四足仿生昆蟲機器人的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了四足仿生昆蟲機器人,屬于仿生學【技術領域】，包括軀干骨架、仿生肢節、驅動機構、控制系統，驅動機構包括四組形狀記憶合金彈簧，每組形狀記憶合金彈簧由第一彈簧、第二彈簧、第三彈簧及第四彈簧組成，每根形狀記憶合金彈簧的兩端分別連接設置導線，每根導線的另一端與控制系統連接。本實用新型通過將形狀記憶合金彈簧作為驅動元件，簡化了驅動機構、性能穩定、造價低、動作柔軟，驅動電壓低，無污染和噪音，符合仿生的概念；連接機構保證了仿生肢節前后左右動作的自由度。該實用新型結構精簡、加工、組裝方便，整體質量較輕，多狀記憶合金彈簧驅動，易于步態規劃，容易實現四足仿生昆蟲機器人的不行平穩、協調、可靠運行。
【專利說明】四足仿生昆蟲機器人
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于仿生學【技術領域】，具體涉及一種由形狀記憶合金彈簧驅動的四足仿生昆蟲機器人。
【背景技術】
[0002]機器人技術是一門交叉學科，涉及力學、機械學、電子學、生物學、計算機、人工智能、系統工程學等學科知識，仿生機器人是國內外機器人研究熱點，近年來，相關研究取得了長足進步，比如2012年春晚就表演了栩栩如生的機器人舞蹈，日本、法國等國科學家和工程師更是推出了具有一定智能的機器人，我國學者也對復輔助機器人、救援機器人、仿生昆蟲等展開研究。但這些機器人大都基于電機驅動，結構設計較為復雜、笨重、制作成本高、較難控制，并且在人機界面、柔順性等方面，與人體、生物具有較大差距。形狀記憶合金(Shape Memory Alloy, SMA)是近幾十年來發現的一種新型功能材料,具有形狀記憶效應。形狀記憶合金作為集傳感、驅動和執行功能于一體的新型材料，具有重量輕便、結構簡單、無噪音、易于控制等特點。常見的形狀記憶合金執行器包含SMA絲、SMA彈簧等，其中SMA彈簧相比SMA絲具有變形小，響應速度快等優點。
[0003]自世界上第一臺機器人誕生以來，機器人經歷了示教再現、具備一定感知功能和智能化三個階段。目前，機器人在工業生產中已經得到廣泛地應用，這些機器人大多屬于位置固定機器人，如焊接、噴漆機器人，這類機器人位置移動范圍有限，只能在結構化環境中開展活動。隨時技術的發展，各種應用的需要，出現了移動機器人，如自動導向車、足球機器人及各種類足式機器人等。目前，地面移動機器人的運動方式有輪式、履帶式、足式、蠕動式等，其中應用較多的有輪式、履帶式、足式機器人。輪式機器人在平坦的硬質地面上運動具有履帶式和足式機器人無法比擬的優點，在目前的移動機器人中應用最多。履帶式機器人最大的優點是野外作業能力強，它能夠在崎嶇不平的地形表面上行走，可以在建筑物里執行搜救任務、投擲手榴彈等。輪式、履帶式機器人都存在運動方式單一，無法實現對機器人姿態控制的缺陷。
實用新型內容
[0004]針對現有技術中存在的問題，本實用新型的目的在于在提供一種四足仿生昆蟲機器人。
[0005]本實用新型通過以下技術方案加以實現:
[0006]所述的四足仿生昆蟲機器人，包括軀干骨架、仿生肢節、驅動機構、控制系統，其特征在于所述驅動機構包括四組用于驅動仿生肢節的形狀記憶合金彈簧，每組形狀記憶合金彈簧由第一彈簧、第二彈簧、第三彈簧及第四彈簧組成，每根形狀記憶合金彈簧的兩端分別連接設置導線，每根導線的另一端與控制系統連接。
[0007]所述的四足仿生昆蟲機器人，其特征在于所述軀干骨架包括蟲身、連接機構及彈簧固定機構，所述連接機構及彈簧固定機構插接設置在蟲身上。[0008]所述的四足仿生昆蟲機器人，其特征在于所述連接機構有四個，且對稱穿插設置在蟲身的兩側。
[0009]所述的四足仿生昆蟲機器人，其特征在于所述連接機構呈I型，包括水平軸、豎直軸及短軸，所述豎直軸的一端通過三通管4連接設置在水平軸的中部，在水平軸的兩端分別設置有三通管8，在豎直軸的另一端通過三通管連接短軸，所述短軸與仿生肢節的一端配合連接。
[0010]所述的一種四足仿生昆蟲機器人，其特征在于所述仿生肢節與連接機構相連的一端設置有中空連接件，所述連接件上對稱設置與三通管配合使用的插接孔。
[0011]所述的四足仿生昆蟲機器人，其特征在于所述彈簧固定機構包括四根長支架及四根短支架，所述長支架和短支架對稱分布在蟲身上，長支架對稱插接設置在蟲身的兩側，短支架插接設置在蟲身的中部，每根長支架和短支架上均設置有小孔。
