一种SMA驱动的蛇形臂机器人

本发明属于机器人领域，具体涉及了一种sma驱动的蛇形臂机器人。

背景技术：

1、蛇形机械臂以生物蛇为原型，具有高灵活性、高冗余度、横截面积小等优点，能够在狭小、复杂及高危环境中完成探测、抓取和维修等任务，近年来在航空航天、深海勘探、核工业检修及医疗手术等领域得到了广泛关注。为实现蛇形臂的多关节灵活运动，研究人员发展了电机驱动、绳驱动及智能材料驱动等多种方式。电机驱动控制精度高但质量大、结构复杂；绳驱动虽有利于驱动单元与执行机构分离，但绳索的弹性变形和摩擦迟滞影响响应速度和控制精度。形状记忆合金（shape memory alloy, sma）凭借其独特的形状记忆效应、轻质化和易于电加热驱动等优势，为蛇形臂机器人的驱动提供了新的技术路径。

2、公开号为cn102962850a的中国专利提出了一种sma丝驱动的柔性机械臂机构，采用sma丝以左右折返方式贯穿整个臂体，通过sma丝收缩实现柔性弯曲和伸缩，但sma丝贯穿多个关节导致各关节运动耦合，无法实现逐关节独立精准控制。

3、公开号为cn104942790b的中国专利提出了一种微型软体模块化可重构机器人单元模块，采用四根sma丝作为转向驱动器，实现了模块化设计，但其驱动方式仍为单程sma配合被动元件的架构，反向运动依赖弹簧回弹，响应滞后明显。

4、公开号为cn102072125b的中国专利提出了一种基于单程形状记忆效应的双程线性驱动器，通过两根sma丝交替加热实现双向主动驱动，但其应用场景为独立的线性驱动器，未涉及蛇形臂关节驱动中力传递方向与关节运动方向不一致时的机构设计问题。

5、公开号为cn107433579a的中国专利提出了一种sma驱动的多节仿生尾装置，采用多根sma丝在架盘圆周方向独立控制以实现多自由度摆动，但其sma丝直接牵拉架盘，驱动力的传递方向与关节运动方向之间存在固定夹角，运动过程中驱动力矩的非线性衰减缺乏有效抑制机制。

6、可见，现有sma驱动蛇形臂机器人仍存在以下技术不足：（1）sma丝贯穿多关节导致运动耦合，无法实现单关节独立快速响应；（2）多采用单程sma配合被动复位元件，反向运动响应滞后；（3）驱动装置中弹性元件的力传递方向与关节运动方向存在变化夹角，运动末段缺乏有效的冲击缓冲机制，增加了控制难度与末端冲击风险。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种sma驱动的蛇形臂机器人。核心在于设计一种采用两根sma丝构成对抗式双线程驱动架构的蛇形臂机器人，各关节的驱动单元在物理结构和控制电路上均相互独立，两根sma丝交替工作滑块可沿导轨的往复双向主动运动，无需依赖弹簧回弹，从而实现单关节独立快速响应、反向运动响应迅速以及运动末段形成柔性止动效应，有效减小末端冲击。

2、本发明采用的技术方案是：

3、本发明包括若干个蛇形臂关节和若干个万向节，相邻两个蛇形臂关节之间分别与万向节的两端活动连接，还包括sma外驱装置；每个蛇形臂关节上沿周向等间隔安装有多个sma外驱装置，每个sma外驱装置内部包含有sma丝，所述蛇形臂关节的各个sma外驱装置的sma丝均和位于蛇形臂机器人根部的双层缠线器相连接；每个sma外驱装置通过牵拉方式驱动自身所在蛇形臂关节相对于相邻靠近蛇形臂机器人根部的蛇形臂关节旋转，由各个蛇形臂关节之间的sma外驱装置牵拉控制实现蛇形臂机器人的关节对应弯曲。

4、所述sma外驱装置包括缠线环组件、导轨滑块组件和双层缠线器、偏置弹簧和sma丝；缠线环组件、导轨滑块组件的固定部分和双层缠线器从末端到根端依次固定安装在蛇形臂关节上，导轨滑块组件的滑动部分与缠线环组件通过偏置弹簧弹性连接，导轨滑块组件的滑动部分与双层缠线器通过sma丝线传动连接。

