專利名稱：形狀記憶合金驅(qū)動的微型雙三足步行機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種步行機器人，尤其涉及一種形狀記憶合金驅(qū)動的微型雙三足步行機器人，采用雙層柔性身體關節(jié)和組合偏動式形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動器，能有效的實現(xiàn)微型六足機器人全方位運動。屬于機器人技術領域。
背景技術：
目前，實現(xiàn)六足機器人轉向運動一般有兩種情況。若機器人的軀體是剛性的，則其轉向一般通過腿部動作來完成，那么每條腿至少應該有3個自由度髖關節(jié)、大腿和小腿，這往往導致結構復雜，自由度過多，需要的驅(qū)動器過多，給設計和控制帶來麻煩。若機器人的軀體采用分段式連接，為實現(xiàn)轉向，各段軀體之間應有一個俯仰自由度和一個側擺自由度，同樣導致結構復雜，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器人。
上海交通大學采用SMA絲代替骨骼肌驅(qū)動機器人的轉動關節(jié)臂，開發(fā)了一種SMA絲驅(qū)動的仿蟑螂式六足步行機器人(李明東、程君實等，一種形狀記憶合金絲驅(qū)動的微小型六足機器人，上海交通大學學報，2000，34(10)1426-1429)。這種機器人共有12個自由度，每足兩個，機器人的每條腿由兩個單自由度轉動關節(jié)臂組成，其中軀干、髖關節(jié)和大腿組成一個，大腿、膝關節(jié)和小腿組成另一個。但是由于機構的設計形式所限制，該機器人不能實現(xiàn)轉彎運動。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明在保持原機器人尺寸微型化的基礎上，變六足為雙三足，引入新穎的身體轉動關節(jié)，并采用了創(chuàng)新設計的組合偏動式形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動器。
本發(fā)明主要包括身體轉動機構、組合偏動式SMA驅(qū)動器和行走機構。
行走機構由六條對稱排列的腿組成，六條腿交叉組合，機器人一側位于中間的一條腿和另一側位于邊緣的兩條腿為一組，每組中的三條腿同步運動，通過交替實現(xiàn)兩組腿的抬起、偏轉、落地的動作，來實現(xiàn)機器人向前直線運動。
身體轉動機構包括兩個三叉支架，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，二者可相對轉動。每個支架的三個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、兩根對稱布置的形狀記憶合金絲、普通偏動彈簧、支撐桿以及另一根形狀記憶合金絲。基板固連在支架的一個分支上。上滑輪組和下滑輪組分別通過兩根細軸固連在基板上，起導向的作用。十字支架的縱軸穿過基板邊緣的通孔，故可繞基板轉動。支撐桿頂端為圓形，并且有滑輪槽，通過一根細軸以轉動副與十字支架縱軸的頂端相連。兩根對稱布置的形狀記憶合金絲的一端固定在基板上的細桿上，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。
組合偏動式SMA驅(qū)動器由安裝在機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彈簧，二者均連接在機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，結合普通偏動彈簧的恢復作用，從而驅(qū)動身體轉動關節(jié)。
機器人的轉向運動是通過組合偏動式SMA驅(qū)動器來控制軀干中的兩層三叉支架的相對轉動而實現(xiàn)的。在機器人對立兩端的兩個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彈簧。由于形狀記憶合金的特性，常溫下SMA彈簧的倔強系數(shù)＜普通偏動彈簧的倔強系數(shù)＜通電加熱后SMA彈簧的倔強系數(shù)。當機器人正常直線前進時，兩個SMA彈簧處于自然狀態(tài)，而兩個普通偏動彈簧均處于拉伸狀態(tài)。由于是兩層支架的結構，當兩支架一側的夾角變小時，另一側的夾角將變大。這樣，由于兩側的兩個普通偏動彈簧均處于拉伸狀態(tài)，在它們的平衡拉力下，兩支架的相對位置保持固定。在此狀態(tài)下，兩側的夾角均為54度。當機器人直線前進時，兩個支架就保持這種位置關系。
SMA彈簧通電加熱以后，其長度會縮短很多，而且同時倔強系數(shù)會變得比普通彈簧大很多。當對其中一根SMA彈簧通電加熱以后，其長度縮短，倔強系數(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支架發(fā)生相對轉動，支架這側的角度變小，普通彈簧縮短，此時另一側的角度變大，普通彈簧和SMA彈簧將被進一步拉伸，同時拉力增大。斷電后，支架這側的SMA彈簧的長度和倔強系數(shù)逐漸恢復到原來的大小，此時在支架另一側彈簧的拉力作用下，支架的相對位置又回復最初。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)動身體轉動關節(jié)，故稱作組合偏動驅(qū)動器。
