腿高频磁场激励，外加高频磁场激励后腿；步骤3，撤去前腿的高频磁场激励，保持后腿的高频磁场激励；步骤4，撤去后腿的高频磁场激励)，即可使得驱动器向前定向运动。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

由含有液态金属的弹性体以及形状记忆合金组成的复合结构。首先来说，弹性体与形状记忆合金复合成的软爬行机构，能够连续变形，理论上具有无限个自由度，同时由于能够经历大变形，因而能被挤压进入比体型更狭小的环境中工作，所以相较于传统机器人能适应更多变的环境。

其次，这种爬行机构由较软，其模量与人体的皮肤接近的弹性体组成，所以，这种爬行机构能更安全的与人交互。同时弹性体中添加了液态金属，有利于形状记忆合金丝的散热，提高了这种机构的效率。

再次，这种爬行机器人实际上是由高频交变磁场，远程控制磁热式控制，机器人内不含复杂的电路设计和供能装置，

最后这种的基于形状记忆合金和硅胶小型爬行软机器人体积小，重点轻，便于携带。

综上所述这种小型爬行软体机器及其驱动方法的发明是十分有意义的。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制。

图1为本发明提供爬行软体机器的结构示意图。

图2为本发明提供爬行软体机器连接体1的结构示意图。

图3为本发明提供爬行软体机器驱动器2的结构示意图。

图4为本发明爬行软体机器运动初始状态示意图。

图5为本发明爬行软体机器向右定向运动的步骤1示意图。

图6为本发明爬行软体机器向右定向运动的步骤2示意图。

图7为本发明爬行软体机器向右定向运动的步骤3示意图。

图8为本发明爬行软体机器向右定向运动的步骤4示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

如图1所示，一种基于形状记忆合金的爬行软体机器，包括连接本体1和固结在连接本体1上的四个驱动器2组成。

如图2所示，一种基于形状记忆合金的爬行软体机器，其俯视图，所述的连接本体1的整体外形呈现类井字形，其内部为弹性体组成。

如图3所示，一种基于形状记忆合金的爬行软体机器，单个驱动器由三部分组成，其内部设置有弧形的形状记忆合金丝4以及绕着形状记忆合金丝4的金属线5，其外部则由含有液态金属的弹性体3围成。本实施例的金属线5为铜丝。

下面以向右运动为实例，详解本发明爬行软体机器的运动步骤。

如图4所示，为本发明爬行软体机器运动初始状态。

如图5所示，外加高频交变磁场6，激励爬行软体机器的右腿，高频交变磁场6在驱动器2中的金属线5中产生涡流，涡流加热金属线5，同时热量由金属线传导给了形状记忆合金丝4，形状记忆合金丝4温度升高超过奥氏体相变转变终止温度并发生弯曲变形，从而带动弹性体3变形，将应变能储存在弹性体中。在此步骤中，爬行软体机器重心右移，因而右腿承受了爬行软体机器更多的重量，因故所受摩擦力更大，左腿所受摩擦力更小，因而爬行软体机器左腿向右运动。

如图6所示：保持加在右腿的高频交变磁场6，同时，给予左腿高频交变磁场激励，和步骤1过程类似，左腿的形状记忆合金丝4发生弯曲变形，直至对称状态。

如图7所示：撤去右腿的高频交变磁场6，保持左腿的高频交变磁场6，右腿的形状记忆合金丝4以及金属线5的热量迅速被弹性体3中的液态金属散失到空气中，弹性体3中的应变能释放，右腿的弹性体3和形状记忆合金丝4迅速恢复成原状，因故右腿向右运动。

如图8所示：最后撤去左腿的高频交变磁场6，类似的，左腿的形状记忆合金丝4恢复原状，恢复原状的过程中会对整个爬行软体机器有一个向右的推力，致使爬行软体机器继续向右运动。

这样四个步骤称为一个周期，每进行一个周期，小型爬行软体机器便能定向移动一段距离，按顺序激励其他方向的驱动器，即可使得软体爬行机器人前后左右定向移动，从而完成在对狭小地形进行检测，能在各种复杂管道环境中，进行诊断和检测等任务。