專利名稱：具有全方位角度反饋的柔性脊椎的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器人技術領域，尤其涉及一種具有全方位角度反饋的柔性脊椎。
背景技術：
近年來，仿生機器人技術得到了迅速的發展，國內外學者通過模擬自然界生物的生理及其運動機理，已經研制出一批令人振奮的仿生機器人。從美國波士頓動力公司研制的可快速奔跑的“BigDog”和“Cheetah”四足機器人，到可快速穩定行走的“Petman”雙足仿人機器人，從德國FESTO公司研制的“大象鼻”，到可自由飛翔的“Smart Bird”等，這些仿生技術應用于機器人上提高機器人運動的靈活性和柔韌性，提高了機器人適應自然界環境的適應性，也使得運動的效率得到了大幅提升。脊椎是動物生理構造的重要部分，脊椎不僅保護了動物的中樞神經系統，也增強·了動物運動的靈活性和柔順性。比如，狗和豹子需要通過脊椎的彎曲和伸展實現快速的奔跑；壁虎需要依靠脊椎實現在平面內的靈活轉向；人類需要依靠脊椎實現各種各樣的動作和姿態，同時還具有保持平衡的作用。此外，脊椎在動物活動中還能夠起到緩減震動的作用。因此，如何將脊椎應用到機器人中已經成為一個重要的研究課題。目前為止，日本東京大學已研制的脊椎已應用在仿人機器人上，該脊椎的脊椎骨由一系列三自由度的球關節組成，相鄰脊椎骨間由彈性硅膠制成錐盤，并用張力彈簧模擬“韌帶”，并配有多個張力傳感器，最終由40個電機來驅動該脊椎。這種設計方式盡管提高了機器人運動的靈活性，擴大了機器人的運動范圍，也增強了機器人與人交互的安全性，但是整體設計采用了大量電機和傳感器，增加了開發的成本和風險。另外，MIT的KarlFrederick Leeser通過仿真分析了脊椎在四足機器人的運動特性，Utku Culha和UlucSaranlip將脊椎簡化成一個剛性轉動關節分析了在四足機器人奔跑中的特性。目前，國內對機器人脊椎的研究尚且空白。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供了一種具有全方位角度反饋的柔性脊椎，本發明通過記憶合金材料SMA代替傳統的電機驅動，以降低設計成本和設計空間的要求，提高機器人全方位運動的靈活性，提高機器人對環境的適應性。本發明為解決上述問題所采用的技術方案是一種具有全方位角度反饋的柔性脊椎，它主要包括脊椎、底座和若干驅動反饋單元；其中，底座部分包括底板和固定在底板中心的基座等，脊椎部分包括柔性脊椎體、脊椎環、頂部法蘭和底部法蘭等，柔性脊椎體的一端固定頂部法蘭，另一端固定底部法蘭，底部法蘭固定在基座的中心孔上，柔性脊椎體外圓周沿軸線方向均勻固定若干脊椎環；驅動反饋單元沿圓周均勻布置在底座上，每個驅動反饋單元包括一個位移傳感器、一個拉緊器和一根SMA絲；位移傳感器固定在底板上，它的位移線穿過基座側邊的光孔后進入基座的中心孔；拉緊器固定在基座上，SMA絲一端固定在拉緊器上，通過基座側邊的光孔進入基座的中心孔，纏繞壓底螺釘后與位移線一起依次穿過底部法蘭，脊椎環和頂部法蘭的圓周孔后，固定在頂部法蘭上。本發明的有益效果是，本發明中采用了形狀記憶合金合金SMA絲作為脊椎的驅動，這種材料能夠進行壓縮和伸展，形變幅度高達8%，通電即可改變其形態，且能產生很大的回復力，相比于傳統的驅動，該驅動體積小而簡潔，其特殊性質使其在機器人領域中具備較大的潛力，沿圓周均勻布置的SMA絲使得柔性脊椎體具備了全方位的運動能力，通過引出位移傳感器的位移線，可以實時檢測和控制柔性脊椎體轉動的角度，另外，柔性脊椎體選用了柔性的材料，且加工成空心結構，使得在SMA絲驅動下，柔性脊椎體可全方位復合運動，且方便SMA絲供電電源的走線；固定SMA絲的拉緊器不僅可以調節柔性脊椎體的初始角度，而且可以通過調節SMA絲的松緊程度改變整個柔性脊椎體的轉動角度范圍。本發明采用的SMA絲材料作為機器人的驅動，使機器人具備了柔順性，結構更加緊湊，設計更加靈活，改變了以往的驅動設計模式，適合應用于機器人領域。
圖I是本發明的柔性脊椎的立體圖；
圖2是本發明的柔性脊椎的頂部安裝 圖3是本發明的柔性脊椎的底部安裝 圖4是本發明的拉緊器示意 圖中，柔性脊椎體I、脊椎環2、SMA絲3、位移線4、壓頂螺釘5、壓頂螺釘6、頂部法蘭7、底部法蘭8、基座9、螺釘10、底板11、位移傳感器12、螺釘13、拉緊器14、調節旋鈕15、轉動軸16、螺釘17、壓底螺釘18。