機器人的直線運動通過六條腿的分組交替運動來實現(xiàn)。兩層三叉支架將機器人軀干分為兩層，機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通孔，用一個十字形支架通過其下端的轉軸安裝在基板的通孔中，通過轉動副與基板相對轉動，即形成了髖關節(jié)。而支撐桿則通過一根軸以轉動副與十字支架的頂端相連，形成膝關節(jié)。這樣改進后，每條腿與軀干的連接簡單化，在軀干因運動需要變形時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，通過導向滑輪與基板上的固定桿相連。如果將基板一側的SMA絲通電加熱，則導致其收縮，產(chǎn)生較大的拉力，在其作用下，十字支架偏轉，帶動支撐桿前進。如果將這一側的SMA絲斷電，而將另一側的通電，則十字支架向相反的方向偏轉。這樣就能實現(xiàn)髖關節(jié)的作用，使機器人前后運動。自然狀態(tài)下，支撐桿在SMA絲和連接在其上的普通偏動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到最初的位置。這樣就實現(xiàn)了膝關節(jié)的運動。
本發(fā)明由單片機中的程序來控制，利用單片機輸出的電流來實現(xiàn)形狀記憶合金的通電加熱收縮。機器人在運動過程中將直線運動和轉向運動結合起來，在單片機的協(xié)調(diào)控制下就能實現(xiàn)全方位運動。
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)新提出了組合偏動式SMA驅(qū)動器，用其驅(qū)動新型的身體轉動關節(jié)，從而有效的實現(xiàn)了微型六足機器人的全方位運動。
圖中，上層三叉支架7套接在下層三叉支架16的軸上，構成身體轉動機構，行走機構由六條對稱排列的腿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，基板15的外側上部安有一可繞基板轉動的十字支架14，每條腿的支撐桿6通過圓形頂端的細軸與十字支架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的上側邊緣。機器人兩組腿兩邊對應的兩塊基板之間，分別連接由一根形狀記憶合金(SMA)彈簧7和一根普通偏動彈簧8組成的組合偏動式SMA驅(qū)動器。
如

圖1所示，本發(fā)明主要包括身體轉動機構、組合偏動式SMA驅(qū)動器和行走機構。
行走機構由六條對稱排列的腿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動，通過交替實現(xiàn)兩組腿的抬起、偏轉、落地的動作，來實現(xiàn)機器人向前直線運動。
身體轉動機構包括兩個三叉支架，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，二者可相對轉動。每個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的一個分支上。上滑輪組10和下滑輪組11分別通過兩根細軸固連在基板上，起導向的作用。十字支架14的縱軸穿過基板邊緣的通孔，故可繞基板轉動。支撐桿6頂端為圓形，并且有滑輪槽，通過一根細軸以轉動副與十字支架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。
組合偏動式SMA驅(qū)動器由安裝在機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和一根普通偏動彈簧8，二者均連接在機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，結合普通偏動彈簧的恢復作用，從而驅(qū)動身體轉動關節(jié)。
機器人的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拍可同時進行，④、⑤拍可同時進行。當?shù)孛嫫閸绮黄綍r，只有將非支撐腿抬到足夠高時才能擺動大腿，推動機器人前進，以避免地面與非支撐腿的干涉。
由于采用組合偏動SMA驅(qū)動器驅(qū)動MDTWR的身體轉動關節(jié)，故可以實現(xiàn)原地旋轉。由實驗測得，一次動作可以旋轉約15度，通過多次15度的變化，可以實現(xiàn)任意角度的轉向，機器人的中心位置則基本保持不變。這個特點對于微型機器人在有限的空間里實現(xiàn)轉向極其重要。機器人的轉向是通過SMA彈簧以及普通彈簧的聯(lián)合作用實現(xiàn)的。例如，機器人實現(xiàn)逆時針轉向15度的動作包括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。此時整個機器人的前進方向轉過了15度，而中心位置保持不變。
權利要求
1.一種形狀記憶合金驅(qū)動的微型雙三足步行機器人，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，構成身體轉動機構，行走機構中六條對稱排列的腿(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)側安有上滑輪組(10)和下滑輪組(11)，基板(15)的外側上部安有可繞基板轉動的十字支架(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)的上側邊緣，兩組腿兩邊對應的兩塊基板之間，分別連接由形狀記憶合金彈簧(9)和普通偏動彈簧(8)組成的組合偏動式SMA驅(qū)動器。
全文摘要
一種形狀記憶合金驅(qū)動的微型雙三足步行機器人,包括身體轉動機構、組合偏動式SMA驅(qū)動器和行走機構,六條對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動,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彈簧。本發(fā)明利用組合偏動式形狀記憶合金驅(qū)動器,來控制軀干中的兩層三叉支架的相對轉動而實現(xiàn)機器人的轉向運動,通過六條腿的分組交替運動來實現(xiàn)機器人的直線運動,有效實現(xiàn)了微型六足機器人的全方位運動。
文檔編號B25J9/06GK1385284SQ0211225
公開日2002年12月18日 申請日期2002年6月27日 優(yōu)先權日2002年6月27日
發(fā)明者祝捷, 曹志奎, 馬培蓀 申請人:上海交通大學