基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人

实用新型 · 2020-04-20
著录项
  • CN201510423848.X
  • 20150717
  • CN104959980B
  • 20161123
  • 哈尔滨工业大学
  • 刘彦菊;刘立武;李金嵘;冷劲松
  • B25J9/08
  • B25J9/08

  • 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
  • 黑龙江(23)
  • 哈尔滨市松花江专利商标事务所
  • 王大为
  • 0
  • 技术关键词
  • 可换向
  • 智能材料
  • 形状记忆弹簧
  • 下圆盘
  • 上圆盘
  • 轴筒
  • 封头
  • 对称设置
  • 下凸块
  • 下圆孔
  • 摘要
    基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,为解决传统刚体机器人存在的机械结构复杂、由度较小、环境适应性差、控制方式复杂、质量重、成本高的问题。本发明包括上换向体、下换向体、轴筒和封头,上换向体包括上圆盘、两个上换向体爬行脚、两个向下凸块和两个上形状记忆弹簧,下换向体包括下圆盘、两个下换向体爬行脚、两个向上凸块和两个下形状记忆弹簧,上换向体与下换向体上、下设置,且上换向体上的向下凸块和下换向体上的向上凸块均朝向里面,第一直线与第三直线之间的锐角为45°,轴筒的下端穿过上圆孔和下圆孔,封头设置在下圆盘的下面并与轴筒固定连接。本发明可用于军事侦察、科学探测、灾难救援等复杂环境或狭小空间下的运动。
    权利要求

    权利要求数量(9)

    独立权利要求数量(1)

    1.一种基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所述机器人包括上 换向体(A)、下换向体(B)、轴筒(C)和封头(D),上换向体(A)包括上圆盘(1)、 两个上换向体爬行脚(2)、两个向下凸块(3)和两个上形状记忆弹簧(4),上圆盘(1) 的中心处设有上圆孔(1-1),两个上换向体爬行脚(2)沿上圆盘(1)的第一直线(M-M) 布置且对称设置在上圆盘(1)的两侧,上换向体爬行脚(2)与上圆盘(1)的水平面呈向 下倾斜设置,两个上形状记忆弹簧(4)对称设置在上圆孔(1-1)的两侧,第一直线(M-M) 与第二直线(N-N)相垂直,两个上形状记忆弹簧(4)与两个向下凸块(3)一一对应, 两个上形状记忆弹簧(4)以上圆孔(1-1)为基准对称设置,从上圆盘(1)的仰视看去, 每个上形状记忆弹簧(4)斜向设置在向下凸块(3)的顺时针一侧,且上形状记忆弹簧(4) 由上圆盘(1)的边缘向中心、由第二直线(N-N)向外侧斜向设置,且上形状记忆弹簧(4) 与向下凸块(3)固定连接;

    下换向体(B)包括下圆盘(11)、两个下换向体爬行脚(22)、两个向上凸块(33)和 两个下形状记忆弹簧(44),下圆盘(11)的中心处设有与上圆孔(1-1)正对的下圆孔(11-1), 两个下换向体爬行脚(22)沿下圆盘(11)的第三直线(S-S)布置且对称设置在下圆盘(11) 的两侧,下换向体爬行脚(22)与下圆盘(11)的水平面呈向下倾斜设置,两个下形状记 忆弹簧(44)对称设置在下圆孔(11-1)的两侧,第四直线(T-T)与第三直线(S-S)相垂 直,两个下形状记忆弹簧(44)与两个向上凸块(33)一一对应,两个下形状记忆弹簧(44) 以下圆孔(11-1)为基准对称设置,从下圆盘(11)的俯视看去,每个下形状记忆弹簧(44) 斜向设置在向上凸块(33)的逆时针一侧,且下形状记忆弹簧(44)由下圆盘(11)的边 缘向中心、由第四直线(T-T)向外侧斜向设置,且下形状记忆弹簧(44)与向上凸块(33) 固定连接;

    上换向体(A)与下换向体(B)上、下设置,且上换向体(A)上的向下凸块(3)和 下换向体(B)上的向上凸块(33)均朝向里面,第一直线(M-M)与第三直线(S-S)之 间的锐角(β)为45°,轴筒(C)的下端穿过上圆孔(1-1)和下圆孔(11-1),封头(D) 设置在下圆盘(11)的下面并与轴筒(C)固定连接,所述上换向体爬行脚(2)和下换向 体爬行脚(22)均由电致活性聚合物驱动器构成,上形状记忆弹簧(4)和下形状记忆弹簧 (44)的材质均为形状记忆合金或形状记忆聚合物。

    2.根据权利要求1所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所 述电致活性聚合物驱动器的具体形式为堆栈、叠层、折叠或卷形。

