專利名稱：形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型雙三足步行機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種步行機(jī)器人，尤其涉及一種形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型雙三足步行機(jī)器人，采用雙層柔性身體關(guān)節(jié)和組合偏動(dòng)式形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)器，能有效的實(shí)現(xiàn)微型六足機(jī)器人全方位運(yùn)動(dòng)。屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)一般有兩種情況。若機(jī)器人的軀體是剛性的，則其轉(zhuǎn)向一般通過腿部動(dòng)作來完成，那么每條腿至少應(yīng)該有3個(gè)自由度髖關(guān)節(jié)、大腿和小腿，這往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自由度過多，需要的驅(qū)動(dòng)器過多，給設(shè)計(jì)和控制帶來麻煩。若機(jī)器人的軀體采用分段式連接，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，各段軀體之間應(yīng)有一個(gè)俯仰自由度和一個(gè)側(cè)擺自由度，同樣導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間大(Delcomyn，F(xiàn)red；Nelson，Mark E.Architectures for a biomimetic hexapodrobot.[J]Robotics and Autonomous Systems，Vol30，Issue1-2，January 31，2000 pp.5-15)。由此可見，這兩種情況都不適合于體積較小的微型機(jī)器人。
上海交通大學(xué)采用SMA絲代替骨骼肌驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)臂，開發(fā)了一種SMA絲驅(qū)動(dòng)的仿蟑螂式六足步行機(jī)器人(李明東、程君實(shí)等，一種形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)的微小型六足機(jī)器人，上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34(10)1426-1429)。這種機(jī)器人共有12個(gè)自由度，每足兩個(gè)，機(jī)器人的每條腿由兩個(gè)單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)臂組成，其中軀干、髖關(guān)節(jié)和大腿組成一個(gè)，大腿、膝關(guān)節(jié)和小腿組成另一個(gè)。但是由于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式所限制，該機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明在保持原機(jī)器人尺寸微型化的基礎(chǔ)上，變六足為雙三足，引入新穎的身體轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，并采用了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的組合偏動(dòng)式形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)器。
本發(fā)明主要包括身體轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、組合偏動(dòng)式SMA驅(qū)動(dòng)器和行走機(jī)構(gòu)。
行走機(jī)構(gòu)由六條對(duì)稱排列的腿組成，六條腿交叉組合，機(jī)器人一側(cè)位于中間的一條腿和另一側(cè)位于邊緣的兩條腿為一組，每組中的三條腿同步運(yùn)動(dòng)，通過交替實(shí)現(xiàn)兩組腿的抬起、偏轉(zhuǎn)、落地的動(dòng)作，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向前直線運(yùn)動(dòng)。
身體轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)三叉支架，上層三叉支架和下層三叉支架，其中上層三叉支架套接在下層三叉支架的軸上，二者可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)支架的三個(gè)分支各自連接同一組的三條腿。
