基于sma和ssma驅動的軟體機器人的制作方法
【專利摘要】本發明實例提供了一種適用于復雜環境，未知領域的探測工作的，基于SMA、自反饋和SSMA驅動、外部反饋結合、柔性關節和剛體關節配合的軟體機器人系統。所提供的模塊包括：SSMAs驅動單元模塊：通過流過SSMAs中的電流進行控制來控制SSMAs的收縮長度，從而控制機器人的整體伸縮。SMA與SSMA的并聯結構實現了SMA自反饋，SSMA的外部反饋，從而實現對軟體機器人的精確控制；柔性機構模塊：外部3D外殼用于連接機器人前后剛體部分，使該系統具有更好的靈活性和柔性，方彈簧支撐柔性硅膠外殼以提供回復力等動力；腳部SMA驅動模塊，通過對每個腳部結構前后的兩組SMA驅動模塊進行分別控制，實現腳部運動，與其他單元協調完成機器人的運動。
【專利說明】基于SMA和SSMA驅動的軟體機器人
【技術領域】
[0001]本發明是一種基于由形狀記憶性合金(SMA)驅動、自反饋和超彈性合金(SSMA)外部反饋結合、柔性關節和剛體關節配合的軟體機器人系統。屬于特種柔性機器人領域。
【背景技術】
[0002]雖然經過多年發展，機器人在各個領域大顯身手，但現行機器人大多是由金屬等構成的剛體機器人。剛體機器人雖具有很高的運動精度，但在一下方面仍然存在不足:在復雜地形缺乏穩定性、靈活性和環境適應性；在狹窄空間內的通過能力受限；輸出體積比不高；控制上也較復雜。而若借鑒仿生學的一些結構于理論，運用軟體結構，并保證控制精度，則可以避免剛體機器人的以上不足。
[0003]目前，軟體機器人還在探索階段，但其應用前景廣泛。例如:在各種地震海嘯等災難中進行復雜地形的探索及搜救；在醫療手術中任意改變形狀以方便醫生的手術；在反恐及戰爭中對狹窄復雜地形進行情報收集及關鍵部分的控制等等。
[0004]另外，本軟體機器人系統應用SMA合金絲和是SSMA合金絲通電時合金絲會發生形變這一特點來控制機器人運動。由此特測得SMA合金絲和SSMA合金絲的“電阻-形變”曲線，如圖1所示。圖1中兩個圖分別表示了 SMA和SSMA的“電阻-形變”曲線。橫軸表示電阻，縱軸表示相應的合金絲形變值。當SMA或者SSMA合金絲通以脈沖電流，產生的熱量會使得合金絲受熱形變，并且電阻值也發生變化。經過一個加熱和冷卻的過程就產生了上述閉合曲線。上圖曲線參數由直徑為0.038mm的SMA和直徑為0.3mmSSMA測得。
【發明內容】
[0005]具體結構如圖2和3所示:
[0006]本發明的目的是設計一款基于SMA、自反饋和SSMA驅動、外部反饋結合、柔性關節和剛體關節配合的軟體機器人系統。
[0007]首先，該裝置利用兩組SSMAs驅動單元(一根SMA合金絲(標號5)與一根SSMA合金絲(標號6)并聯繞在滑輪桿(標號11)上，兩頭再用微型彈簧(標號3)等部件相耦合的結構叫一組SSMAs驅動單元，該軟體機器人左右兩側共有對稱的兩組SSMAs驅動單元用于對機器人進行控制，如圖5)實現雙向驅動，并通過實驗測得的SSMAs的“電阻-形變”曲線(如圖1)，及電阻反饋和PID控制算法實現對該軟體機器人的精確控制。第二，該機器人采用了柔體機構模塊(由3D打印柔性外殼，和嵌入其內部、兩端焊接在剛性外殼兩端的方彈簧兩部分構成，如圖6)能夠增加該軟體機器人系統的柔性，嵌入其內的方彈簧既能夠支撐軟體硅膠外殼部分，又能夠在運動過程中傳遞動力，將軟體機器人前后有機較好的結合起來。第三，該機器人每個腳部結構裝備了前后兩組SMA驅動單元(由固定在一端的SMA合金絲和另一端的微型彈簧耦合而成，如圖7)。該兩組驅動單元分別供電能夠實現機器人腳部的前后抬起落下，再與SSMAs驅動單元控制的身體“收縮-回復”運動結合，即可完成該軟體機器人的運動。