    3.根据权利要求1或2所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于: 下换向体爬行脚(22)和下圆盘(11)的水平面之间的夹角(α2)与上换向体爬行脚(2) 和上圆盘(1)的水平面之间的夹角(α1)相等。

    4.根据权利要求3所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所 述形状记忆合金为双程形状记忆合金,其驱动方式为电热驱动。

    6.根据权利要求4或5所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于: 所述轴筒(C)和封头(D)的材质均为轻质合金或塑料。

    7.根据权利要求6所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所 述轻质合金为铝合金、镁合金或钛合金。

    8.根据权利要求6所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所 述上圆盘(1)和下圆盘(11)的材质均为轻质合金或塑料。

    9.根据权利要求8所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所 述轻质合金为铝合金、镁合金或钛合金。

    5.根据权利要求3所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所 述形状记忆聚合物为双向形状记忆聚合物,其驱动方式为电热驱动。

    1.一种基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所述机器人包括上 换向体(A)、下换向体(B)、轴筒(C)和封头(D),上换向体(A)包括上圆盘(1)、 两个上换向体爬行脚(2)、两个向下凸块(3)和两个上形状记忆弹簧(4),上圆盘(1) 的中心处设有上圆孔(1-1),两个上换向体爬行脚(2)沿上圆盘(1)的第一直线(M-M) 布置且对称设置在上圆盘(1)的两侧,上换向体爬行脚(2)与上圆盘(1)的水平面呈向 下倾斜设置,两个上形状记忆弹簧(4)对称设置在上圆孔(1-1)的两侧,第一直线(M-M) 与第二直线(N-N)相垂直,两个上形状记忆弹簧(4)与两个向下凸块(3)一一对应, 两个上形状记忆弹簧(4)以上圆孔(1-1)为基准对称设置,从上圆盘(1)的仰视看去, 每个上形状记忆弹簧(4)斜向设置在向下凸块(3)的顺时针一侧,且上形状记忆弹簧(4) 由上圆盘(1)的边缘向中心、由第二直线(N-N)向外侧斜向设置,且上形状记忆弹簧(4) 与向下凸块(3)固定连接; 下换向体(B)包括下圆盘(11)、两个下换向体爬行脚(22)、两个向上凸块(33)和 两个下形状记忆弹簧(44),下圆盘(11)的中心处设有与上圆孔(1-1)正对的下圆孔(11-1), 两个下换向体爬行脚(22)沿下圆盘(11)的第三直线(S-S)布置且对称设置在下圆盘(11) 的两侧,下换向体爬行脚(22)与下圆盘(11)的水平面呈向下倾斜设置,两个下形状记 忆弹簧(44)对称设置在下圆孔(11-1)的两侧,第四直线(T-T)与第三直线(S-S)相垂 直,两个下形状记忆弹簧(44)与两个向上凸块(33)一一对应,两个下形状记忆弹簧(44) 以下圆孔(11-1)为基准对称设置,从下圆盘(11)的俯视看去,每个下形状记忆弹簧(44) 斜向设置在向上凸块(33)的逆时针一侧,且下形状记忆弹簧(44)由下圆盘(11)的边 缘向中心、由第四直线(T-T)向外侧斜向设置,且下形状记忆弹簧(44)与向上凸块(33) 固定连接; 上换向体(A)与下换向体(B)上、下设置,且上换向体(A)上的向下凸块(3)和 下换向体(B)上的向上凸块(33)均朝向里面,第一直线(M-M)与第三直线(S-S)之 间的锐角(β)为45°,轴筒(C)的下端穿过上圆孔(1-1)和下圆孔(11-1),封头(D) 设置在下圆盘(11)的下面并与轴筒(C)固定连接,所述上换向体爬行脚(2)和下换向 体爬行脚(22)均由电致活性聚合物驱动器构成,上形状记忆弹簧(4)和下形状记忆弹簧 (44)的材质均为形状记忆合金或形状记忆聚合物。 2.根据权利要求1所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所 述电致活性聚合物驱动器的具体形式为堆栈、叠层、折叠或卷形。 3.根据权利要求1或2所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于: 下换向体爬行脚(22)和下圆盘(11)的水平面之间的夹角(α2)与上换向体爬行脚(2) 和上圆盘(1)的水平面之间的夹角(α1)相等。 4.根据权利要求3所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所 述形状记忆合金为双程形状记忆合金,其驱动方式为电热驱动。 5.根据权利要求3所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所 述形状记忆聚合物为双向形状记忆聚合物,其驱动方式为电热驱动。 6.根据权利要求4或5所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于: 所述轴筒(C)和封头(D)的材质均为轻质合金或塑料。 7.根据权利要求6所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所 述轻质合金为铝合金、镁合金或钛合金。 8.根据权利要求6所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所 述上圆盘(1)和下圆盘(11)的材质均为轻质合金或塑料。 9.根据权利要求8所述基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人,其特征在于:所 述轻质合金为铝合金、镁合金或钛合金。

