本发明涉及爬壁机器人技术领域，具体地，涉及一种形状记忆合金驱动的仿生爬壁机器人腿单元及机器人。
背景技术：
仿生多足式爬壁机器人由于具有极强的运动灵活性和越障能力，越来越受到人们的关注。不同于轮式和履带式，多足式爬壁机器人模仿动物的运动方式，能够实现多种运动姿态，适应各种不同的表面环境，应用范围广泛。但多足式爬壁机器人目前多采用电机或者液压驱动，自身重量大，结构复杂；爬行过程中需要实现各足与爬行表面之间的脱离和再吸附，机器人支撑点会发生变化，机器人稳定性和安全性降低，步态设计复杂。
公开号为cn101746429a的中国专利提出了一种六足仿生湿吸爬壁机器人，使用柔性结构，采用模块化设计理念，实现了机器人的壁面爬行功能。但该设计使用了8个电机，设计了单独的拉绳结构和预压结构来实现足垫与壁面剥离和吸附，结构复杂；运动过程中两组仿生肢节交替支撑，机器人稳定性较差。
此外，公开号为cn1385284a的中国专利提出了一种形状记忆合金驱动的微型双三足机器人，采用组合偏动式形状记忆合金驱动器进行驱动，实现了机器人的转弯和直线运动。但该方案中所提出使用的形状记忆合金驱动器包含多个滑轮，结构复杂；且机器人依然通过两组腿的交替抬起、偏转、落地来实现运动，非支撑腿的冗余动作多，步态设计复杂。
技术实现要素：
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种形状记忆合金驱动的仿生爬壁机器人腿单元及机器人，以解决现有多足式爬壁机器人驱动结构和步态设计复杂等问题。
本发明的一个方面提供一种形状记忆合金驱动的仿生爬壁机器人腿单元，安装在仿生爬壁机器人的躯干上，所述仿生爬壁机器人腿单元包括：
仿生腿，所述仿生腿包括第一肢节和第二肢节，所述第一肢节的第一端与所述躯干通过球铰连接，所述第一肢节的第二端与所述第二肢节的第一端通过平面转动副连接，所述第二肢节的第二端安装有足模块；
减震弹簧，所述减震弹簧安装于所述第一肢节与所述躯干之间，且垂直于所述躯干所在的平面；
单向形状记忆合金驱动器，安装在所述第一肢节与所述第二肢节之间，用于驱动所述仿生腿左右移动；以及
双向形状记忆合金驱动器，安装在所述第一肢节与所述躯干之间，用于驱动所述仿生腿前后移动。
优选地，所述足模块包括弹性罩、形状记忆合金环和磁性球，所述弹性罩与所述第二肢节的第二端固定连接，所述磁性球安装于所述弹性罩中，所述形状记忆合金环安装于所述弹性罩的开口处，通过控制形状记忆合金环实现对所述磁性球的锁定与释放，且所述仿生腿移动过程中所述磁性球与吸附表面保持接触。
优选地，加热所述形状记忆合金环至其温度超过相变点，所述形状记忆合金环的直径增大，所述弹性罩的开口增大，释放所述磁性球，所述磁性球在所述弹性罩中转动，使得所述足模块相对于介质表面移动；所述形状记忆合金环冷却后，所述弹性罩的开口处收缩，锁定所述磁性球吸附在介质表面，所述足模块与所述介质表面保持静止。
优选地，所述双向形状记忆合金驱动器包括第一形状记忆合金单元和第二形状记忆合金单元，所述第一形状记忆合金单元和所述第二形状记忆合金单元对称安装于所述仿生腿的两侧，所述第一形状记忆合金单元包括第一形状记忆合金丝和第一弹簧，所述第一形状记忆合金丝插入所述第一弹簧中，所述第二形状记忆合金单元包括第二形状记忆合金丝和第二弹簧，所述第二形状记忆合金丝插入所述第二弹簧中，所述单向形状记忆合金驱动器包括第三形状记忆合金单元，所述第三形状记忆合金单元包括第三形状记忆合金丝和第三弹簧，所述第三形状记忆合金丝插入所述第三弹簧中。