[0008]如圖3，該軟體機器人包括滑輪桿(標號I)、羊角釘(標號2)、微型彈簧(標號3)、擋塊(標號4)、SMA(標號5)、SSMA (標號6)、陶瓷套筒(標號7)、方彈簧(標號8)、3D打印軟體娃膠外殼(標號9)、PEEK剛體外殼(標號10)、軟體機器人腳部結構(標號11)。
[0009]所述的滑輪桿用于固定SSMAs驅動單元。滑輪桿在機器人內部的分布結構分散，使得SMA合金絲和SSMA合金絲能夠盡量長的分布在機器人內部，增加了系統的靈敏度。
[0010]所述的羊角釘用于固定SSMAs驅動單元兩端的微型彈簧。
[0011]所述的微型彈簧用于連接固定SMA及SSMA的擋塊，防止因以上兩種金屬絲通電時收縮力過大而使金屬絲繃斷，起保護金屬絲的作用。
[0012]所述的擋塊用于保護微型彈簧，防止其超過彈性伸長上限。
[0013]所述的SMA合金絲，具有高溫下收縮，低溫下強度降低易被拉伸的特點，通過電流加熱，用于提供本驅動單元的驅動力。即SMA合金絲通電收縮，提供驅動力。具體結構如圖5。
[0014]所述的SSMA合金絲用于外部反饋將極大提升系統的整體控制精度。主要起傳感作用:當SSMA通電時，合金絲拉伸，其電阻發生變化。由SSMAs的“電阻-形變”曲線，即可求得形變量變化，起到傳感器的作用。具體結構如圖5。
[0015]所述的陶瓷套筒用于當SSMAs驅動單元形變時，減小合金絲與滑輪桿的摩擦力，起到提高精度，防止摩擦過熱，減小能量損失的作用。
[0016]所述的方彈簧用處在于當SSMAs驅動單元通電收縮時，3D軟體硅膠殼收縮導致方彈簧收縮，當SSMAs驅動單元失電時，彈簧起到提供回復力的作用。并且方彈簧也起到支撐柔性硅膠外殼的作用。具體結構如圖6。
[0017]所述的3D打印軟體硅膠殼滿足了該軟體機器人的柔軟，簡潔，智能的要求，為該機器人提供了延展性好的柔性外體。具體結構如圖6。
[0018]所述的PEEK剛體外殼用于保護軟體機器人內部結構，擁有足夠的抗拉強度。
[0019]所述的軟體機器人腳部結構用于協調軟體機器人的身體運動，在每一個腳部結構的前后兩側分別裝以腳部SMA驅動模塊，以實現腳部的前后轉向功能。具體結構如圖7。
[0020]由上述的基于SMA和SSMA驅動的軟體機器人的基本結構，及SSMAs的“電阻-形變”關系曲線，對兩組SSMAs分別進行通斷電控制，就可達到不同SSMAs的收縮程度。柔性機構模塊增加了系統的柔性和靈活性，再配合以腳部的SMA驅動模塊的適當控制，則可實現軟體機器人的行走及轉彎。
[0021]本發明的有益效果是:采用本發明的基于SMA和SSMA驅動的軟體機器人，可以通過流過SSMAs中的電流大小進行控制，進而控制SSMAs的收縮長度，從而控制機器人的整體伸縮。大大增加了系統的柔性和靈活性。使用計算機對電流大小進行實時控制及程序進行程序設計，進而就可以得到預期的機器人運動軌跡，實現了對軟體機器人的精確控制。還可與傳感器耦合，實現對復雜環境，未知領域的探測工作，應用前景極好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為SMA合金絲和SSMA合金絲的“電阻-形變”曲線。
[0023]圖2為本發明基于SMA和SSMA驅動的軟體機器人的結構示意圖。
[0024]圖3為為了便于展示機器人內部結構，去掉左部外殼和腳部結構之后，清晰可見的軟體機器人內部結構圖。
[0025]圖4為SSMAs的繞線方式示意圖。
[0026]圖5為SSMAs驅動單元的示意圖。
[0027]圖6為軟體機器人柔性部分的具體結構示意圖。
[0028]圖7為軟體機器人腳部驅動結構示意圖。
【具體實施方式】