5、所述导轨滑块组件包括导轨滑块固定座、滑块、导轨和定滑轮；所述导轨滑块固定座固定安装于蛇形臂关节侧壁表面上，两条所述导轨分别固定安装于导轨滑块固定座的两侧上；滑块滑动连接安装在两条导轨上形成滑动副；定滑轮固定安装于导轨滑块固定座靠近缠线环组件的一端上；偏置弹簧两端分别固定连接在缠线环组件和滑块之间，两根sma丝均分别连接在滑块和双层缠线器之间。

6、所述两根sma丝分别位于滑块的径向两侧，一根sma丝从双层缠线器出发经导轨滑块固定座一侧直接连接到滑块靠近蛇形臂机器人根端的表面，另一根sma丝从双层缠线器出发经过导轨滑块固定座另一侧后再绕经定滑轮后固定连接到滑块靠近蛇形臂机器人末端的表面。

7、所述双层缠线器固定安装于所述导轨滑块固定座下方，具有两套缠线结构，每套缠线结构均包含一段外螺纹柱和一个惰轮；外螺纹柱与惰轮均套装在固定心轴上，惰轮可绕固定心轴旋转地设置，sma丝一端先绕经惰轮后再绕制到外螺纹柱上并固定。

8、所述缠线环组件包括缠线环固定座和缠线环；所述缠线环固定座固定安装于所述导轨滑块固定座上方；缠线环安装于缠线环固定座上。

9、所述蛇形臂关节包括关节外壳；关节端盖和线路保护罩；所述关节端盖分为关节上端盖和关节下端盖，关节上端盖、关节下端盖分别固定安装在关节外壳的末、根两端开口处；呈空心圆柱状的线路保护罩位于关节外壳内部，线路保护罩的上、下端分别通过螺栓与关节上端盖、关节下端盖固定连接；所述关节端盖中心区域均开设有一个万向节连接槽。

10、每个所述蛇形臂关节上设置有多个外驱装置定位结构；所述外驱装置定位结构包括外驱装置定位槽、外驱装置第一定位孔和外驱装置第二定位孔；沿关节外壳周向等间隔排布的每个所述外驱装置定位结构从末端到根端依次开设有一个外驱装置定位槽、四个外驱装置第一定位孔和一个外驱装置第二定位孔；每个所述蛇形臂关节上还设置有线路导向结构，供电线穿设实现与sma外驱装置电连接。

11、所述sma外驱装置安装在蛇形臂关节的侧壁。

12、每个所述蛇形臂关节上沿周向等90°间隔固定安装有四个所述sma外驱装置。

13、本发明的有益效果是：

14、1、本发明采用分布式关节驱动架构，每个蛇形臂关节的外壳上独立安装四个sma外驱装置，各关节的驱动单元在物理结构和控制电路上均相互独立，实现了逐关节的独立精准控制，显著提升了蛇形臂机器人的运动灵活性和控制精度；每个关节配备四个周向均布的驱动装置，通过选择不同方向的驱动装置组合工作，可实现关节向空间任意方向的弯曲控制，具有良好的运动解耦特性和姿态调节能力。

15、2、本发明采用两根sma丝构成对抗式双线程驱动架构，上层sma丝通电加热驱动滑块正向运动，下层sma丝通电加热驱动滑块快速主动复位，两根sma丝交替工作即可实现滑块沿导轨的往复双向主动运动，无需依赖弹簧回弹，显著缩短了响应时间，提高了驱动效率和控制带宽。

16、3、本发明中偏置弹簧的拉力方向与关节弯曲运动方向之间存在变化夹角，随着弹簧拉伸量增大，该夹角逐渐减小，关节运动末段的驱动力增量趋于平缓，形成柔性止动效应，有效减小了关节运动至极限位置时的末端冲击，降低了对末端冲击的主动控制要求，提高了系统的安全性和容错率。本发明具有逐关节独立控制、响应速度快、运动平稳、安全性高的优点。