优选地，所述双向形状记忆合金驱动器正向工作时，加热所述第一形状记忆合金丝至其温度超过相变点后长度收缩，所述第一弹簧收缩，所述第二形状记忆合金丝的长度变长，所述第二弹簧伸长，所述仿生腿通过所述球铰相对于所述躯干正向转动，直至所述第一形状记忆合金丝的拉力与所述第一弹簧和所述第二弹簧的弹力平衡时，所述仿生腿停止转动；所述双向形状记忆合金驱动器逆向工作时，加热所述第二形状记忆合金丝至其温度超过相变点后长度收缩，所述第二弹簧收缩，所述第一形状记忆合金丝的长度变长，所述第一弹簧伸长，所述仿生腿通过所述球铰相对于所述躯干逆向转动，直至所述第二形状记忆合金丝的拉力与所述第二弹簧和所述第一弹簧的弹力平衡时，所述仿生腿停止转动。
优选地，所述单向形状记忆合金驱动器工作时，加热所述第三形状记忆合金丝至其温度超过相变点后长度收缩，所述第三弹簧收缩，所述第二肢节相对于所述第一肢节绕所述平面转动副转动，直至所述第三形状记忆合金丝的拉力与所述第三弹簧的弹力平衡，所述第二肢节停止转动。
本发明的另一个方面提供一种形状记忆合金驱动的仿生爬壁机器人，包括躯干以及安装在所述躯干上的多个如上所述的仿生爬壁机器人腿单元，通过所述单向形状记忆合金驱动器和所述双向形状记忆合金驱动器驱动所述仿生爬壁机器人的移动。
优选地，多个仿生爬壁机器人腿单元对称安装于所述躯干的两侧。
优选地，所述仿生爬壁机器人腿单元有六个，分为两组，位于所述躯干一侧中间的仿生爬壁机器人腿单元与位于所述躯干另一侧两端的仿生爬壁机器人腿单元为一组，加热一组内的形状记忆合金环，通过该组内的双向形状记忆合金驱动器驱动仿生爬壁机器人腿单元前后动作，该组内的形状记忆合金环冷却时，加热另一组内的形状记忆合金环，依次重复。
优选地，加热位于所述躯干同一侧的所述仿生爬壁机器人腿单元的形状记忆合金环，同时加热所有仿生爬壁机器人腿单元的第三形状记忆合金丝，使得第一肢节与第二肢节之间的夹角减小，仿生爬壁机器人的重心移动；该侧的形状记忆合金环冷却，加热位于躯干另一侧的仿生爬壁机器人腿单元的形状记忆合金环，同时所有仿生爬壁机器人腿单元的第三形状记忆合金丝冷却，使得第一肢节与第二肢节之间的夹角增大，仿生爬壁机器人的重心移动。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明中使用双向形状记忆合金驱动器和单向形状记忆合金驱动器驱动机器人的移动，驱动器结构简单、质量轻、运动灵活，只需要接通导线就能控制，结构简单，易于驱动，能够大大减小机器人的质量和体积；采用磁性球体提供吸附力，利用形状记忆合金实现对足模块的锁定与释放，机器人运动过程中足模块始终与吸附表面保持接触，支撑点稳定，能够提供稳定的支持力和吸附力，机器人重心变化小，运动稳定；步态规划简单，没有多余的抬腿和再吸附运动；采用腿式仿生结构，运动灵活，具有一定的越障能力。
附图说明
图1为本发明所述仿生爬壁机器人腿单元的结构示意图；
图2a为本发明中足模块的主视图；
图2b为本发明中足模块的仰视图。
图3a为本发明中双向形状记忆合金驱动器的结构设计图；
图3b为本发明中双向形状记忆合金驱动器的结构简图；
图4a为本发明中单向形状记忆合金驱动器的结构设计图；
图4b为本发明中单向形状记忆合金驱动器的结构简图；
图5为本发明所述仿生爬壁机器人的结构示意图。
图中：
1-躯干，2-仿生腿，3-足模块，4-减震弹簧，5-双向形状记忆合金驱动器，6-单向形状记忆合金驱动器，21-第一肢节，22-第二肢节，23-球铰，24-平面转动副，31-弹性罩，32-形状记忆合金环，33-磁性球，51-第一形状记忆合金丝，52-第二形状记忆合金丝，53-第一弹簧，54-第二弹簧，61-第三形状记忆合金丝，62-第三弹簧。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
