一种基于形状记忆合金驱动的可转向软体爬行机器人及其控制方法
阅读说明：本技术 一种基于形状记忆合金驱动的可转向软体爬行机器人及其控制方法 (Steerable soft crawling robot based on shape memory alloy drive and control method thereof ) 是由 罗建军 王新亮 惠旭晟 孙浩 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于形状记忆合金驱动的可转向软体爬行机器人及其控制方法,机器人由柔性躯体、柔性足部、柔性弹簧、形状记忆合金驱动器和无线感应线圈组成；柔性躯体由头部和尾部两部分组成,头部和尾部的底面上分布着柔性足部；柔性足部具有方向性,提供的后向摩擦力小于前向摩擦力；柔性躯体的头部和尾部由柔性弹簧和形状记忆合金驱动器连接；形状记忆合金驱动器由形状记忆合金丝包覆在柔性基底结构中而构成；无线感应线圈包覆柔性躯体,并与形状记忆合金驱动器连接,用于加热形状记忆合金驱动器内的形状记忆合金丝。本发明具有结构简单、体积小、重量轻的优点。(The invention provides a steerable soft crawling robot based on shape memory alloy driving and a control method thereof, wherein the robot consists of a flexible body, a flexible foot part, a flexible spring, a shape memory alloy driver and a wireless induction coil; the flexible body consists of a head part and a tail part, and flexible feet are distributed on the bottom surfaces of the head part and the tail part; the flexible foot has directionality to provide a rearward friction that is less than a forward friction; the head part and the tail part of the flexible body are connected by a flexible spring and a shape memory alloy driver; the shape memory alloy driver is formed by wrapping shape memory alloy wires in a flexible substrate structure; the wireless induction coil is used for heating the shape memory alloy wire in the shape memory alloy driver. The invention has the advantages of simple structure, small volume and light weight.)
技术领域
本发明涉及软体机器人技术领域，具体涉及一种基于形状记忆合金驱动的可转向软体爬行机器人。
背景技术
软体机器人由柔性材料制成，能够实现连续变形从而任意改变自身尺寸和形状。相比于传统刚体机器人，具有体积小巧、重量轻、安全以及环境适应性良好的特点，能够辅助人类进入复杂狭小空间进行作业，具有广泛的应用前景。
目前常见的软体爬行机器人多利用杨氏模量较低的柔性材料制作，如硅橡胶、水凝胶、编织物等，结合形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)、介电弹性体(DielectricElastomer)以及离子聚合物金属复合材料(Ionic polymer-metal composites,IPMC)等智能材料的特殊驱动机制，利用光、电、磁、热等外加物理场辅助微型机器人实现运动和控制功能。