每條腿包括一塊基板、上滑輪組和下滑輪組，十字支架、兩根對(duì)稱布置的形狀記憶合金絲、普通偏動(dòng)彈簧、支撐桿以及另一根形狀記憶合金絲?；骞踢B在支架的一個(gè)分支上。上滑輪組和下滑輪組分別通過兩根細(xì)軸固連在基板上，起導(dǎo)向的作用。十字支架的縱軸穿過基板邊緣的通孔，故可繞基板轉(zhuǎn)動(dòng)。支撐桿頂端為圓形，并且有滑輪槽，通過一根細(xì)軸以轉(zhuǎn)動(dòng)副與十字支架縱軸的頂端相連。兩根對(duì)稱布置的形狀記憶合金絲的一端固定在基板上的細(xì)桿上，分別繞過下滑輪組和上滑輪組并連接在十字支架的橫軸的兩端。普通偏動(dòng)彈簧的一端連接在基板上，另一端連接在支撐桿上。另一根形狀記憶合金絲的一端連接在支撐桿的底端，繞過支撐桿頂部的滑輪槽后，另一端連接在基板的上邊緣。
組合偏動(dòng)式SMA驅(qū)動(dòng)器由安裝在機(jī)器人兩端的兩組彈簧組成，每組彈簧包括一根形狀記憶合金(SMA)彈簧和一根普通偏動(dòng)彈簧，二者均連接在機(jī)器人兩端的兩塊基板之間。通過電流控制形狀記憶合金彈簧的伸縮變形，結(jié)合普通偏動(dòng)彈簧的恢復(fù)作用，從而驅(qū)動(dòng)身體轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。
機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)是通過組合偏動(dòng)式SMA驅(qū)動(dòng)器來控制軀干中的兩層三叉支架的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。在機(jī)器人對(duì)立兩端的兩個(gè)三叉支架之間分別連接了一根形狀記憶合金彈簧和一根普通偏動(dòng)彈簧。由于形狀記憶合金的特性，常溫下SMA彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)＜普通偏動(dòng)彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)＜通電加熱后SMA彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)。當(dāng)機(jī)器人正常直線前進(jìn)時(shí)，兩個(gè)SMA彈簧處于自然狀態(tài)，而兩個(gè)普通偏動(dòng)彈簧均處于拉伸狀態(tài)。由于是兩層支架的結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩支架一側(cè)的夾角變小時(shí)，另一側(cè)的夾角將變大。這樣，由于兩側(cè)的兩個(gè)普通偏動(dòng)彈簧均處于拉伸狀態(tài)，在它們的平衡拉力下，兩支架的相對(duì)位置保持固定。在此狀態(tài)下，兩側(cè)的夾角均為54度。當(dāng)機(jī)器人直線前進(jìn)時(shí)，兩個(gè)支架就保持這種位置關(guān)系。
SMA彈簧通電加熱以后，其長度會(huì)縮短很多，而且同時(shí)倔強(qiáng)系數(shù)會(huì)變得比普通彈簧大很多。當(dāng)對(duì)其中一根SMA彈簧通電加熱以后，其長度縮短，倔強(qiáng)系數(shù)增大很多，產(chǎn)生較大的拉力，從而克服普通彈簧的拉力使兩個(gè)支架發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，支架這側(cè)的角度變小，普通彈簧縮短，此時(shí)另一側(cè)的角度變大，普通彈簧和SMA彈簧將被進(jìn)一步拉伸，同時(shí)拉力增大。斷電后，支架這側(cè)的SMA彈簧的長度和倔強(qiáng)系數(shù)逐漸恢復(fù)到原來的大小，此時(shí)在支架另一側(cè)彈簧的拉力作用下，支架的相對(duì)位置又回復(fù)最初。由于其中一組彈簧中的SMA彈簧的拉力主要靠另一組彈簧中的普通彈簧來平衡，在它們的共同作用下驅(qū)動(dòng)身體轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，故稱作組合偏動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。
機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)通過六條腿的分組交替運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。兩層三叉支架將機(jī)器人軀干分為兩層，機(jī)器人的六條腿通過各自的基板固接到支架上，每塊基板的邊緣有一個(gè)通孔，用一個(gè)十字形支架通過其下端的轉(zhuǎn)軸安裝在基板的通孔中，通過轉(zhuǎn)動(dòng)副與基板相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即形成了髖關(guān)節(jié)。而支撐桿則通過一根軸以轉(zhuǎn)動(dòng)副與十字支架的頂端相連，形成膝關(guān)節(jié)。這樣改進(jìn)后，每條腿與軀干的連接簡(jiǎn)單化，在軀干因運(yùn)動(dòng)需要變形時(shí)可避免六條腿之間的相互干涉。十字支架的兩端分別連接著SMA絲，通過導(dǎo)向滑輪與基板上的固定桿相連。如果將基板一側(cè)的SMA絲通電加熱，則導(dǎo)致其收縮，產(chǎn)生較大的拉力，在其作用下，十字支架偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)支撐桿前進(jìn)。如果將這一側(cè)的SMA絲斷電，而將另一側(cè)的通電，則十字支架向相反的方向偏轉(zhuǎn)。