    说明书
    技术领域

    本发明涉及一种机器人,具体涉及一种基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人。

    技术背景

    传统的机器人一般由刚性模块通过运动副连接而成,自由度较小,虽然能够满足精确 运动的需要,但是其刚性结构导致其环境适应性差,在复杂环境或狭窄空间内运动会受到 限制。此外,传统的刚体机器人运动形式较为单一、控制方式复杂并且质量重、造价高, 在一些较为特殊的场合并不适用。

    发明内容

    本发明为解决传统刚体机器人存在的机械结构复杂、由度较小、环境适应性差、控制 方式复杂、质量重、成本高的问题,提出一种基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人。

    本发明的基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人包括上换向体、下换向体、轴筒 和封头,上换向体包括上圆盘、两个上换向体爬行脚、两个向下凸块和两个上形状记忆弹 簧,上圆盘的中心处设有上圆孔,两个上换向体爬行脚沿上圆盘的第一直线布置且对称设 置在上圆盘的两侧,上换向体爬行脚与上圆盘的水平面呈向下倾斜设置,两个上形状记忆 弹簧沿上圆盘的第二直线布置且对称设置在上圆孔的两侧,第一直线与第二直线相垂直, 两个上形状记忆弹簧与两个向下凸块一一对应,两个上形状记忆弹簧以上圆孔为基准对称 设置,从上圆盘的仰视看去,每个上形状记忆弹簧斜向设置在向下凸块的顺时针一侧,且 上形状记忆弹簧由上圆盘的边缘向中心、由第二直线向外侧斜向设置,且上形状记忆弹簧 与向下凸块固定连接;

    下换向体包括下圆盘、两个下换向体爬行脚、两个向上凸块和两个下形状记忆弹簧, 下圆盘的中心处设有与上圆孔正对的下圆孔,两个下换向体爬行脚沿下圆盘的第三直线布 置且对称设置在下圆盘的两侧,下换向体爬行脚与下圆盘的水平面呈向下倾斜设置,两个 下形状记忆弹簧沿下圆盘的第四直线布置且对称设置在下圆孔的两侧,第四直线与第三直 线相垂直,两个下形状记忆弹簧与两个向上凸块一一对应,两个下形状记忆弹簧以下圆孔 为基准对称设置,从下圆盘的俯视看去,每个下形状记忆弹簧斜向设置在向上凸块的逆时 针一侧,且下形状记忆弹簧由下圆盘的边缘向中心、由第四直线向外侧斜向设置,且下形 状记忆弹簧与向上凸块固定连接;

    上换向体与下换向体上、下设置,且上换向体上的向下凸块和下换向体上的向上凸块 均朝向里面,第一直线与第三直线之间的锐角为45°,轴筒的下端穿过上圆孔和下圆孔, 封头设置在下圆盘的下面并与轴筒固定连接,所述上换向体爬行脚和下换向体爬行脚均由 电致活性聚合物驱动器构成,上形状记忆弹簧和下形状记忆弹簧的材质均为形状记忆合金 或形状记忆聚合物。

    本发明具有以下有益效果:

    一、本发明利用形状记忆弹簧实现驱动机器人转向;四个爬行脚使用智能材料避免了 复杂的机械结构和刚性结构,在复杂环境或狭窄空间内运动不会受到限制,环境适应性强; 本发明具有自由度较大、控制方式简单、质量轻、成本低、灵活性强、环境适应性好等特 点。

    二、本发明能够实现模拟动物的爬行并且可以自主改变运动方向,在军事、侦查、探 测、医疗等领域具有广泛的应用前景。

    附图说明

    图1是本发明的外部结构立体图;

    图2是本发明的俯视图;

    图3是上换向体A与下换向体B分解立体图;

    图4是下换向体B的俯视图(去掉两个下换向体爬行脚22);

    图5是上换向体A的仰视图(去掉两个上换向体爬行脚2);

    图6是两个上换向体爬行脚2与上圆盘1的位置关系示意图;

    图7是两个下换向体爬行脚22与下圆盘11的位置关系示意图;

    图8是两个向下凸块3与上圆盘1的位置关系示意图(两个向下凸块3与上圆盘1 的仰视图);

    图9是两个向上凸块33与下圆盘11的位置关系示意图(两个向上凸块33与下圆盘 11的俯视图);