图1为本发明所述仿生爬壁机器人腿单元的结构示意图，如图1所示，本发明所述仿生爬壁机器人腿单元安装在仿生爬壁机器人的躯干1上，通过形状记忆合金(shapememoryalloy，简称sma)驱动其移动，所述仿生爬壁机器人腿单元包括仿生腿2、减震弹簧4、单向sma驱动器6以及双向sma驱动器5，其中，仿生腿2包括第一肢节21和第二肢节22，第一肢节21的第一端与躯干1通过球铰23连接，第一肢节21的第二端与第二肢节22的第一端通过平面转动副24连接，第二肢节22的第二端安装有足模块3；减震弹簧4安装于第一肢节21与躯干1之间，且垂直于躯干1所在的平面，通过减震弹簧4限制机器人在运动过程中的上下震动，同时起到限制自由度的作用；单向sma驱动器6安装在第一肢节21与第二肢节22之间，用于驱动仿生腿2左右移动；双向sma驱动器5安装在第一肢节21与躯干1之间，用于驱动仿生腿2前后移动。
本发明中使用双向形状记忆合金驱动器和单向形状记忆合金驱动器驱动机器人的左右和前后移动，驱动器结构简单、质量轻、运动灵活，只需要接通导线就能控制，结构简单，易于驱动，能够大大减小机器人的质量和体积。
如图2a和图2b所示，足模块3包括弹性罩31、sma环32和磁性球33，弹性罩31与第二肢节22的第二端固定连接，磁性球33安装于弹性罩31中，sma环32安装于弹性罩31的开口处，固定在弹性罩31上与磁性球33接触，通过控制sma环32实现对磁性球33的锁定与释放，且仿生腿2移动过程中磁性球33与吸附表面保持接触。其中，弹性罩31可以是半球形，与磁性球33贴合在一起，对sma环32的弧长并无具体限定，以能将磁性球自由锁定和释放为主。磁性球33提供爬壁机器人腿单元与铁磁性介质表面的吸附力，通过控制sma环32使得磁性球33被锁定时，其与吸附表面相对静止，在单向sma驱动器6或双向sma驱动器5的驱动下，躯干1可以相对于吸附介质表面发生位移；通过控制sma环32使得磁性球33被释放时，在单向sma驱动器6或双向sma驱动器5的驱动下足模块3相对于吸附介质表面发生位移，运动过程中磁性球33与吸附介质表面为滚动摩擦。
采用磁性球33体提供吸附力，机器人运动过程中足模块3始终与吸附介质表面保持接触，没有多余的抬腿和再吸附运动，支撑点稳定，能够提供稳定的支持力和吸附力，机器人重心变化小，运动稳定。
本发明中，通过控制sma环32的温度控制磁性球33是否可以相对于吸附介质表面发生位移：常温下，sma环32为收缩状态，弹性罩31的开口处收缩，限制了磁性球33在弹性罩31中的自由转动，磁性球33吸附在介质表面并保持静止，二者之间为静摩擦；加热sma环32，其温度超过相变点后sma环32的直径变大，弹性罩31的开口增大，释放磁性球33，磁性球33的运动限制被解除，使其可以在弹性罩31中自由转动，在双向sma驱动器5或单向sma驱动器6的作用下，足模块3可以相对于介质表面发生位移，移动过程中磁性球33和介质表面为滚动摩擦；sma环32冷却后，在弹性罩31的弹力作用下又恢复到收缩状态，锁定磁性球33吸附在介质表面，磁性球33的运动再次被限制，足模块3与介质表面保持静止，与介质表面为静摩擦。在整个过程中，足模块3始终与介质表面接触，为机器人提供稳定的支持力和吸附力。
