本發(fā)明涉及狹縫救援，具體涉及一種基于功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)的狹縫救援機(jī)器人。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)事故發(fā)生后，如何快速有效的對幸存者進(jìn)行救援也十分重要。房屋倒塌導(dǎo)致救援環(huán)境十分復(fù)雜，救援空間狹小，不利于救援人員進(jìn)入，使用救援機(jī)器人代替救援人員進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場進(jìn)行救援，可以避免或減少救援人員傷亡，提高救援效率。因此，設(shè)計(jì)一款能夠在狹縫空間內(nèi)運(yùn)動的柔性仿生機(jī)器人進(jìn)行輔助救援具有重要意義。借鑒尺蠖的運(yùn)動方式，柔性機(jī)器人需要能夠在狹縫空間內(nèi)產(chǎn)生約束和柔性變形運(yùn)動兩種功能。

2、隨著科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展，傳統(tǒng)材料的性能已經(jīng)無法滿足人們的需求，因此，科研人員針對特定的功能需求，進(jìn)行了功能豐富的超材料設(shè)計(jì)。其中，力學(xué)超材料通過調(diào)整胞元構(gòu)型來控制材料的整體性能，人為地獲得一些新奇的力學(xué)特性，逐漸成為備受矚目的新領(lǐng)域。但是以往人們對超材料進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常一種超材料只具有一種對應(yīng)的功能，在一些特殊環(huán)境下，不同方向上的功能需求不同，這給我們帶來了一定的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)的狹縫救援機(jī)器人，以解決現(xiàn)有技術(shù)中缺乏滿足約束功能與變形功能各向異性需求機(jī)器人的問題。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：提供一種基于功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)的狹縫救援機(jī)器人，包括功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)，功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)上設(shè)置有驅(qū)動系統(tǒng)；驅(qū)動系統(tǒng)包括收縮釋放變形驅(qū)動和約束功能驅(qū)動，收縮釋放變形驅(qū)動使功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的收縮釋放變形；約束功能驅(qū)動使功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)約束；功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)包括若干個(gè)功能各向異性單胞，相鄰兩個(gè)功能各向異性單胞相互連接。

3、本發(fā)明的有益效果為：對于狹縫救援機(jī)器人來說，運(yùn)動需要兩種功能，即可控的約束和可重復(fù)的變形，本發(fā)明將功能各向異性單胞組成功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)，將其和驅(qū)動系統(tǒng)連接在一起，就組裝成了狹縫救援機(jī)器人。本發(fā)明的狹縫救援機(jī)器人的運(yùn)動方式為仿尺蠖運(yùn)動模式，在機(jī)器人頭部和尾部分別驅(qū)動產(chǎn)生約束，并沿機(jī)器人長度方向驅(qū)動收縮、偏心收縮和釋放控制機(jī)器人，進(jìn)行直線運(yùn)動和變方向運(yùn)動。

4、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)：

5、進(jìn)一步，每個(gè)功能各向異性單胞包括相互連接的兩個(gè)正泊松比面部件和四個(gè)零泊松比面部件，每個(gè)正泊松比面部件均為方形結(jié)構(gòu)，每個(gè)零泊松比面部件均為方形結(jié)構(gòu)，每個(gè)零泊松比面部件的方形結(jié)構(gòu)的每條邊均設(shè)置有可柔性變形的s型結(jié)構(gòu)，正泊松比面部件和零泊松比面部件相互連接時(shí)均是方形結(jié)構(gòu)對角線的頂點(diǎn)相互連接。

6、采用上述進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果為：正泊松比功能可使結(jié)構(gòu)受收縮載荷時(shí)可與周圍接觸產(chǎn)生約束，零泊松比功能可使結(jié)構(gòu)受收縮變形時(shí)，不產(chǎn)生約束，同時(shí)，這種收縮釋放變形使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動，則要求變形時(shí)可重復(fù)的柔性變形。因此，要使這兩種功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明將剛性正泊松比面部件和柔性零泊松比面部件分別填充至立方六面體的不同方向面內(nèi)，該結(jié)構(gòu)在壓縮力學(xué)性能方面具有泊松比各向異性特性，結(jié)構(gòu)受y向載荷壓縮時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生z向正泊松比膨脹變形，結(jié)構(gòu)受x向載荷壓縮時(shí)，結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生z向變形，泊松比為零，滿足柔性機(jī)器人在狹縫空間內(nèi)兩個(gè)不同方向分別產(chǎn)生約束和無約束運(yùn)動兩種功能的需求。

7、正泊松比功能使結(jié)構(gòu)受橫向（y向）收縮載荷作用時(shí)，縱向（z向）會產(chǎn)生膨脹變形，在狹縫空間內(nèi)與邊界接觸產(chǎn)生相互作用力，使結(jié)構(gòu)與邊界產(chǎn)生約束；零泊松比功能則可使結(jié)構(gòu)受橫向（x向）載荷作用時(shí)，縱向（z向）不產(chǎn)生變形，這樣在狹縫空間內(nèi)產(chǎn)生變形時(shí)不會與邊界接觸，此時(shí)結(jié)構(gòu)可進(jìn)行柔性變形運(yùn)動而不受狹縫影響。

8、進(jìn)一步，若干功能各向異性單胞在與正泊松比面部件垂直的方向上相互連接，形成組成單元，若干組成單元按方形陣列排布，形成所述功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)。

