基于SMA和SSMA驱动的软体机器人

摘要

本发明实例提供了一种适用于复杂环境，未知领域的探测工作的，基于SMA、自反馈和SSMA驱动、外部反馈结合、柔性关节和刚体关节配合的软体机器人系统。所提供的模块包括：SSMAs驱动单元模块：通过流过SSMAs中的电流进行控制来控制SSMAs的收缩长度，从而控制机器人的整体伸缩。SMA与SSMA的并联结构实现了SMA自反馈，SSMA的外部反馈，从而实现对软体机器人的精确控制；柔性机构模块：外部3D外壳用于连接机器人前后刚体部分，使该系统具有更好的灵活性和柔性，方弹簧支撑柔性硅胶外壳以提供回复力等动力；脚部SMA驱动模块，通过对每个脚部结构前后的两组SMA驱动模块进行分别控制，实现脚部运动，与其他单元协调完成机器人的运动。

说明书

技术领域

本发明是一种基于由形状记忆性合金(SMA)驱动、自反馈和超弹性合金(SSMA)外部反馈结合、柔性关节和刚体关节配合的软体机器人系统。属于特种柔性机器人领域。 

背景技术

虽然经过多年发展，机器人在各个领域大显身手，但现行机器人大多是由金属等构成的刚体机器人。刚体机器人虽具有很高的运动精度，但在一下方面仍然存在不足：在复杂地形缺乏稳定性、灵活性和环境适应性；在狭窄空间内的通过能力受限；输出体积比不高；控制上也较复杂。而若借鉴仿生学的一些结构于理论，运用软体结构，并保证控制精度，则可以避免刚体机器人的以上不足。 

目前，软体机器人还在探索阶段，但其应用前景广泛。例如：在各种地震海啸等灾难中进行复杂地形的探索及搜救；在医疗手术中任意改变形状以方便医生的手术；在反恐及战争中对狭窄复杂地形进行情报收集及关键部分的控制等等。 

另外，本软体机器人系统应用SMA合金丝和是SSMA合金丝通电时合金丝会发生形变这一特点来控制机器人运动。由此特测得SMA合金丝和SSMA合金丝的“电阻-形变”曲线，如图1所示。图1中两个图分别表示了SMA和SSMA的“电阻-形变”曲线。横轴表示电阻，纵轴表示相应的合金丝形变值。当SMA或者SSMA合金丝通以脉冲电流，产生的热量会使得合金丝受热形变，并且电阻值也发生变化。经过一个加热和冷却的过程就产生了上述闭合曲线。上图曲线参数由直径为0.038mm的SMA和直径为0.3mmSSMA测得。 

发明内容

具体结构如图2和3所示： 

本发明的目的是设计一款基于SMA、自反馈和SSMA驱动、外部反馈结合、柔性关节和刚体关节配合的软体机器人系统。 

首先，该装置利用两组SSMAs驱动单元(一根SMA合金丝(标号5)与一根SSMA合金丝(标号6)并联绕在滑轮杆(标号11)上，两头再用微型弹簧(标号3)等部件相耦合的结构叫一组SSMAs驱动单元，该软体机器人左右两侧共有对称的两组SSMAs驱动单元用于对机器人进行控制，如图5)实现双向驱动，并通过实验测得的SSMAs的“电阻-形变” 曲线(如图1)，及电阻反馈和PID控制算法实现对该软体机器人的精确控制。第二，该机器人采用了柔体机构模块(由3D打印柔性外壳，和嵌入其内部、两端焊接在刚性外壳两端的方弹簧两部分构成，如图6)能够增加该软体机器人系统的柔性，嵌入其内的方弹簧既能够支撑软体硅胶外壳部分，又能够在运动过程中传递动力，将软体机器人前后有机较好的结合起来。第三，该机器人每个脚部结构装备了前后两组SMA驱动单元(由固定在一端的SMA合金丝和另一端的微型弹簧耦合而成，如图7)。该两组驱动单元分别供电能够实现机器人脚部的前后抬起落下，再与SSMAs驱动单元控制的身体“收缩-回复”运动结合，即可完成该软体机器人的运动。 

如图3，该软体机器人包括滑轮杆(标号1)、羊角钉(标号2)、微型弹簧(标号3)、挡块(标号4)、SMA(标号5)、SSMA(标号6)、陶瓷套筒(标号7)、方弹簧(标号8)、3D打印软体硅胶外壳(标号9)、PEEK刚体外壳(标号10)、软体机器人脚部结构(标号11)。 