发明专利CN109733497A公开了“一种基于形状记忆合金的爬行软体机器及其驱动方法”。该发明将金属线缠绕在形状记忆合金丝上，并将整体嵌入含有液态金属的弹性体中作为驱动器来实现较快的散热速率。该发明中的四个驱动器通过连接体进行连接，使用高频交变磁场对形状记忆合金丝加热实现轻量化驱动。然而该软体爬行机器人在移动过程中具有较大侧向尺寸，即当需要在单一方向进行移动时，两侧的驱动器显得冗余，难以适应狭窄的作业环境。此外该爬行机器人的结构设计无法满足机器人的转弯需求，而转弯功能对于搭载负载的软体爬行机器人进行定向作业和多角度拍摄侦察是必须的。发明专利CN112158271A公开了“一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人”。该发明利用超螺旋聚合物致动器、回复弹簧、足部结构和表皮结构实现软体爬行机器人的移动和转弯功能。尽管超螺旋聚合物致动器和表皮结构实现了爬行机器人的软体功能，但回复弹簧和3D打印的足部结构给整个结构增加了重量，也为组装和制造带来了不便。
发明内容
为了避免现有软体爬行机器人尺寸大、零部件多、组装制造过程复杂的不足，本发明提出一种基于形状记忆合金驱动的可转向软体爬行机器人及其控制方法。为避免设计除了柔性躯体模具之外的其他零件，减少装配步骤，本发明利用浇筑-脱模的方法，实现了软体机器人躯体、足部结构、弹簧和驱动器一体化制造。同时本发明整体采用了扁平化设计，将无线感应线圈集成到软体爬行机器人体内，无需连接外部导线和电源，通过控制外界磁场实现驱动与控制结构一体化，一定程度上减小了其尺寸和质量，使其能够应用到更为狭小和复杂的空间。
本发明的技术方案为：
所述一种基于形状记忆合金驱动的可转向软体爬行机器人，由柔性躯体、柔性足部、柔性弹簧、形状记忆合金驱动器和无线感应线圈组成；
所述柔性躯体由头部和尾部两部分组成，头部和尾部的底面上分布着柔性足部；所述柔性足部具有方向性，提供的后向摩擦力小于前向摩擦力；
所述柔性躯体的头部和尾部由柔性弹簧和形状记忆合金驱动器连接；
所述形状记忆合金驱动器由形状记忆合金丝包覆在柔性基底结构中而构成，当所述形状记忆合金丝通电加热后，所述形状记忆合金驱动器能够弯曲；
所述无线感应线圈包覆柔性躯体的头部和/或尾部，并与形状记忆合金驱动器连接，用于加热形状记忆合金驱动器内的形状记忆合金丝。
进一步的，采用一个柔性弹簧和两个形状记忆合金驱动器连接柔性躯体的头部和尾部，其中柔性弹簧位于中心位置，两个形状记忆合金驱动器在柔性弹簧左右对称分布；所述无线感应线圈也分左右两个，各自对应与左右两侧的形状记忆合金驱动器连接。
进一步的，所述柔性弹簧是用首尾为半圆弧形、中间为圆形的柔性结构，能够在形状记忆合金驱动器弯曲时储存应变能，并在形状记忆合金驱动器需要伸直时释放应变能，辅助其快速变直，提高软体爬行机器人的运动速度。
进一步的，所述形状记忆合金驱动器是由一根呈“U”形的形状记忆合金丝包覆在柔性基底结构中构成；柔性基底结构的一侧具有齿状结构，进一步降低其弯曲刚度；形状记忆合金丝能够在升温后向“U”字形状所在平面的法向进行大角度弯曲，能够使柔性基底结构向齿状结构一侧弯曲，实现形状记忆合金驱动器的驱动功能。
进一步的，所述柔性足部是截面呈圆形的爪式结构，根部最粗，末端具有尖角，所有柔性足部根部靠近柔性躯体头部，尖端靠近柔性躯体尾部，排列方向一致。柔性足部在底面上分布形状呈三角形，即靠近软体爬行机器人中轴线附近分布数量多，两端分布数量逐渐较少。该形状分布的柔性足部能够提供软体爬行机器人运动过程中所需要的摩擦力和力矩。
进一步的，基于形状记忆合金驱动的可转向软体爬行机器人仅由三种材料制作。其中柔性躯体、柔性足部、柔性弹簧和柔性基底结构均由柔性材料聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)制作。无线感应线圈使用纯铜导线制作，形状记忆合金合金丝使用的是镍钛合金材料。
有益效果
本发明提出的一种基于形状记忆合金驱动的可转向软体爬行机器人，其柔性躯体、柔性足部、柔性弹簧和形状记忆合金驱动器等结构全部由柔性材料一体化制成，避免了发明专利CN112158271A中软体爬行机器人需要组装多个部件的繁琐步骤。
本发明中的软体爬行机器人整体轮廓呈长方形二维结构，具有结构简单、体积小、重量轻的优点。通过控制施加外界交变磁场的位置来实现左右两侧的形状记忆合金驱动器电流的通断，进一步实现前进和转向的功能。相比于发明专利CN109733497A，具有在前进过程中具有侧向体积空间占用小和能够实现转弯的优点与功能，能够应用到更加复杂的任务环境中。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明一种基于形状记忆合金驱动的可转向软体爬行机器人示意图。