這樣就能實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的作用，使機(jī)器人前后運(yùn)動(dòng)。自然狀態(tài)下，支撐桿在SMA絲和連接在其上的普通偏動(dòng)彈簧的張力作用下平衡并張開一定的角度。如果將支撐桿上的SMA絲加熱，其收縮所產(chǎn)生的力將克服彈簧的張力，使支撐桿抬起。斷電后，SMA絲冷卻，支撐桿在彈簧的張力作用下回復(fù)到最初的位置。這樣就實(shí)現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明由單片機(jī)中的程序來控制，利用單片機(jī)輸出的電流來實(shí)現(xiàn)形狀記憶合金的通電加熱收縮。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中將直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來，在單片機(jī)的協(xié)調(diào)控制下就能實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明利用形狀記憶合金(SMA)在通電加熱后能發(fā)生很大的收縮的特性，創(chuàng)新提出了組合偏動(dòng)式SMA驅(qū)動(dòng)器，用其驅(qū)動(dòng)新型的身體轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，從而有效的實(shí)現(xiàn)了微型六足機(jī)器人的全方位運(yùn)動(dòng)。
圖中，上層三叉支架7套接在下層三叉支架16的軸上，構(gòu)成身體轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)由六條對(duì)稱排列的腿1～6組成，六條腿交叉組合，1、3、5和2、4、6各為一組，每條腿分別通過各自的基板15與上下層三叉支架連接，上滑輪組10和下滑輪組11分別固連在基板15的內(nèi)側(cè)，基板15的外側(cè)上部安有一可繞基板轉(zhuǎn)動(dòng)的十字支架14，每條腿的支撐桿6通過圓形頂端的細(xì)軸與十字支架14的縱軸相連。兩根形狀記憶合金絲12分別繞過下滑輪組11和上滑輪組10連接在十字支架14的橫軸的兩端?；?5與支撐桿6之間連接一根普通偏動(dòng)彈簧13，形狀記憶合金絲17一端連接在支撐桿6底端，另一端繞過支撐桿6頂部的滑輪槽，固連在基板15的上側(cè)邊緣。機(jī)器人兩組腿兩邊對(duì)應(yīng)的兩塊基板之間，分別連接由一根形狀記憶合金(SMA)彈簧7和一根普通偏動(dòng)彈簧8組成的組合偏動(dòng)式SMA驅(qū)動(dòng)器。
如

圖1所示，本發(fā)明主要包括身體轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、組合偏動(dòng)式SMA驅(qū)動(dòng)器和行走機(jī)構(gòu)。
行走機(jī)構(gòu)由六條對(duì)稱排列的腿1～6組成，六條腿交叉組合，1、3、5和2、4、6各為一組，每組中的三條腿同步運(yùn)動(dòng)，通過交替實(shí)現(xiàn)兩組腿的抬起、偏轉(zhuǎn)、落地的動(dòng)作，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向前直線運(yùn)動(dòng)。
身體轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)三叉支架，上層三叉支架7和下層三叉支架16，其中支架7套接在支架16的軸上，二者可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)支架上各自連接同一組的三條腿，即三條腿1、3、5連接在下層三叉支架16上，三條腿2、4、6連接在上層三叉支架7上。
每條腿包括一塊基板15、上滑輪組10和下滑輪組11，十字支架14、兩根形狀記憶合金絲12、普通偏動(dòng)彈簧13、支撐桿6以及形狀記憶合金絲17?；?5固連在支架7的一個(gè)分支上。上滑輪組10和下滑輪組11分別通過兩根細(xì)軸固連在基板上，起導(dǎo)向的作用。十字支架14的縱軸穿過基板邊緣的通孔，故可繞基板轉(zhuǎn)動(dòng)。支撐桿6頂端為圓形，并且有滑輪槽，通過一根細(xì)軸以轉(zhuǎn)動(dòng)副與十字支架14縱軸的頂端相連。兩根形狀記憶合金絲12的一端固定在基板上的細(xì)桿上，分別繞過下滑輪組10和上滑輪組11并連接在十字支架14的橫軸的兩端。普通偏動(dòng)彈簧13的一端連接在基板15上，另一端連接在支撐桿6上。形狀記憶合金絲17的一端連接在基板的上邊緣，繞過支撐桿6頂部的滑輪槽后，另一端連接在支撐桿6的底端。
組合偏動(dòng)式SMA驅(qū)動(dòng)器由安裝在機(jī)器人兩端的兩組彈簧組成，每組彈簧包括一根形狀記憶合金(SMA)彈簧9和一根普通偏動(dòng)彈簧8，二者均連接在機(jī)器人兩端的兩塊基板之間。通過電流控制形狀記憶合金彈簧的伸縮變形，結(jié)合普通偏動(dòng)彈簧的恢復(fù)作用，從而驅(qū)動(dòng)身體轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。
