[发明专利]基于SMA和SSMA驱动的软体机器人

说明书

技术领域

本发明是一种基于由形状记忆性合金(SMA)驱动、自反馈和超弹性合金(SSMA)外部反馈结合、柔性关节和刚体关节配合的软体机器人系统。属于特种柔性机器人领域。 

背景技术

虽然经过多年发展，机器人在各个领域大显身手，但现行机器人大多是由金属等构成的刚体机器人。刚体机器人虽具有很高的运动精度，但在一下方面仍然存在不足：在复杂地形缺乏稳定性、灵活性和环境适应性；在狭窄空间内的通过能力受限；输出体积比不高；控制上也较复杂。而若借鉴仿生学的一些结构于理论，运用软体结构，并保证控制精度，则可以避免刚体机器人的以上不足。 

目前，软体机器人还在探索阶段，但其应用前景广泛。例如：在各种地震海啸等灾难中进行复杂地形的探索及搜救；在医疗手术中任意改变形状以方便医生的手术；在反恐及战争中对狭窄复杂地形进行情报收集及关键部分的控制等等。 

另外，本软体机器人系统应用SMA合金丝和是SSMA合金丝通电时合金丝会发生形变这一特点来控制机器人运动。由此特测得SMA合金丝和SSMA合金丝的“电阻-形变”曲线，如图1所示。图1中两个图分别表示了SMA和SSMA的“电阻-形变”曲线。横轴表示电阻，纵轴表示相应的合金丝形变值。当SMA或者SSMA合金丝通以脉冲电流，产生的热量会使得合金丝受热形变，并且电阻值也发生变化。经过一个加热和冷却的过程就产生了上述闭合曲线。上图曲线参数由直径为0.038mm的SMA和直径为0.3mmSSMA测得。 

发明内容

具体结构如图2和3所示： 

本发明的目的是设计一款基于SMA、自反馈和SSMA驱动、外部反馈结合、柔性关节和刚体关节配合的软体机器人系统。 

首先，该装置利用两组SSMAs驱动单元(一根SMA合金丝(标号5)与一根SSMA合金丝(标号6)并联绕在滑轮杆(标号11)上，两头再用微型弹簧(标号3)等部件相耦合的结构叫一组SSMAs驱动单元，该软体机器人左右两侧共有对称的两组SSMAs驱动单元用于对机器人进行控制，如图5)实现双向驱动，并通过实验测得的SSMAs的“电阻-形变” 曲线(如图1)，及电阻反馈和PID控制算法实现对该软体机器人的精确控制。第二，该机器人采用了柔体机构模块(由3D打印柔性外壳，和嵌入其内部、两端焊接在刚性外壳两端的方弹簧两部分构成，如图6)能够增加该软体机器人系统的柔性，嵌入其内的方弹簧既能够支撑软体硅胶外壳部分，又能够在运动过程中传递动力，将软体机器人前后有机较好的结合起来。第三，该机器人每个脚部结构装备了前后两组SMA驱动单元(由固定在一端的SMA合金丝和另一端的微型弹簧耦合而成，如图7)。该两组驱动单元分别供电能够实现机器人脚部的前后抬起落下，再与SSMAs驱动单元控制的身体“收缩-回复”运动结合，即可完成该软体机器人的运动。 

如图3，该软体机器人包括滑轮杆(标号1)、羊角钉(标号2)、微型弹簧(标号3)、挡块(标号4)、SMA(标号5)、SSMA(标号6)、陶瓷套筒(标号7)、方弹簧(标号8)、3D打印软体硅胶外壳(标号9)、PEEK刚体外壳(标号10)、软体机器人脚部结构(标号11)。 

所述的滑轮杆用于固定SSMAs驱动单元。滑轮杆在机器人内部的分布结构分散，使得SMA合金丝和SSMA合金丝能够尽量长的分布在机器人内部，增加了系统的灵敏度。 

所述的羊角钉用于固定SSMAs驱动单元两端的微型弹簧。 

所述的微型弹簧用于连接固定SMA及SSMA的挡块，防止因以上两种金属丝通电时收缩力过大而使金属丝绷断，起保护金属丝的作用。 

所述的挡块用于保护微型弹簧，防止其超过弹性伸长上限。 

所述的SMA合金丝，具有高温下收缩，低温下强度降低易被拉伸的特点，通过电流加热，用于提供本驱动单元的驱动力。即SMA合金丝通电收缩，提供驱动力。具体结构如图5。 

所述的SSMA合金丝用于外部反馈将极大提升系统的整体控制精度。主要起传感作用：当SSMA通电时，合金丝拉伸，其电阻发生变化。由SSMAs的“电阻-形变”曲线，即可求得形变量变化，起到传感器的作用。具体结构如图5。 

所述的陶瓷套筒用于当SSMAs驱动单元形变时，减小合金丝与滑轮杆的摩擦力，起到提高精度，防止摩擦过热，减小能量损失的作用。 

所述的方弹簧用处在于当SSMAs驱动单元通电收缩时，3D软体硅胶壳收缩导致方弹簧收缩，当SSMAs驱动单元失电时，弹簧起到提供回复力的作用。并且方弹簧也起到支撑柔性硅胶外壳的作用。具体结构如图6。