图2为本发明柔性足部结构及分布示意图。
图3为本发明形状记忆合金驱动器结构图。
图4为本发明柔性弹簧结构图。
图5为本发明一体化制造过程中柔性部分与刚性部分结构示意图。
图6为本发明无线感应线圈及形状记忆合金丝示意图。
图中：1.柔性躯体 2.柔性足部 3.柔性弹簧 4.形状记忆合金驱动器 5.无线感应线圈 4-1.柔性基底 4-2.形状记忆合金丝。
具体实施方式
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。
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”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。
参照图1-4，本实例提出的一种基于形状记忆合金驱动的可转向软体爬行机器人由柔性躯体1、柔性足部2、柔性弹簧3、形状记忆合金驱动器4和无线感应线圈5组成。
柔性躯体1由呈长方体的头部和尾部两部分组成，头部和尾部的底面上呈类似三角形形状均匀分布着排列方向一致、尺寸与数量相同的柔性足部2。柔性躯体1的头部和尾部由柔性弹簧3和形状记忆合金驱动器4连接。柔性弹簧3位于中心位置，2个形状记忆合金驱动器在柔性弹簧3左右对称分布而连接在柔性躯体1的头部和尾部之间。两个无线感应线圈5整体包覆在柔性躯体的头部，呈左右对称分布，并各自对应与左右两侧的形状记忆合金弹簧内的形状记忆合金丝连接。
当软体爬行机器人需要进行直线运动时，在机器人柔性躯体1的头部位置施加特定频率的交变磁场，位于头部位置的两个无线感应线圈5均产生感应电流，同时加热位于左右两侧的形状记忆合金驱动器4中的“U”形形状记忆合金丝4-2。当加热温度升高到形状记忆合金丝4-2的奥氏体相变温度以上，左右两侧的形状记忆合金驱动器4均发生弯曲变形，同时使柔性弹簧3发生压缩变形。由于柔性足部2结构具有方向性，其提供的后向摩擦力小于前向摩擦力，软体爬行机器人柔性躯体1的头部受到向前的摩擦力大于形状记忆合金驱动器4提供的向后的驱动力，而尾部受到向后的摩擦力小于形状记忆合金驱动器4提供的向前的驱动力，其运动结果是柔性躯体1的头部保持固定，尾部向前移动一段距离。此时撤去外加交变磁场，形状记忆合金丝4-2的温度逐渐下降到奥氏体相变温度以下，形状记忆效应消失。此时储存在柔性弹簧3中的应变能释放，辅助形状记忆合金驱动器4再次恢复直线形状。类似地，该过程中柔性弹簧3作用在柔性躯体1尾部向后的弹力小于向前的摩擦力，而作用在头部向前的弹力大于向后的摩擦力，其运动结果是柔性躯体1的头部向前移动一段距离，而尾部保持固定，完成一个直线运动周期。通过周期性控制外加交变磁场的通断，实现软体爬行机器人的直线运动。
当软体爬行机器人需要转弯时，仅在机器人柔性躯体1头部一侧施加特定频率的交变磁场。以向左转弯为例，在柔性躯体1头部左侧的无线感应线圈5处施加特定频率的交变磁场，此时左侧的无线感应线圈5相比右侧的无线感应线圈5产生的电流更大，因而左侧的形状记忆合金驱动器4最先发生弯曲变形。此时软体爬行机器人左侧结构受到弯矩作用，而柔性躯体的头部左侧边缘和右侧边缘的柔性足部数量较少，柔性足部产生的阻力矩小于形状记忆合金驱动器产生的弯矩，柔性躯体的尾部同样如此，导致软体爬行机器人整体结构向左弯曲，实现转向功能。
本实例的制作流程如下：
利用3D打印技术快速制造本发明形状记忆合金驱动的可转向软体爬行机器人的柔性部件(柔性躯体1、柔性足部2、柔性弹簧3、柔性基底4-1)结构所对应的模具。
保持“U”形形状记忆合金丝4-2所在平面与无线感应线圈5所在平面垂直，将具有记忆弯曲形状的“U”形状记忆合金丝4-2两端与无线感应线圈5的两端接头进行连接，然后放置到模具对应位置。
使用Sylgard 184按照10:1比例混合均匀后浇筑到模具中，在一定条件下固化脱模即可获得本发明一种基于形状记忆合金驱动的可转向软体爬行机器人。
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。
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