機(jī)器人的6條腿分為兩組，1、3、5腿為第I組，2、4、6腿為第II組，行走過程中同一組內(nèi)3條腿的步調(diào)一致。
一個(gè)完整的直線行走的步行周期分為6拍①I組腿抬起；②I組腿前擺，II組腿后擺；③I組腿落地；④II組腿抬起；⑤II組腿前擺，I組腿后擺；⑥II組腿落地。注意在第一個(gè)周期里，第②拍中不執(zhí)行第II組的腿后擺。在平坦地面，為提高步行速度，①、②拍可同時(shí)進(jìn)行，④、⑤拍可同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)?shù)孛嫫閸绮黄綍r(shí)，只有將非支撐腿抬到足夠高時(shí)才能擺動(dòng)大腿，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)，以避免地面與非支撐腿的干涉。
由于采用組合偏動(dòng)SMA驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)MDTWR的身體轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，故可以實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，一次動(dòng)作可以旋轉(zhuǎn)約15度，通過多次15度的變化，可以實(shí)現(xiàn)任意角度的轉(zhuǎn)向，機(jī)器人的中心位置則基本保持不變。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于微型機(jī)器人在有限的空間里實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向極其重要。機(jī)器人的轉(zhuǎn)向是通過SMA彈簧以及普通彈簧的聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)的。例如，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)向15度的動(dòng)作包括6拍①II組腿抬起；②SMA彈簧1通電加熱；③II組腿放下；④I組腿抬起；⑤SMA彈簧1斷電冷卻；⑥II組腿放下。此時(shí)整個(gè)機(jī)器人的前進(jìn)方向轉(zhuǎn)過了15度，而中心位置保持不變。
權(quán)利要求
1.一種形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型雙三足步行機(jī)器人，其特征在于上層三叉支架(7)套接在下層三叉支架(16)的軸上，構(gòu)成身體轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)中六條對(duì)稱排列的腿(1～6)交叉組合成兩組，每條腿分別通過各自的基板(15)與三叉支架連接，基板(15)的內(nèi)側(cè)安有上滑輪組(10)和下滑輪組(11)，基板(15)的外側(cè)上部安有可繞基板轉(zhuǎn)動(dòng)的十字支架(14)，支撐桿(6)與十字支架(14)的縱軸相連，兩根形狀記憶合金絲(12)分別繞過下滑輪組(11)和上滑輪組(10)連接在十字支架(14)橫軸兩端，形狀記憶合金絲(17)一端連接在支撐桿(6)底端，另一端繞過支撐桿(6)頂部的滑輪槽，固連在基板(15)的上側(cè)邊緣，兩組腿兩邊對(duì)應(yīng)的兩塊基板之間，分別連接由形狀記憶合金彈簧(9)和普通偏動(dòng)彈簧(8)組成的組合偏動(dòng)式SMA驅(qū)動(dòng)器。
全文摘要
一種形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型雙三足步行機(jī)器人,包括身體轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、組合偏動(dòng)式SMA驅(qū)動(dòng)器和行走機(jī)構(gòu),六條對(duì)稱排列的腿交叉組合成兩組,分別通過各自的基板連接在兩層三叉支架上,腿的支撐桿與十字支架相連并可繞基板轉(zhuǎn)動(dòng),支撐桿頂部與底端間連有形狀記憶合金絲,兩組腿兩邊分別連接形狀記憶合金彈簧和普通偏動(dòng)彈簧。本發(fā)明利用組合偏動(dòng)式形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器,來控制軀干中的兩層三叉支架的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),通過六條腿的分組交替運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng),有效實(shí)現(xiàn)了微型六足機(jī)器人的全方位運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)B25J9/06GK1385284SQ0211225
公開日2002年12月18日 申請(qǐng)日期2002年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月27日
發(fā)明者祝捷, 曹志奎, 馬培蓀 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)