[0029]本軟體機器人采用雙SSMAs驅動單元進行精確控制；軟體機器人的柔性結構模塊由3D打印硅膠殼及結構關節的各種彈簧構成；腳部的SMA驅動模塊能夠實現腳部結構前后驅動。三個模塊共同作用完成軟體機器人的運動。
[0030]SSMAs驅動反饋單元模塊
[0031]如圖4所示為SSMAs驅動反饋單元中合金絲的繞線示意圖。由于滑輪桿分布分散，使得機器人內部可以分布更多的SSMA和SMA合金絲，使系統更加靈敏。
[0032]如圖5所示為SSMAs驅動單元示意圖。該機器人共有兩組對稱的SSMAs驅動單元。一根SMA與一根SSMA并聯在滑輪桿上，兩頭再用微型彈簧等部件相連的結構叫一組SSMAs驅動單元。下面分別介紹SMA合金絲與SSMA合金絲在對機器人驅動控制方面所起到的作用:
[0033]SMA合金絲具有高溫下收縮，低溫下強度降低易被拉伸的特點，通過電流加熱，用于提供本驅動單元的驅動力。即SMA合金絲通電收縮，提供驅動力。
[0034]其機器人具有收縮與恢復兩種運動形態。
[0035]收縮:分別在兩組SSMAs驅動控制單元安裝微型電源，對兩組驅動單元分別進行控制。由于當任意一組SSMAs驅動控制單元中的SMA合金絲有電流流過時，SMA由電流的熱效應而進行一定程度的收縮，電流不同，通電時間不同，則SMA收縮長度則不同，則軟體機器人的收縮形態則不同。再由實驗測得的SSMAs的“電阻-形變”曲線，可知，通過控制電源端的電流大小，通電時間，輕易就可控制合金絲的收縮長度。通以電流時，機器人硅膠外殼部分的合金絲收縮劇烈，方彈簧收縮，硅膠外殼也跟著收縮成下短上長的扇形，進而形成了機器人收縮形態。而SSMA合金絲與SMA組成并聯結構，可以實現外部反饋以實現精確控制。
[0036]回復:對電源進行斷電操作，則SMA由收縮狀態變為原長，方彈簧提供回復力，硅膠外殼迅速回復原長。到此為止，一個“收縮-回復”動作完成，機器人完成了一個基本單位的動作。
[0037]SSMA合金絲用于外部反饋將極大提升系統的整體控制精度。主要起傳感作用:當SSMA通電時，合金絲拉伸，其電阻發生變化。由SSMAs的“電阻-形變”曲線，即可求得形變量變化，起到傳感器的作用。因此，SSMA合金絲與SMA組成的并聯結構，既可以實現對機器人的驅動控制，也可以對該驅動過程進行反饋控制，大大提高了系統精度。
[0038]柔體機構的模塊
[0039]如圖6所示為軟體機器人柔性機構模塊示意圖。該模塊主要由3D打印的軟體硅膠外殼與固定在內部的方彈簧構成。該機器人的中間連接部分采用3D打印制造技術研制柔體部分，使得機器人具有更好的柔軟度和靈活性。另一方面方彈簧的兩頭分別焊接在機器人兩頭的剛性外殼上，內套在3D打印的柔性硅膠外殼內。該設計的好處是不僅能夠使整個機器人的剛性部分與柔性部分緊密集合，由此方彈簧能傳遞回復力等驅動力，而且方彈簧的設計也使得3D打印硅膠外殼當收縮時，能夠按照方彈簧的扇形收縮規則形變，撐起整個機器人，不至于受力坍塌。綜上所述，該軟體機器人柔性機構模塊不僅能夠較好地傳遞動力，也能夠提高其柔軟度和靈活性，并且維持一定的剛性，支撐機器人合理受力。
[0040]腳部驅動模塊
[0041]如圖7所示為軟體機器人腳部驅動模塊結構示意圖。每個腳部結構中共有兩組對稱的SMA驅動單元一根SMA合金絲與微型彈簧相連的結構叫做一組SMA驅動單元。兩組SMA驅動單元分別供電，并且與通過SSMAs驅動單元相協調，即可執行機器人的前進后退等控制動作。
[0042]例如，假設第一組SMA驅動單元在機器人的前方，第二組SMA驅動單元在機器人的后方。則當第一組驅動單元通電時，SMA收縮，SMA拉動彈簧伸長，給了腳部前側一個向上提的力，第二組在機器人后側不通電，則該腳部整體有一個向上提的轉矩，驅動該腳部結構向上運動。相反易知，當第二組在后的SMA驅動單元通電而第一組不通電時，腳部后側整體受到向上提的力，能夠向后運動。綜上所述，該腳部驅動模塊實現了雙向驅動功能。
