专利名称：一种具有全方位角度反馈的柔性脊椎的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机器人技术领域，尤其涉及一种具有全方位角度反馈的柔性脊椎。
背景技术：
近年来，仿生机器人技术得到了迅速的发展，国内外学者通过模拟自然界生物的生理及其运动机理，已经研制出一批令人振奋的仿生机器人。从美国波士顿动力公司研制的可快速奔跑的“BigDog”和“Cheetah”四足机器人，到可快速稳定行走的“Petman”双足仿人机器人，从德国FESTO公司研制的“大象鼻”，到可自由飞翔的“Smart Bird”等，这些仿生技术应用于机器人上提高机器人运动的灵活性和柔韧性，提高了机器人适应自然界环境的适应性，也使得运动的效率得到了大幅提升。脊椎是动物生理构造的重要部分，脊椎不仅保护了动物的中枢神经系统，也增强了动物运动的灵活性和柔顺性。比如，狗和豹子需要通过脊椎的弯曲和伸展实现快速的奔跑；壁虎需要依靠脊椎实现在平面内的灵活转向；人类需要依靠脊椎实现各种各样的动作和姿态，同时还具有保持平衡的作用。此外，脊椎在动物活动中还能够起到缓减震动的作用。因此，如何将脊椎应用到机器人中已经成为一个重要的研究课题。目前为止，日本东京大学已研制的脊椎已应用在仿人机器人上，该脊椎的脊椎骨由一系列三自由度的球关节组成，相邻脊椎骨间由弹性硅胶制成锥盘，并用张力弹簧模拟“韧带”，并配有多个张力传感器，最终由40个电机来驱动该脊椎。这种设计方式尽管提高了机器人运动的灵活性，扩大了机器人的运动范围，也增强了机器人与人交互的安全性，但是整体设计采用了大量电机和传感器，增加了开发的成本和风险。另外，MIT的KarlFrederick Leeser通过仿真分析了脊椎在四足机器人的运动特性，Utku Culha和UlucSaranlip将脊椎简化成一个刚性转动关节分析了在四足机器人奔跑中的特性。目前，国内对机器人脊椎的研究尚且空白。
发明内容本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种具有全方位角度反馈的柔性脊椎，本实用新型通过记忆合金材料SMA代替传统的电机驱动，以降低设计成本和设计空间的要求，提高机器人全方位运动的灵活性，提高机器人对环境的适应性。本实用新型为解决上述问题所采用的技术方案是一种具有全方位角度反馈的柔性脊椎，它主要包括脊椎、底座和若干驱动反馈单元；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体、脊椎环、顶部法兰和底部法兰等，柔性脊椎体的一端固定顶部法兰，另一端固定底部法兰，底部法兰固定在基座的中心孔上，柔性脊椎体外圆周沿轴线方向均匀固定若干脊椎环；驱动反馈单元沿圆周均匀布置在底座上，每个驱动反馈单元包括一个位移传感器、一个拉紧器和一根SMA丝；位移传感器固定在底板上，它的位移线穿过基座侧边的光孔后进入基座的中心孔；拉紧器固定在基座上，SMA丝一端固定在拉紧器上，通过基座侧边的光孔进入基座的中心孔，缠绕压底螺钉后与位移线一起依次穿过底部法兰，脊椎环和顶部法兰的圆周孔后，固定在顶部法兰上。本实用新型的有益效果是，本实用新型中采用了形状记忆合金合金SMA丝作为脊椎的驱动，这种材料能够进行压缩和伸展，形变幅度高达8%，通电即可改变其形态，且能产生很大的回复力，相比于传统的驱动，该驱动体积小而简洁，其特殊性质使其在机器人领域中具备较大的潜力，沿圆周均匀布置的SMA丝使得柔性脊椎体具备了全方位的运动能力，通过引出位移传感器的位移线，可以实时检测和控制柔性脊椎体转动的角度，另外，柔性脊椎体选用了柔性的材料，且加工成空心结构，使得在SMA丝驱动下，柔性脊椎体可全方位复合运动，且方便SMA丝供电电源的走线；固定SMA丝的拉紧器不仅可以调节柔性脊椎体的初始角度，而且可以通过调节SMA丝的松紧程度改变整个柔性脊椎体的转动角度范围。本实用新型采用的SMA丝材料作为机器人的驱动，使机器人具备了柔顺性，结构更加紧凑，设计更加灵活，改变了以往的驱动设计模式，适合应用于机器人领域。