如图3a和3b所示，双向sma驱动器5包括第一sma单元和第二sma单元，第一sma单元和第二sma单元对称安装于仿生腿2的两侧，第一sma单元包括第一sma丝51和第一弹簧53，第一sma丝51插入第一弹簧53中，第二sma单元包括第二sma丝52和第二弹簧54，第二sma丝52插入第二弹簧54中，第一弹簧53的一端固定在躯干1上，另一端固定在第一肢节21上，同样地，第二弹簧54的一端固定在躯干1上，另一端固定在第一肢节21上。双向sma驱动器5用于驱动仿生腿2的第一肢节21相对于躯干1绕球铰23转动，双向sma驱动器5不工作时，第一弹簧53和第二弹簧54均处于原长，第一sma丝51和第二sma丝52均处于低温状态，第一肢节21处于平衡位置，不发生移动；双向sma驱动器5工作时，通过加热第一sma丝51或第二sma丝52可以双向驱动第一肢节21的转动，使得仿生腿2相对于躯干1正向或逆向转动。以双向sma驱动器5驱动仿生腿2相对于躯干正向转动为例，对双向sma驱动器5的工作过程进行详细说明：加热第一sma丝51至其温度超过相变点后长度收缩，提供收缩力，第一弹簧53收缩，第二sma丝52发生塑形变形被拉长，其长度变长，第二弹簧54伸长，仿生腿2通过球铰23相对于躯干1正向转动，直至第一sma丝51的拉力与第一弹簧53和第二弹簧54的弹力平衡时，仿生腿2停止转动；当第一sma丝51冷却后，在第一弹簧53和第二弹簧54的弹力作用下，第一肢节21绕球铰23正向转动到初始位置并保持平衡，第一sma丝51和第二sma丝52在低温下发生塑性变形。同理，通过加热第二sma丝52可以实现第一肢节21绕球铰23的逆向转动，第二sma丝52冷却后第一肢节21恢复到初始位置并保持平衡。
如图4a和4b所示，单向sma驱动器6包括第三sma单元，第三sma单元包括第三sma丝61和第三弹簧62，第三sma丝61插入第三弹簧62中，第三弹簧62的一端固定在第一肢节61上，另一端固定在第二肢节22上，且第三sma丝61与第一肢节21和第二肢节22位于同一平面内。单向sma驱动器6用于驱动仿生腿2的第二肢节22相对于第一肢节21绕平面转动副24转动：当单向sma驱动器6不工作时，第三弹簧62处于原长，第三sma丝61处于低温状态；单向sma驱动器6工作时，加热第三sma丝61至其温度超过相变点后长度收缩，提供收缩力，第三弹簧62收缩，第二肢节22相对于第一肢节21绕平面转动副24顺时针转动，二者之间的夹角θ变小，直至第三sma丝61的拉力与第三弹簧62的弹力平衡，第二肢节22停止转动；当第三sma丝61冷却后，在第三弹簧62的弹力作用下，第二肢节22逆时针转动，θ增大并恢复到初始位置，第三sma丝61发生塑性变形。
第一sma丝51、第二sma丝52和第三sma丝61均通过电流控制其温度来控制其长度的伸缩，从而驱动仿生爬壁机器人腿单元的移动。第一sma丝51和第二sma丝52在躯干上的安装位置以及与球铰之间的距离根据弹簧长度和弹力以及仿生腿所需要的驱动力确定，第三sma丝61在第一肢节和第二肢节上的安装位置根据弹簧弹力以及仿生腿所需要的驱动力具体确定。
本发明的另一个方面提供了一种形状记忆合金驱动的仿生爬壁机器人，如图5所示，仿生爬壁机器人包括躯干1以及安装在躯干1上的多个如上所述的仿生爬壁机器人腿单元，通过单向形状记忆合金驱动器和双向形状记忆合金驱动器驱动仿生爬壁机器人的移动。
为了便于仿生爬壁机器人的步态稳定，优选地，多个仿生爬壁机器人腿单元对称安装于躯干1的两侧。
以仿生爬壁机器人腿单元有六个，且对称安装于躯干1的两侧为例，进一步说明本发明，而本发明并不限于此。