所述的滑轮杆用于固定SSMAs驱动单元。滑轮杆在机器人内部的分布结构分散，使得SMA合金丝和SSMA合金丝能够尽量长的分布在机器人内部，增加了系统的灵敏度。 

所述的羊角钉用于固定SSMAs驱动单元两端的微型弹簧。 

所述的微型弹簧用于连接固定SMA及SSMA的挡块，防止因以上两种金属丝通电时收缩力过大而使金属丝绷断，起保护金属丝的作用。 

所述的挡块用于保护微型弹簧，防止其超过弹性伸长上限。 

所述的SMA合金丝，具有高温下收缩，低温下强度降低易被拉伸的特点，通过电流加热，用于提供本驱动单元的驱动力。即SMA合金丝通电收缩，提供驱动力。具体结构如图5。 

所述的SSMA合金丝用于外部反馈将极大提升系统的整体控制精度。主要起传感作用：当SSMA通电时，合金丝拉伸，其电阻发生变化。由SSMAs的“电阻-形变”曲线，即可求得形变量变化，起到传感器的作用。具体结构如图5。 

所述的陶瓷套筒用于当SSMAs驱动单元形变时，减小合金丝与滑轮杆的摩擦力，起到提高精度，防止摩擦过热，减小能量损失的作用。 

所述的方弹簧用处在于当SSMAs驱动单元通电收缩时，3D软体硅胶壳收缩导致方弹簧收缩，当SSMAs驱动单元失电时，弹簧起到提供回复力的作用。并且方弹簧也起到支撑柔性硅胶外壳的作用。具体结构如图6。 

所述的3D打印软体硅胶壳满足了该软体机器人的柔软，简洁，智能的要求，为该机器人提供了延展性好的柔性外体。具体结构如图6。 

所述的PEEK刚体外壳用于保护软体机器人内部结构，拥有足够的抗拉强度。 

所述的软体机器人脚部结构用于协调软体机器人的身体运动，在每一个脚部结构的前后两侧分别装以脚部SMA驱动模块，以实现脚部的前后转向功能。具体结构如图7。 

由上述的基于SMA和SSMA驱动的软体机器人的基本结构，及SSMAs的“电阻-形变”关系曲线，对两组SSMAs分别进行通断电控制，就可达到不同SSMAs的收缩程度。柔性机构模块增加了系统的柔性和灵活性，再配合以脚部的SMA驱动模块的适当控制，则可实现软体机器人的行走及转弯。 

本发明的有益效果是：采用本发明的基于SMA和SSMA驱动的软体机器人，可以通过流过SSMAs中的电流大小进行控制，进而控制SSMAs的收缩长度，从而控制机器人的整体伸缩。大大增加了系统的柔性和灵活性。使用计算机对电流大小进行实时控制及程序进行程序设计，进而就可以得到预期的机器人运动轨迹，实现了对软体机器人的精确控制。还可与传感器耦合，实现对复杂环境，未知领域的探测工作，应用前景极好。 

附图说明

图1为SMA合金丝和SSMA合金丝的“电阻-形变”曲线。 

图2为本发明基于SMA和SSMA驱动的软体机器人的结构示意图。 

图3为为了便于展示机器人内部结构，去掉左部外壳和脚部结构之后，清晰可见的软体机器人内部结构图。 

图4为SSMAs的绕线方式示意图。 

图5为SSMAs驱动单元的示意图。 

图6为软体机器人柔性部分的具体结构示意图。 

图7为软体机器人脚部驱动结构示意图。 

具体实施方式

本软体机器人采用双SSMAs驱动单元进行精确控制；软体机器人的柔性结构模块由3D打印硅胶壳及结构关节的各种弹簧构成；脚部的SMA驱动模块能够实现脚部结构前后驱动。三个模块共同作用完成软体机器人的运动。 

SSMAs驱动反馈单元模块 

如图4所示为SSMAs驱动反馈单元中合金丝的绕线示意图。由于滑轮杆分布分散，使得机器人内部可以分布更多的SSMA和SMA合金丝，使系统更加灵敏。 

如图5所示为SSMAs驱动单元示意图。该机器人共有两组对称的SSMAs驱动单元。一根 SMA与一根SSMA并联在滑轮杆上，两头再用微型弹簧等部件相连的结构叫一组SSMAs驱动单元。下面分别介绍SMA合金丝与SSMA合金丝在对机器人驱动控制方面所起到的作用： 