[0012]所述的四足仿生昆蟲機器人，其特征在于所述仿生肢節有四個，蟲身前面兩個仿生肢節為前足，向前彎，蟲身后面兩個仿生肢節為后足，向后彎，每個仿生肢節的上端和下端分別設置有連接孔。
[0013]所述的四足仿生昆蟲機器人，其特征在于所述控制系統為16路繼電器控制板，所述16路繼電器控制板通過串口與電腦相連。
[0014]所述的四足仿生昆蟲機器人，其特征在于每組形狀記憶合金彈簧的各個彈簧的兩端分別通過釣魚繩與仿生肢節及軀干骨架相連。
[0015]本實用新型模擬昆蟲的結構和關節驅動方式，提出采用3嫩彈簧驅動的四足仿生昆蟲機器人。設計了四足仿生昆蟲機械結構，提出控制方法。足式機器人最大的優點是對路況要求不高，在不連續的地形條件下具有很大優勢，運動靈活，適應復雜地形的能力強，四足機器人與雙足機器人相比具有更好的穩定性和承載能力，與六足、八足機器人相比機構
更簡單。
[0016]本實用新型四足仿生昆蟲機器人，整體結構簡單，設計合理，通過將形狀記憶合金彈簧作為驅動元件，簡化了驅動機構、性能穩定、輕便、造價低、動作柔軟，在驅動的過程中驅動電壓低，無污染和噪音，提高了機器人對環境的適應性，符合仿生的概念；連接機構的設置保證了仿生肢節前后左右動作的自由度；仿生肢節采用前足向前彎，后足向后彎的方式設置，可增大落足所構多邊形的面積，有利于增加機器人的穩定性。該實用新型結構精簡、加工、組裝方便，整體質量較輕，多狀記憶合金彈簧驅動，易于步態規劃，容易實現四足仿生昆蟲機器人的步行平穩、協調、可靠運行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型四足仿生昆蟲機器人的結構示意圖；
[0018]圖2為連接機構結構示意圖；
[0019]圖3為仿生肢節結構示意圖；
[0020]圖中:1-仿生肢節，2-第一彈簧，3-第二彈簧，4-第三彈簧，5-第四彈簧，6-蟲身，
7-連接機構，71-水平軸，72-豎直軸，73-短軸，74-三通管八，75-三通管8，76-三通管0，
8-連接件，9-插接孔，10-長支架，11-短支架，12-小孔，13-連接孔，14-釣魚繩。【具體實施方式】
[0021]以下結合說明書附圖對本實用新型作進一步詳細說明，并給出【具體實施方式】。
[0022]如圖1所示，本實用新型四足仿生昆蟲機器人，包括軀干骨架、仿生肢節1、驅動機構、控制系統，驅動機構包括四組用于驅動仿生肢節的形狀記憶合金彈簧，每組形狀記憶合金彈簧由第一彈簧2、第二彈簧3、第三彈簧4及第四彈簧5組成，每根形狀記憶合金彈簧的兩端分別連接設置導線及釣魚線14，每根導線的另一端與控制系統連接，釣魚線14的另一端與軀干骨架相連。軀干骨架為機器人的支撐結構，包括蟲身6、連接機構7及彈簧固定機構，連接機構7及彈簧固定機構插接設置在蟲身6上；仿生肢節I為機器人的四足，蟲身前面兩個仿生肢節為前足，向前彎，蟲身后面兩個仿生肢節為后足，向后彎，每個仿生肢節I的上端和下端分別設置有連接孔13，仿生肢節I由驅動機構即四組形狀記憶合金彈簧分別控制，驅動機器人的前進，其中連接機構7有四個，且對稱穿插設置在蟲身6的兩側，彈簧固定機構包括四根長支架10及四根短支架11，長支架10左右對稱插接設置在蟲身6的兩側，短支架11插接設置在蟲身6的中部，其中長支架10尺寸為5X5X 150mm，并打有Φ2小孔，蟲身上方長支架高度為80mm ;短支架11尺寸為5 X 5 X 30mm，且蟲身上方突出25mm，同時打有Φ2小孔，長支架10左右距離55mm，前后距離90mm ;控制系統為16路繼電器控制板，16路繼電器控制板通過串口與電腦相連。每個仿生肢節I由四根彈簧驅動，其連接關系為，第一彈簧2的兩端分別通過釣魚線14與仿生肢節I的上端連接孔13及長支架10的上端小孔12相連，第二彈簧3的兩端分別通過釣魚線14與短支架11上的小孔12及連接機構7的水平軸71的一端相連，第三彈簧4的兩端分別通過釣魚線14與仿生肢節I的下端連接孔13及長支架10下端小孔12相連，第四彈簧5的兩端分別通過釣魚線14與短支架11上端小孔及連接機構7的水平軸71的另一端相連。