具體實施例方式以下結合附圖進一步說明本發明，本發明的目的和效果將變得更加明顯。如圖1-3所示，本發明一種具有全方位角度反饋的柔性脊椎，它主要包括脊椎、底座和若干驅動反饋單元；其中，底座部分包括底板11和固定在底板中心的基座9等，脊椎部分包括柔性脊椎體I、脊椎環2、頂部法蘭7和底部法蘭8等，柔性脊椎體I的一端固定頂部法蘭7，另一端固定底部法蘭8，底部法蘭8由螺釘10固定在基座9的中心孔上，柔性脊椎體I選用柔性的材料，并且加工成空心的形態，使得在拉力作用下，可實現全方位的復合運動，柔性脊椎體I外圓周沿軸線方向均勻固定有若干脊椎環2;驅動反饋單元沿圓周均勻布置在底座上，每個驅動反饋單元包括一個位移傳感器12、一個拉緊器14和一根SMA絲3 ;位移傳感器12通過螺釘13固定在底板上，它的位移線4穿過基座9側邊的光孔后進入基座9的中心孔；拉緊器14通過螺釘17固定在基座11上，拉緊器14包括調節旋鈕15和轉動軸16，通過調節旋鈕15，可以使轉動軸16轉動，SMA絲3—端固定在拉緊器14上，通過基座9側邊的光孔進入基座9的中心孔，纏繞壓底螺釘18后與位移線4 一起依次穿過底部法蘭8，脊椎環2和頂部法蘭7的圓周孔后，分別通過壓頂螺釘6和螺釘5固定在頂部法蘭7上，SMA絲3和位移線4均與柔性脊椎體的中心軸線平行。本發明中的SMA絲3可由鎳鈦合金、銅鎳合金、銅鋁合金、銅鋅合金或其他為該領域人員所熟知的記憶合金材料制成。SMA絲3具有單程記憶效應，其相變溫度可根據實際需要通過調節形狀記憶合金材料的合成成分實現。所謂單程記憶效應，指的是當元件溫度低于制定相變溫度時，呈現柔軟松弛狀態，但是當元件溫度高于相變溫度時，它能自動恢復其 原有幾何形狀。在本發明中，該原有幾何形狀表現為SMA絲3收縮并伴隨力的輸出。
權利要求
1.一種具有全方位角度反饋的柔性脊椎，其特征在于，包括脊椎、底座和若干驅動反饋單元；其中，底座部分包括底板(11)和固定在底板中心的基座(9)等，脊椎部分包括柔性脊椎體(I)、脊椎環(2)、頂部法蘭(7)和底部法蘭(8)等，柔性脊椎體(I)的一端固定頂部法蘭(7)，另一端固定底部法蘭(8)，底部法蘭(8)固定在基座(9)的中心孔上，柔性脊椎體(I)夕卜圓周沿軸線方向均勻固定若干脊椎環(2);驅動反饋單元沿圓周均勻布置在底座上，每個驅動反饋單元包括一個位移傳感器(12)、一個拉緊器(14)和一根SMA絲(3);位移傳感器(12)固定在底板上，它的位移線(4)穿過基座(9)側邊的光孔后進入基座(9)的中心孔；拉緊器(14)固定在基座(11)上，SMA絲(3) —端固定在拉緊器(14)上，通過基座(9)側邊的光孔進入基座(9)的中心孔，纏繞壓底螺釘(18)后與位移線(4) 一起依次穿過底部法蘭(8)，脊椎環(2 )和頂部法蘭(7 )的圓周孔后，固定在頂部法蘭(7 )上。
2.根據權利要求I所述具有全方位角度反饋的柔性脊椎，其特征在于，所述拉緊器(14)包括調節旋鈕(15)和轉動軸(16)，通過調節旋鈕(15)，可以使轉動軸(16)帶著SMA絲(3)轉動。
3.根據權利要求I所述具有全方位角度反饋的柔性脊椎，其特征在于，所述柔性脊椎體(I)選用柔性的材料，并且加工成空心的形態，使得在SMA絲(3)驅動下，柔性脊椎體(I)可全方位復合運動。
全文摘要
本發明公開了一種具有全方位角度反饋的柔性脊椎，本發明中主要包括脊椎、底座和若干驅動反饋單元；脊椎部分包括柔性脊椎體、脊椎環、頂部法蘭和底部法蘭，柔性脊椎體的一端固定頂部法蘭，另一端固定底部法蘭，底部法蘭固定在底座上；驅動反饋單元均勻布置在底座上，由位移傳感器、拉緊器和SMA絲組成；SMA絲一端固定在拉緊器上，并與位移線一起依次穿過底部法蘭，脊椎環和頂部法蘭的圓周孔后，固定在頂部法蘭上。通過調節拉緊器的松緊可以調節柔性脊椎體的初始角度和可控的角度范圍。本發明中采用SMA絲作為柔性脊椎的驅動，降低了設計成本，節省了空間，有助于提高機器人全方位運動的靈活性，提高機器人對環境的適應性。
文檔編號B25J11/00GK102896633SQ20121036994
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者朱秋國, 王世全, 熊蓉, 褚健 申請人:浙江大學