9、進(jìn)一步，十個(gè)功能各向異性單胞在與正泊松比面部件垂直的方向上相互連接，形成組成單元。

10、進(jìn)一步，四個(gè)組成單元按方形陣列排布，形成功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)。

11、采用上述進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果為：該長條形結(jié)構(gòu)能夠更加適應(yīng)狹縫空間。

12、進(jìn)一步，收縮釋放變形驅(qū)動包括第一固定板、第二固定板和直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)和電源連接，第一固定板設(shè)置在功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)的頭部，第二固定板設(shè)置在功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)的尾部，直流減速電機(jī)設(shè)置在第二固定板上，直流減速電機(jī)的電機(jī)齒輪伸入功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)內(nèi)，電機(jī)齒輪和第一固定板通過繩索連接。

13、采用上述進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果為：收縮釋放變形驅(qū)動通過電源驅(qū)動直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動，可帶動尼龍繩收縮，改變繩索的長度，使結(jié)構(gòu)在x方向產(chǎn)生壓縮變形，在該方向收縮結(jié)構(gòu)時(shí)，泊松比為零，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可重復(fù)的收縮釋放變形的驅(qū)動。

14、進(jìn)一步，直流減速電機(jī)的數(shù)量為四個(gè)，四個(gè)直流減速電機(jī)在功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)兩側(cè)對稱設(shè)置。

15、采用上述進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果為：四個(gè)直流減速電機(jī)可同時(shí)驅(qū)動也可分別驅(qū)動，同時(shí)驅(qū)動時(shí)，四根繩索同步改變長度，此時(shí)機(jī)器人做伸縮運(yùn)動；當(dāng)四根繩索左右成對只驅(qū)動一側(cè)兩根繩索時(shí)，機(jī)器人做彎曲運(yùn)動，可改變機(jī)器人頭部的運(yùn)動方向。

16、進(jìn)一步，約束功能驅(qū)動包括第三固定板、第四固定板、第五固定板和第六固定板，第三固定板和第四固定板分別設(shè)置在功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)靠近頭部的兩側(cè)，第三固定板和第四固定板之間貫穿設(shè)置有形狀記憶合金絲；第五固定板和第六固定板分別設(shè)置在功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)靠近尾部的兩側(cè)，第五固定板和第六固定板之間貫穿設(shè)置有形狀記憶合金絲；形狀記憶合金絲和電源連接。

17、采用上述進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果為：由于只驅(qū)動機(jī)器人伸縮和彎曲無法使機(jī)器人發(fā)生運(yùn)動，必須產(chǎn)生約束才能前進(jìn)，本發(fā)明通過通電的方式控制形狀記憶合金絲，進(jìn)行收縮驅(qū)動，對功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)產(chǎn)生y向收縮變形，功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)在z方向膨脹，與周圍擠壓接觸，產(chǎn)生約束，進(jìn)而發(fā)生運(yùn)動。約束功能驅(qū)動不需要額外的電機(jī)系統(tǒng)，占用空間小，只需要通電即可，即可產(chǎn)生約為5%的收縮應(yīng)變。

18、進(jìn)一步，第三固定板和第四固定板之間的形狀記憶合金絲的數(shù)量為四根，第五固定板和第六固定板之間的形狀記憶合金絲的數(shù)量為四根。

19、采用上述進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果為：通過控制合金絲的通斷，即可控制兩塊橫向固定板之間的距離，使該區(qū)域的結(jié)構(gòu)發(fā)生縱向收縮變形，進(jìn)而與狹縫環(huán)境接觸，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人產(chǎn)生約束的功能，四根平行設(shè)置的形狀記憶合金絲使收縮更平穩(wěn)。固定板四個(gè)角留有可穿過合金絲的小孔，將形狀記憶合金絲穿過固定板和結(jié)構(gòu)，通過將形狀記憶合金絲擰入螺絲扣中，連接在固定板的外側(cè)，形狀記憶合金絲接有電線，四根形狀記憶合金絲并聯(lián)在一起，通過開關(guān)控制四根形狀記憶合金絲，同時(shí)發(fā)生收縮變形和還原變形。

20、進(jìn)一步，形狀記憶合金絲為鎳鈦合金絲。

21、進(jìn)一步，功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為尼龍。

22、采用上述進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果為：造價(jià)便宜，易于制備，其他材料如tpu彈性橡膠和樹脂打印不成功。

23、進(jìn)一步，功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)通過3d打印一體成型。

24、本發(fā)明具有以下有益效果：

25、1、本發(fā)明采用尼龍材料，通過選擇性激光燒結(jié)（sls）技術(shù)打印制得功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)。

26、2、本發(fā)明將剛性正泊松比面部件和柔性零泊松比面部件分別填充至立方六面體的不同方向面內(nèi)，組成功能各向異性單胞，進(jìn)而組成功能各向異性點(diǎn)陣超結(jié)構(gòu)，選擇形狀記憶合金絲（sma）驅(qū)動方式作為約束產(chǎn)生方式，選擇電機(jī)驅(qū)動方式作為結(jié)構(gòu)收縮運(yùn)動的產(chǎn)生方式，將兩種驅(qū)動方式分別設(shè)置在合理的位置，既保證了機(jī)器人的運(yùn)動能力，又降低了柔性機(jī)器人的繁瑣程度。本發(fā)明的狹縫救援機(jī)器人可以在災(zāi)后狹窄的救援環(huán)境內(nèi)開展工作，輔助救援人員進(jìn)行尋找被困人員和提供食物資源，以提高受困人員的生存率。