如图5所示，仿生爬壁机器人共有六个对称分布的仿生爬壁机器人腿单元，机器人按照“三角步态”进行前后运动，初始时，六个仿生爬壁机器人腿单元均处于平衡状态，所有sma丝都处于常温冷却状态，足模块3的磁性球33与介质表面为静摩擦，机器人静止在介质表面。
机器人向前运动时，通过控制双向sma驱动器5使仿生腿2相对于躯干1前后摆动，将六个仿生爬壁机器人腿单元分为两组，位于躯干1一侧中间的仿生爬壁机器人腿单元与位于躯干1另一侧两端的仿生爬壁机器人腿单元为一组，例如，令左前腿、右中腿、左后腿为a组，右前腿、左中腿、右后腿为b组。按照下列步骤实现机器人的向前运动：(1)加热a组内的sma环32，解除对相应磁性球33的运动限制，在a组内双向sma驱动器5的作用下，a组内相应的仿生腿2相对于躯干1向前摆动，其中的足模块3相对于介质表面向前运动；(2)a组内的sma环32冷却，相应的双向sma驱动器5驱动第一肢节21相对于躯干1向后摆动，由于其足模块3不能相对于介质表面发生位移，所以机器人重心向前移动；同时加热b组内的sma环32，b组内的双向sma驱动器5驱动第一肢节21相对于躯干1向前摆动，b组内相应的足模块3相对于介质表面发生位移；(3)b组的sma环32冷却，相应的双向sma驱动器5驱动第一肢节21相对于躯干1向后摆动，由于其足部不能相对于介质表面发生位移，所以机器人重心向前移动；同时加热a组的sma环32，相应的双向sma驱动器5驱动第一肢节21相对于躯干1向前摆动，相应的足模块3相对于介质表面发生位移。重复步骤(2)和步骤(3)即可实现机器人的向前运动。类似地，可实现机器人的向后运动。
机器人左右运动时，通过控制单向sma驱动器6使仿生腿左右运动，加热位于躯干1同一侧的仿生爬壁机器人腿单元的sma环32，同时加热所有仿生爬壁机器人腿单元的第三sma丝61，使得第一肢节21与第二肢节22之间的夹角减小，仿生爬壁机器人的重心移动；该侧的sma环32冷却，加热位于躯干1另一侧的仿生爬壁机器人腿单元的sma环32，同时所有仿生爬壁机器人腿单元的第三sma丝61冷却，使得第一肢节21与第二肢节22之间的夹角增大，仿生爬壁机器人的重心移动。
以机器人向左运动为例，进行说明。按照下述步骤实现机器人的向左运动：(1)加热右侧三条仿生腿2的sma环32，解除对相应的磁性球33的运动限制，左侧三条仿生腿2的sma环32为低温冷却状态；同时，所有仿生腿2的单向sma驱动器6的第三sma丝61加热收缩，第一肢节21和第二肢节22的夹角θ减小，机器人重心向左移动；(2)右侧三条腿的sma环32冷却，限制相应磁性球33的转动，左侧三条腿的足部sma环32加热，解除对磁性球33的运动限制；同时，所有仿生腿2的单向sma驱动器6的第三sma丝61冷却，第一肢节21和第二肢节22的夹角θ增大，机器人重心向左移动。重复步骤(1)和(2)即可实现机器人的向左运动。
在机器人前后或左右运动过程中，通过足模块3的sma环32实现对磁性球33的锁定与释放，足模块3始终与介质表面接触，提供吸附力和支持力，机器人重心和支撑点稳定，运动过程不会出现倾覆。
本发明所述形状记忆合金驱动的仿生爬壁机器人可以为探伤、侦查、爬壁作业等提供很好的参考和实践模型。本发明中，采用了形状记忆合金驱动器，模仿生物运动方式，可以应用于结构探伤、高空爬壁作业、执行探查任务、执行军事任务等多个领域，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。