[0043]由SSMAs驅動模塊和腳部SMA驅動模塊協同通斷電則可實現前進后退轉彎等功倉泛。
[0044]前進:假設每只腳部結構中，面向機器人前方的叫做第一組SMA驅動單元，面向機器人后方的叫做第二組SMA驅動單元。
[0045]前進的動作分一下三步:1.機器人的兩只前腿的第一組SMA驅動單元通電，SMA收縮，帶動兩只前腿向上提。與此同時機器人兩只后腿的第二組SMA驅動單元通電，SMA收縮，帶動兩只后腿向后蹬，由此共同提供向前的驅動力并完成整個機器人的支撐。2.SSMAs驅動單元通電,軟體機器人的柔性硅膠外殼內部的SMA絲收縮，帶動整個軟體機器人收縮，此時前腿第二組驅動單元通電提供蹬地力，后腿向前，使機器人的重心整體前移。3.SSMAs驅動單元斷電，則在硅膠殼內部方彈簧的回復力作用下，機器人身體要回復原長。此時，只需令后腿向后蹬地，前腿向前，則機器人又向前運動并恢復原長。由以上三步，軟體機器人完成了一個向前的運動動作。
[0046]后退:由于該軟體機器人前后對稱，腳部安裝有前后雙向都能驅動的SMA驅動模塊，則可知后退動作與上述前進動作相似，不再贅述。
[0047]轉彎:對兩組SSMAs驅動單元和腳部SMA驅動模塊分別控制，當機器人左右兩側力不同時，即可轉彎。
[0048]通過對兩個SSMAs驅動模塊和腳部SMA驅動模塊進行分別適當的控制，即可完成多個“收縮-回復”和“前進-后退”動作，由此可執行不同的軟體機器人運動姿態。
【權利要求】
1.一種基于SMA、自反饋和SSMA驅動、外部反饋結合、柔性關節和剛體關節配合的軟體機器人系統。其特征在于，所述系統包括:所述的SSMAs驅動單元模塊，用于通過通斷電對SMA收縮進行控制，從而控制軟體機器人系統身體；SSMA起到傳感作用，用于提供外部反饋，當通電時，通過測量該絲電阻即可測量長度變化，從而提高控制精度；所述的柔性機構模塊:3D打印的硅膠殼用于增加系統的柔性和靈活性；嵌在其內的方彈簧用于提供回復力和支撐柔性硅膠殼的，使機器人系統在擁有柔性的同時，也能傳遞力，結構緊湊；所述的腳部SMA驅動模塊:通過對每個腳部前后的SMA絲進行通斷電控制，實現腳部的前后運動，更好的和機器人身體部分適應，實現機器人的各種運動。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，每組SSMAs驅動單元的獨特繞線方式，SMA與SSMA并聯，機器人前后、左右采用對稱結構；SSMAs驅動裝置采用電流的大小及通電時間來分別控制，作為SMA收縮的驅動力。該機器人使用SMA的自反饋，SSMA的外部反饋等進行的精確控制；另外，通過對SSMA的電阻測量即可監測長度變化，SSMA合金絲起到傳感作用。
3.如權利要求1所述的系統，其特征在于，提供回復力和起支撐作用的方彈簧焊接在前后剛體外殼兩端，以配合運動和傳遞力，具有柔性的3D硅膠外殼嵌套在方彈簧外側。
4.如權利要求1所述的系統，其特征在于，該軟體機器人每個腳部有兩組前后對稱的SMA驅動單元。通過對四個腳部結構的不同SMA驅動單元控制，實現腳部前后運動。
5.如權利要求1所述的系統，其特征在于，通過協調對SSMAs驅動模塊和腳部SMA驅動模塊的通電時間，電流大小等操作，巧妙實現軟體機器人前進，后退，轉彎等操作。
【文檔編號】B25J11/00GK104175314SQ201410403563
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】史震云, 劉喆, 袁培江, 陳冬冬 申請人:北京航空航天大學