[0023]本實用新型四個仿生肢節I即四足相對于蟲身6成左右對稱的分布形式，前后兩足相對于蟲身6形成前后對稱分布，每條仿生肢節I的結構型式及參數相同，采用外膝肘式布置形式(前足向前彎，后腿向后彎)。該布置形式可增大落足所構多邊形的面積，有利于增加昆蟲的穩定性。每只仿生肢節I由四根彈簧與蟲身連接，彈簧兩端需要物理連接和電路連接，物理連接是為了彈簧收縮受力需要，從而產生位移；電路連接是為了方便給彈簧兩端通電加熱，故彈簧兩端的連接為接線插頭，物理連接采用強度好的釣魚線14。具有該結構的四足步行昆蟲，在靜態步行時總是具有4自由度，能夠滿足步行平臺實現全方位步態和調整昆蟲體姿勢的要求。
[0024]如圖2所示，連接機構7呈T型，包括水平軸71、豎直軸72和短軸73，豎直軸72的一端通過三通管A74連接設置在水平軸71的中部，在水平軸71的兩端分別設置有三通管B75，在豎直軸72的另一端通過三通管C76連接設置短軸73，短軸73與仿生肢節I的一端配合連接。其工作過程為，水平面中，以豎直軸72為中心轉動，帶動腿部機構水平轉動；豎直平面中，以短軸73為中心，帶動腿部機構轉動。
[0025]如圖3所述，仿生肢節I與連接機構7相連的一端設置有中空連接件8，連接件8上對稱設置與三通管C76配合使用的插接孔9，其中仿生肢節I上端設置有9個連接孔，下端設置有3個連接孔。
[0026]本實用新型蟲身6的尺寸大小設定為120 X 200 X 5mm，且蟲身成左右對稱，左右仿生肢節的間距為90mm,前仿生肢節距頭部最前端55mm,前后仿生肢節中心距90mm。采用該過將連接圈插接設置在連接孔9內，完成連方打有02X9個的小孔，下方打有02X3
由4個形狀記憶合金彈簧控制，四只仿生肢電后，彈簧受熱而收縮產生驅動力，16個彈方生肢節的驅動原理相同，左前仿生肢節的枚縮，帶動左前仿生肢節抬起離開地面；第幾構水平軸順時針轉動，從而驅動抬起的左春三彈簧收縮，帶動左前仿生肢節抓緊地面收縮，帶動連接機構的水平軸逆時針轉動，4蟲身向前爬行，其余三只仿生肢節驅動原攔肢節，右后仿生肢節，右前仿生肢節，左后穩定性最好。
【權利要求】
1.四足仿生昆蟲機器人，包括軀干骨架、仿生肢節(I)、驅動機構、控制系統，其特征在于所述驅動機構包括四組用于驅動仿生肢節的形狀記憶合金彈簧，每組形狀記憶合金彈簧由第一彈簧(2)、第二彈簧(3)、第三彈簧(4)及第四彈簧(5)組成，每根形狀記憶合金彈簧的兩端分別連接設置導線，每根導線的另一端與控制系統連接；所述軀干骨架包括蟲身(6)、連接機構(7)及彈簧固定機構，所述連接機構(7)及彈簧固定機構插接設置在蟲身(6)上；所述連接機構(7)呈T型，包括水平軸(71)、豎直軸(72)及短軸(73)，所述豎直軸(72)的一端通過三通管A (74)連接設置在水平軸(71)的中部，在水平軸(71)的兩端分別設置有三通管B (75)，在豎直軸(72)的另一端通過三通管C (76)連接短軸(73)，所述短軸(73)與仿生肢節的(I) 一端配合連接；所述仿生肢節(I)有四個，蟲身(6)前面兩個仿生肢節為前足，向前彎，蟲身后面兩個仿生肢節為后足，向后彎，每個仿生肢節(I)的上端和下端分別設置有連接孔(13)。
2.根據權利要求1所述的四足仿生昆蟲機器人，其特征在于所述連接機構(7)有四個，且對稱穿插設置在蟲身(6)的兩側。
3.根據權利要求1所述的一種四足仿生昆蟲機器人，其特征在于所述仿生肢節(I)與連接機構(7)相連的一端設置有中空連接件(8)，所述連接件(8)上對稱設置與三通管C(76)配合使用的插接孔(9)。
4.根據權利要求1所述的四足仿生昆蟲機器人，其特征在于所述彈簧固定機構包括四根長支架(10)及四根短支架(11)，所述長支架(10)和短支架(11)對稱分布在蟲身(6)上，長支架(11)對稱插接設置在蟲身(6)的兩側，短支架(11)插接設置在蟲身(6)的中部，每根長支架(10)和短支架(11)上均設置有小孔(12)。
5.根據權利要求1所述的四足仿生昆蟲機器人，其特征在于所述控制系統為16路繼電器控制板，所述16路繼電器控制板通過串口與電腦相連。
6.根據權利要求1所述的四足仿生昆蟲機器人，其特征在于每組形狀記憶合金彈簧的各個彈簧的兩端分別通過釣魚繩(14)與仿生肢節(I)及軀干骨架相連。
【文檔編號】B62D57/032GK203623809SQ201320458623
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年7月30日 優先權日:2013年7月30日
【發明者】應申舜, 計時鳴, 劉儉峰, 秦現生, 艾青林 申請人:浙江工業大學