[发明专利]一种微型软体模块化可重构机器人单元模块

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体是机器人领域的微型软体模块化可重构机器人。

技术背景

软体机器人可以模仿自然界中的软体动物，如章鱼、象鼻、蚯蚓等。由可承受大应变的柔软材料制成，具有无限多的自由度和连续变形能力。它可以在大范围内任意改变自身形状和尺寸，在侦察、探测、救援及医疗等领域具有广阔的应用前景。

软体机器人具有无限多自由度，所以其末端执行器能够到达工作空间内的任意一点。软体机器人对环境具有较好的适应性，通过被动变形实现与障碍物的相容；通过主动变形使机器人处于不同的形态并能实现复杂运动；机器人也可通过主动变形与被动变形相结合，穿过比自身常态尺寸小的缝隙，从而到达传统机器人或人类无法进入的狭小空间里。软体机器人可以用作新型医疗检测机器人，例如内窥镜等。它能随口腔、排泄腔的入口大小来变化，从而减少侵入性痛苦。若采用生物分解材料，软体机器人在完成任务后可被人体分解吸收。

美国塔夫茨大学的Huai-Ti Lin等人研制的GoQBot软体机器人，具有和毛毛虫一样的滚动弹射能力。麻省理工学院、哈佛大学和韩国汉城国立大学的研究人员联合研发的Meshworm机器人，通过在聚合管周围环绕网格状形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)模拟蚯蚓蠕动并能抵抗强大的冲击。利用特殊化学反应驱动的化学软体机器人，近年来成为研究热点。哈佛大学Wyss生物工程院的George M.Whitesides等在DARPA(美国国防部先进研究项目局)支持下开展了多种化学软体机器人工作。日本早稻田大学Shingo Maeda等采用凝胶材料研制的仿生尺蠖，利用Belousov-Zhabotinskii(B-Z)化学反应实现了周期性伸缩运动，横滨大学的Shutaro Saito等采用光敏离子胶研制了软体微型夹具，可以夹持质量为3mg的重物。

国内对软体机器人的研究报道较少，但一些仿生机器人已经具备了软体机器人的某些特征。上海交通大学的马建旭等人提出了一种适用于微小软管移动的仿蚯蚓蠕动式微机器人，可在直径20mm的管道中蠕动前进，但受SMA冷却时间的限制，最大运动速度仅为15mm/min。2011年中国科学技术大学杨杰等设计了基于形状记忆合金驱动的软体机器人，具有滚动、爬行、蠕动三种运动形式，并引入了运动形式切换的思想。浙江大学刘伟庭等研制了基于SMA驱动、硅胶表皮的仿生蚯蚓。哈尔滨工业大学付宜利等设计了基于SMA的自主导管导向机器人。

在软体模块化机器人方面，瑞士联邦理工大学的Germann J等人于2011年设计了一种软体模块化机器人的连接机构，其基于电胶合技术，运用静电力连接模块。美国麻省理工学院的Sehyuk Yim等人于2012年设计了一种可变形磁力软体胶囊机器人，其依靠外部磁场改变自身形状。

上海交通大学的费燕琼于2013年设计了一种模块化软体机器人，它由多个可变形的球形单元模块组成。根据各球形单元模块依次膨胀和收缩，可以改变机器人的尺寸，产生推动力，进而驱使机器人前进。

综上所述，软体机器人在技术上已取得了较大的进步，但在单元模块设计及单个模块独立运动研究仍有很大的发展空间。

发明内容

本发明目的是为了提高软体模块化机器人的柔性，提出一种新型软体模块化可重构机器人，使软体机器人在非结构作业环境中迅速适应环境后执行任务，而且多个模块可以重构出机械蛇和机械臂等构型来适应不同的环境。

本发明通过以下技术方案实现：

微型软体模块化可重构机器人单元模块，主要包括：一个转向机构，一个驱动机构，一个支撑机构，一个主动连接机构和一个被动连接机构；

机身整体为类长方体结构，所述的转向机构包括：一个转向前面板、一个转向后面板和四根形状记忆合金(SMA)丝，所述的形状记忆合金丝位于转向机构的四角，两端分别固定安装在转向前面板和转向后面板的孔内；所述的支撑机构位于转向机构的中央，包括一个弹簧和一个万向柱，所述弹簧的两端通过锁扣分别与转向机构的转向前面板和转向后面板固定连接，万向柱的两端分别与转向机构的转向前面板和转向后面板的中心孔配合固定连接；当形状记忆合金丝通电时，收缩的形状记忆合金丝带动转向前面板朝着相应方向倾斜，由于万向柱可以弯曲，支撑机构也相应弯曲，实现模块的旋转运动；当四根形状记忆合金丝同时通电收缩或舒张时，转向机构能够实现辅助后退或前进的功能，增大了直线运动行程；由于弹簧和万向柱具有韧性，使得它们不仅能够支撑整个结构，抵御自重引起的变形，而且有助于形状记忆合金丝恢复变形；