SMA合金丝具有高温下收缩，低温下强度降低易被拉伸的特点，通过电流加热，用于提供本驱动单元的驱动力。即SMA合金丝通电收缩，提供驱动力。 

其机器人具有收缩与恢复两种运动形态。 

收缩：分别在两组SSMAs驱动控制单元安装微型电源，对两组驱动单元分别进行控制。由于当任意一组SSMAs驱动控制单元中的SMA合金丝有电流流过时，SMA由电流的热效应而进行一定程度的收缩，电流不同，通电时间不同，则SMA收缩长度则不同，则软体机器人的收缩形态则不同。再由实验测得的SSMAs的“电阻-形变”曲线，可知，通过控制电源端的电流大小，通电时间，轻易就可控制合金丝的收缩长度。通以电流时，机器人硅胶外壳部分的合金丝收缩剧烈，方弹簧收缩，硅胶外壳也跟着收缩成下短上长的扇形，进而形成了机器人收缩形态。而SSMA合金丝与SMA组成并联结构，可以实现外部反馈以实现精确控制。 

回复：对电源进行断电操作，则SMA由收缩状态变为原长，方弹簧提供回复力，硅胶外壳迅速回复原长。到此为止，一个“收缩-回复”动作完成，机器人完成了一个基本单位的动作。 

SSMA合金丝用于外部反馈将极大提升系统的整体控制精度。主要起传感作用：当SSMA通电时，合金丝拉伸，其电阻发生变化。由SSMAs的“电阻-形变”曲线，即可求得形变量变化，起到传感器的作用。因此，SSMA合金丝与SMA组成的并联结构，既可以实现对机器人的驱动控制，也可以对该驱动过程进行反馈控制，大大提高了系统精度。 

柔体机构的模块 

如图6所示为软体机器人柔性机构模块示意图。该模块主要由3D打印的软体硅胶外壳与固定在内部的方弹簧构成。该机器人的中间连接部分采用3D打印制造技术研制柔体部分，使得机器人具有更好的柔软度和灵活性。另一方面方弹簧的两头分别焊接在机器人两头的刚性外壳上，内套在3D打印的柔性硅胶外壳内。该设计的好处是不仅能够使整个机器人的刚性部分与柔性部分紧密集合，由此方弹簧能传递回复力等驱动力，而且方弹簧的设计也使得3D打印硅胶外壳当收缩时，能够按照方弹簧的扇形收缩规则形变，撑起整个机器人，不至于受力坍塌。综上所述，该软体机器人柔性机构模块不仅能够较好地传递动力，也能够提高其柔软度和灵活性，并且维持一定的刚性，支撑机器人合理受力。 

脚部驱动模块 

如图7所示为软体机器人脚部驱动模块结构示意图。每个脚部结构中共有两组对称的SMA 驱动单元一根SMA合金丝与微型弹簧相连的结构叫做一组SMA驱动单元。两组SMA驱动单元分别供电，并且与通过SSMAs驱动单元相协调，即可执行机器人的前进后退等控制动作。 

例如，假设第一组SMA驱动单元在机器人的前方，第二组SMA驱动单元在机器人的后方。则当第一组驱动单元通电时，SMA收缩，SMA拉动弹簧伸长，给了脚部前侧一个向上提的力，第二组在机器人后侧不通电，则该脚部整体有一个向上提的转矩，驱动该脚部结构向上运动。相反易知，当第二组在后的SMA驱动单元通电而第一组不通电时，脚部后侧整体受到向上提的力，能够向后运动。综上所述，该脚部驱动模块实现了双向驱动功能。 

由SSMAs驱动模块和脚部SMA驱动模块协同通断电则可实现前进后退转弯等功能。 

前进：假设每只脚部结构中，面向机器人前方的叫做第一组SMA驱动单元，面向机器人后方的叫做第二组SMA驱动单元。 

前进的动作分一下三步：1.机器人的两只前腿的第一组SMA驱动单元通电，SMA收缩，带动两只前腿向上提。与此同时机器人两只后腿的第二组SMA驱动单元通电,SMA收缩，带动两只后腿向后蹬，由此共同提供向前的驱动力并完成整个机器人的支撑。2.SSMAs驱动单元通电，软体机器人的柔性硅胶外壳内部的SMA丝收缩，带动整个软体机器人收缩，此时前腿第二组驱动单元通电提供蹬地力，后腿向前，使机器人的重心整体前移。3.SSMAs驱动单元断电，则在硅胶壳内部方弹簧的回复力作用下，机器人身体要回复原长。此时，只需令后腿向后蹬地，前腿向前，则机器人又向前运动并恢复原长。由以上三步，软体机器人完成了一个向前的运动动作。 

后退：由于该软体机器人前后对称，脚部安装有前后双向都能驱动的SMA驱动模块，则可知后退动作与上述前进动作相似，不再赘述。 

转弯：对两组SSMAs驱动单元和脚部SMA驱动模块分别控制，当机器人左右两侧力不同时，即可转弯。 

通过对两个SSMAs驱动模块和脚部SMA驱动模块进行分别适当的控制，即可完成多个“收缩-回复”和“前进-后退”动作，由此可执行不同的软体机器人运动姿态。