[发明专利]一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人

说明书

本发明涉及软体机器人的驱动领域，特指一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人。所述形状记忆合金丝驱动的软体爬行机器人在组成软体机器人表皮结构材料内以机器人前进方向为轴线均匀缠绕形状记忆合金丝，导电超弹性材料把表皮结构材料内的形状记忆合金丝和无线收发模块相连接，导电超弹性材料嵌入表皮结构中，表皮结构由具有伸缩变形能力的聚合物弹性材料制成，在软体单胞中放置一个液体空腔；利用形状记忆合金丝通电时发热使马氏体达到相变温度产生收缩动作，断电时形状记忆合金丝冷却恢复到伸长，恢复到初始形状，同时结合聚合物材料的弹性，通过无线收发模块控制不同单胞单元的通断电来实现软体爬行机器人的前进和转弯。

技术领域

本发明涉及软体机器人的驱动领域，具体涉及一种利用形状记忆合金丝作为致动器驱动软体机器人爬行运动。

研究背景

近年来,随着新材料与快速加工制造技术的发展，软体机器人技术已成为机器人技术领域的研究热点。软体机器人主要由柔软的、具有弹性的聚合物制成，因而理论上具有无限多的自由度和连续变形的能力，这将导致软体机器人可以获得无限多的机器人形状，使之能够到达复杂空间结构的每一个点。相比于传统刚性机器人，软体机器人可以通过自身变形顺应障碍物，施加柔软的有效载荷却不产生伤害。在医疗检测、抢险救灾、间谍侦查等众多高精尖领域将具有广阔的应用前景。

目前,软体机器人研究主要借助于智能材料(如超弹性硅橡胶材料、形状记忆合金、电活性聚合物DEA等)和新型驱动技术(如气动、液压、磁流变、电致伸缩等),开发具有充分柔顺性、适应性、超冗余性的软体机器人。上海交通大学机器人所设计了一种仿尺蠖蠕动球型模块化软体机器人，通过球型模块的依次膨胀和收缩，以及摩擦腹足的交替及附和撤离，实现在粗糙面上的蠕动前进，但此结构采用气体驱动需要外置空气压缩泵和复杂的管路，而且它只能在一定的范围内运动。哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室所设计的形状记忆合金丝驱动的仿生喷射推进器通过模仿乌贼的运动方式制成在水中运动的仿生乌贼机器人，具有结构简单噪音小等优点，但其在地面上无法运动。申请号为201610705682.5的中国专利申请公开了一种基于形态记忆合金驱动的软体机器人，通过形状记忆合金丝的通断电所带来的伸缩变化控制四个足的运动，但其主体结构无法自主变形，且采用在主体结构正上方开孔散热的方式，无法使形态记忆合金丝充分暴露在空气中得到有效快速散热，机动性差，动作连续性差。申请号为201710627578.3的中国专利申请公开了一种电磁驱动的软体爬行机器人，但电磁力的大小随相邻电磁铁单元的距离增大衰减过快，同一个软体单胞内的两个电磁铁距离5mm时，需要加大电流才能满足腔体结构变形对力的要求；同一个软体单胞内的两个电磁铁距离超过10mm时，为满足腔体变形对力的要求，所施加的电流已经大大超过电磁铁的额定电流，造成电磁铁发热过多，对电路影响较大，且难以实现持续连贯的动作；同一个软体单胞内的两个电磁铁之间的作用力随距离的减小而快速增大，对机器人整体会产生较大的冲击，不利于整体的稳定工作。

发明内容

为了解决现有软体机器人中存在刚性单元、致动器致动距离的限制、形状记忆合金丝的散热以及陆地适应性等问题，在申请号为201710627578.3的中国专利申请的基础上，本发明利用其软体单胞、头部控制系统等主体结构，提供了一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人，用形状记忆合金丝替代电磁铁，增加聚合物伸缩连通导管增大整体的变形量，采用水冷的方式基本实现了全软体机器人这一概念，并能实现动作连续这一要求。