图1是本实用新型的柔性脊椎的立体图；图2是本实用新型的柔性脊椎的顶部安装图；图3是本实用新型的柔性脊椎的底部安装图；图4是本实用新型的拉紧器示意图；图中，柔性脊椎体1、脊椎环2、SMA丝3、位移线4、压顶螺钉5、压顶螺钉6、顶部法兰7、底部法兰8、基座9、螺钉10、底板11、位移传感器12、螺钉13、拉紧器14、调节旋钮15、转动轴16、螺钉17、压底螺钉18。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型，本实用新型的目的和效果将变得更加明显。如图1-3所示，本实用新型一种具有全方位角度反馈的柔性脊椎，它主要包括脊椎、底座和若干驱动反馈单元；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体1、脊椎环2、顶部法兰7和底部法兰8等，柔性脊椎体I的一端固定顶部法兰7，另一端固定底部法兰8，底部法兰8由螺钉10固定在基座9的中心孔上，柔性脊椎体I选用柔性的材料，并且加工成空心的形态，使得在拉力作用下，可实现全方位的复合运动，柔性脊椎体I外圆周沿轴线方向均匀固定有若干脊椎环2 ;驱动反馈单元沿圆周均匀布置在底座上，每个驱动反馈单元包括一个位移传感器12、一个拉紧器14和一根SMA丝3 ;位移传感器12通过螺钉13固定在底板上，它的位移线4穿过基座9侧边的光孔后进入基座9的中心孔；拉紧器14通过螺钉17固定在基座11上，拉紧器14包括调节旋钮15和转动轴16，通过调节旋钮15，可以使转动轴16转动，SMA丝3 —端固定在拉紧器14上，通过基座9侧边的光孔进入基座9的中心孔，缠绕压底螺钉18后与位移线4 一起依次穿过底部法兰8，脊椎环2和顶部法兰7的圆周孔后，分别通过压顶螺钉6和螺钉5固定在顶部法兰7上，SMA丝3和位移线4均与柔性脊椎体的中心轴线平行。本实用新型中的SMA丝3可由镍钛合金、铜镍合金、铜铝合金、铜锌合金或其他为该领域人员所熟知的记忆合金材料制成。SMA丝3具有单程记忆效应，其相变温度可根据实际需要通过调节形状记忆合金材料的合成成分实现。所谓单程记忆效应，指的是当元件温度低于制定相变温度时，呈现柔软松弛状态，但是当元件温度高于相变温度时，它能自动恢复其原有几何形状。在本实用新 型中，该原有几何形状表现为SMA丝3收缩并伴随力的输出。
权利要求1.一种具有全方位角度反馈的柔性脊椎，其特征在于，它包括脊椎、底座和若干驱动反馈单元；其中，所述底座部分包括底板(11)和固定在底板中心的基座(9)，脊椎部分包括柔性脊椎体(I)、脊椎环(2)、顶部法兰(7)和底部法兰(8)，柔性脊椎体(I)的一端固定顶部法兰(7)，另一端固定底部法兰(8)，底部法兰(8)固定在基座(9)的中心孔上，柔性脊椎体(I)外圆周沿轴线方向均匀固定若干脊椎环(2);驱动反馈单元沿圆周均匀布置在底座上， 每个驱动反馈单元包括一个位移传感器(12)、一个拉紧器(14)和一根SMA丝(3);位移传感器(12)固定在底板上，它的位移线(4)穿过基座(9)侧边的光孔后进入基座(9)的中心孔; 拉紧器(14 )固定在基座(11)上，SMA丝(3 ) —端固定在拉紧器(14 )上，通过基座(9 )侧边的光孔进入基座(9)的中心孔，缠绕压底螺钉(18)后与位移线(4) 一起依次穿过底部法兰(8)，脊椎环(2)和顶部法兰(7)的圆周孔后，固定在顶部法兰(7)上。
专利摘要本实用新型公开了一种具有全方位角度反馈的柔性脊椎，本实用新型中主要包括脊椎、底座和若干驱动反馈单元；脊椎部分包括柔性脊椎体、脊椎环、顶部法兰和底部法兰，柔性脊椎体的一端固定顶部法兰，另一端固定底部法兰，底部法兰固定在底座上；驱动反馈单元均匀布置在底座上，由位移传感器、拉紧器和SMA丝组成；SMA丝一端固定在拉紧器上，并与位移线一起依次穿过底部法兰，脊椎环和顶部法兰的圆周孔后，固定在顶部法兰上。通过调节拉紧器的松紧可以调节柔性脊椎体的初始角度和可控的角度范围。本实用新型中采用SMA丝作为柔性脊椎的驱动，降低了设计成本，节省了空间，有助于提高机器人全方位运动的灵活性，提高机器人对环境的适应性。
文档编号B25J11/00GK202878315SQ20122050555
公开日2013年4月17日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者王世全, 朱秋国, 熊蓉, 褚健 申请人:浙江大学