    图10是本发明爬行原理示意图(四个爬行脚顺序编号示意图);

    图11是依据爬行方向按图10编号时四个爬行脚的驱动信号时序示意图;

    图12是本发明换向原理示意图(即两个上形状记忆弹簧4和两个下形状记忆弹簧44 处于初始状态示意图);

    图13是本发明换向原理示意图(两个下形状记忆弹簧44被驱动,下形状记忆弹簧 44处于伸展状态示意图);

    图14是本发明换向原理示意图(两个下形状记忆弹簧44冷却后,下形状记忆弹簧 44回复至原来的长度示意图);

    图15是本发明再次换向时的原理示意图(即两个上形状记忆弹簧4和两个下形状记 忆弹簧44处于初始状态示意图);

    图16是本发明再次换向时的原理示意图(两个下形状记忆弹簧44被驱动,下形状记 忆弹簧44处于伸展状态示意图);

    图17是本发明再次换向时的原理示意图(两个下形状记忆弹簧44冷却后,下形状记 忆弹簧44回复至原来的长度示意图);

    图18是本发明的换向示意图。

    具体实施方式

    具体实施方式一:结合图1~图9明本实施方式,本实施方式包括上换向体A、下换 向体B、轴筒C和封头D,上换向体A包括上圆盘1、两个上换向体爬行脚2、两个向下 凸块3和两个上形状记忆弹簧4,上圆盘1的中心处设有上圆孔1-1,两个上换向体爬行 脚2沿上圆盘1的第一直线M-M布置且对称设置在上圆盘1的两侧,上换向体爬行脚2 与上圆盘1的水平面呈向下倾斜设置,两个上换向体爬行脚2与上圆盘1采用胶接连接 或者在制作时直接成型在一起,两个上形状记忆弹簧4沿上圆盘1的第二直线N-N布置 且对称设置在上圆孔1-1的两侧,两个向下凸块3与上圆盘1采用胶接连接或者在制作时 直接成型在一起,第一直线M-M与第二直线N-N相垂直,两个上形状记忆弹簧4与两个 向下凸块3一一对应,两个上形状记忆弹簧4以上圆孔1-1为基准对称设置,从上圆盘1 的仰视看去,每个上形状记忆弹簧4斜向设置在向下凸块3的顺时针一侧,且上形状记忆 弹簧4由上圆盘1的边缘向中心、由第二直线N-N向外侧斜向设置,且上形状记忆弹簧 4与向下凸块3固定连接;

    下换向体B包括下圆盘11、两个下换向体爬行脚22、两个向上凸块33和两个下形 状记忆弹簧44,下圆盘11的中心处设有与上圆孔1-1正对的下圆孔11-1,两个下换向体 爬行脚22沿下圆盘11的第三直线S-S布置且对称设置在下圆盘11的两侧,下换向体爬 行脚22与下圆盘11的水平面呈向下倾斜设置,两个下换向体爬行脚22与下圆盘11采用 胶接连接或者在制作时直接成型在一起,两个下形状记忆弹簧44沿下圆盘11的第四直线 T-T布置且对称设置在下圆孔11-1的两侧,两个向上凸块33与下圆盘11采用胶接连接或 者在制作时直接成型在一起,第四直线T-T与第三直线S-S相垂直,两个下形状记忆弹簧 44与两个向上凸块33一一对应,两个下形状记忆弹簧44以下圆孔11-1为基准对称设置, 从下圆盘11的俯视看去,每个下形状记忆弹簧44斜向设置在向上凸块33的逆时针一侧, 且下形状记忆弹簧44由下圆盘11的边缘向中心、由第四直线T-T向外侧斜向设置,且下 形状记忆弹簧44与向上凸块33固定连接;

    上换向体A与下换向体B上、下设置,且上换向体A上的向下凸块3和下换向体B 上的向上凸块33均朝向里面,第一直线M-M与第三直线S-S之间的锐角β为45°,轴 筒C的下端穿过上圆孔1-1和下圆孔11-1,封头D设置在下圆盘11的下面并与轴筒C固 定连接。上圆盘1的直径与下圆盘11的直径相等,上圆盘1的厚度与下圆盘11的厚度相 等。上圆盘1、下圆盘11、向下凸块3及向上凸块33的尺寸可以根据机器人的具体需求 设计。所述上换向体爬行脚2和下换向体爬行脚22均由电致活性聚合物驱动器构成,其 材质为电致活性聚合物,在电场作用下能够产生变形,且具有响应速度快、变形和驱动力 大的特点。上形状记忆弹簧4和下形状记忆弹簧44的材质均为形状记忆合金或形状记忆 聚合物。

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