尺蠖式仿生微型机器人的结构和致动机理研究.pdf

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1、尺蠖式仿生微型机器人的结构和致动机理研究一李宇鹏孙洪胜单彦霞尺蠖式仿生微型机器人的结构和致动机理研究李宇鹏孙洪胜单彦霞燕山大学，秦皇岛，066004摘要：提出并设计了一种新型偏动式双程SMA驱动器，以此驱动器为基础研发出一种靠交替摩擦自锁方式行走的尺蠖运动式仿生微型机器人。提出一种四杆机构无关节新型腿，这种新型腿可以有效改变SMA驱动器输出力的方向。分析了四杆机构新型腿的摩擦自锁机理，并求解出腿实现摩擦自锁的条件，使微型机器人能可靠地实现摩擦自锁作用下的稳步行进。阐述了新型微型机器人的定向运动机理，对

2、微型机器人的尺蠖式收缩和伸张运动规律、步幅、频率等进行了分析及求解。关键词：仿生微型机器人；SMA驱动器；尺蠖运动；四杆机构腿；摩擦自锁中图分类号：TH12DOI：10．3969／j．issn．1004—132X．2012．12．008ResearchonStructureandDrivingPrinciplesofInchworm—likeBionicMicro—robotLiYupengSunHongshengShanYanxiaYanshanUnivesity。Qinhuangdao，Hebei

3、，066004Abstract：Anewbiastwo—strokeSMAmicro—driverwasputforward，afour—leggedbionicmi—cro—robotwhichmovedlikeaninchwormwasdesignedinthefoundationoftheactuator．Anewbion—iCfootbasedonafour～linkagemechanismwasadvanced，theoutputforcedirectionofthemicro—driver

4、W3Schangedbyusingthenewfeet．Thefrictionse1f—lockingprincipleofthenewfeetwasana—lyzedandconditionsforfrictionse1f—lockingofthenewmicro—feetwasobtained，theforwardmove—meritofthemicro～robotwasachievedreliably．Thedrivingprincipleofinchwormbionic-robotwasexp

5、ounded．Themotionregularandstepandfrequencyofinchworm～robotwereanalyzed．Keywords：bionicmicro—robot；SMAmicro—actuator；inchworm—motion；four—linkagemecha—nismfoot：frictionself—locking0引言60SiMn弹性弧杆做偏置元件，它与SMA主驱微型机器人能进入人类和宏观机器人所不能动弹簧构成偏动式双程SMA微型驱动器。SMA及的空间内进行

6、检修、装配、运输等作业，具有广阔的应用前景。开展仿生微型机器人的运动机56理、控制原理、驱动能源等方面的研究，开发不同78驱动机理、不同结构的仿生微型机器人具有重要910意义。1112131415尺蠖是一种以屈伸步态移动的软体动物。本文根据SMA驱动方式的特点提出并设计了一种新型偏动式双程SMA微型驱动器，以此驱动器为基础研发出了一种新型尺蠖式仿生微型机器人，在该机器人中首次提出用四杆机构与SMA1，1O．刚性脚2，9．SMA脚弹簧3，8．四杆机构4，7．普通弹簧5．弹性弧杆6．SMA主驱动弹簧弹簧构

7、成一种靠交替摩擦自锁方式行走的新型腿1l，l2．横梁l3．躯干体14．双层硅板15．微机械手来替代关节型腿，这种四杆机构腿能有效改变微(a)用于基本功能部件说明的二维图型驱动器输出力方向，也能通过改变其各杆的比例来改变步幅的大小。在我们所能查阅的资料和所掌握的综合行业信息中，尚没发现与本文结构相同的SMA尺蠖机器人，特别是没发现用四杆机构作为行走腿的微型机器人。机器人基本结构和运动机理微型机器人结构见图1⋯，用矩形截面的(b)可用于行为仿真的三维结构图收稿日期：2011O4～O2图1尺蠖式微型机器人基

8、本结构·1423·中国机械工程第23卷第12期2012年6月下半月主弹簧在通电加热过程中收缩，当SMA弹簧变示SMA弹簧6和弹性杆弧5的输出位移。为奥氏体状态时屈服应力最大，驱动器处于高温2主要部件的结构及工作原理力平衡态。SMA主弹簧在断电冷却过程中复原，弹性弧杆提供回复力，SMA主弹簧变为马氏体状2．1机械手结构及工作原理态时屈服应力最小。表1列出了该机器人一个运文献[2]研究了一种悬臂梁式电热微机械手，动周期内各元件的加热时序]，其中，A表示加热本