一种仿生海星软体机器人

1.本实用新型涉及软体机器人领域，尤其涉及一种仿生海星软体机器人。


背景技术：

2.传统水下机器人大多由硬质材料(金属、塑料等)的刚性运动副连接构成，以螺旋桨或者液压系统驱动，能够完成快速、精确、可重复位置或力控制任务。
3.例如公开号为cn108216410b的中国发明专利仿海星机器人，其公开了在plc的控制下，通过调整弧形摆动装置，可以使弯曲腿装置刚性上下移动，控制旋转伺服电机，可以使摆动杆进行刚性弧形摆动。再控制弯曲腿装置，通过驱动组件来驱动各方向弹簧弯曲，可以实现在两端分别可以进行左右、上下弯曲。再控制管足装置来控制万向节，可以使管足进行空间180度旋转，管足底部的吸盘可调整在不同角度面上进行吸附，再控制伸缩装置进行前进。并且在机架上设有自动伸缩旋转摄像头，可以进行360度进行拍摄、勘测；因为仿海星机器人是5根腿，可以海星一样进行圆周任意方形爬行。但是，这种机器人由于结构较复杂导致机器人体型庞大和噪音大等缺点，难以完成复杂的运动。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提出一种仿生海星软体机器人，以解决上述背景技术中存在的一个或多个技术问题。
5.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种仿生海星软体机器人，包括躯体、驱动系统和控制系统；所述躯体外侧设有多个呈轴对称分布的腕足，所述躯体与多个所述腕足为弹性材料一体制成；所述驱动系统包括多个驱动组件，所述驱动组件嵌设在所述腕足内；所述控制系统用于控制所述驱动组件发热，所述驱动组件受热带动所述腕足产生弯曲变形，当所述驱动组件恢复常温时，所述驱动组件带动所述腕足恢复原状。
7.优选的，所述驱动组件包括记忆合金片和电热丝，所述电热丝缠绕在所述记忆合金片的外侧，所述控制系统用于控制所述电热丝的加热温度及加热时间。
8.优选的，所述控制系统包括控制器和多个温度传感器，所述电热丝和所述温度传感器的输出端与所述控制器电连接，多个所述温度传感器的检测端分别与所述记忆合金片相连。
9.优选的，所述记忆合金片由负泊松比单胞结构阵列构成，所述负泊松比单胞结构呈内凹六边形，所述负泊松比单胞结构包括顶边、底边和四条斜边，顶边和底边平行且等长，顶边与斜边之间的夹角为68
°
，顶边的长度与顶边和底边之间的距离之比为14：15。
10.优选的，所述记忆合金片为niti合金材料通过slm技术3d打印制成。
11.优选的，所述腕足的顶部设有弧形缝隙。
12.优选的，所述躯体与多个所述腕足为硅胶材料通过diw打印一体制成。
13.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：通过设置弹性材料一体制成的躯体
和多个腕足，使得机器人可承受较大应变，并将驱动组件、控制器、温度传感器和电源等元件嵌于躯体和腕足中，通过改变驱动组件的温度带动腕足弯曲或伸张，使得机器人具有多自由度和分布式连续变形能力，能够表现出柔性化和完成复杂的运,实现对深海的探索作业，有效避免深海高压环境对传统水下机器人带来结构破坏，降低深潜发生意外的风险，解决了现有海底机器人体型庞大、噪音大以及难以完成复杂的运动等缺点。
附图说明
14.附图对本实用新型做进一步说明，但附图中的内容不构成对本实用新型的任何限制。
15.图1是本实用新型其中一个实施例的内部结构示意图；
16.图2(a)是本实用新型其中一个实施例的腕足的底部视图；
17.图2(b)是本实用新型其中一个实施例的腕足的内部结构示意图；
18.图3(a)是本实用新型其中一个实施例的记忆合金片的负泊松比单胞结构阵列示意图；
19.图3(b)是本实用新型其中一个实施例的记忆合金片的负泊松比单胞结构的示意图。
20.其中：躯体1、驱动组件2、电热丝3、温度传感器4、控制器5、电源6、第一腕足a、第一记忆合金片a1、第二腕足b、第二记忆合金片b1、第三腕足c、第三记忆合金片c1、第四腕足d、第四记忆合金片d1、第五腕足e、第五记忆合金片e1、弧形缝隙11。
具体实施方式
21.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
22.本实施例的一种仿生海星软体机器人，参考附图1，包括躯体1、驱动系统和控制系统；躯体1外侧设有多个呈轴对称分布的腕足，躯体1与多个腕足为弹性材料一体制成；驱动系统包括多个驱动组件2，驱动组件2嵌设在腕足内；控制系统用于控制驱动组件2发热，驱动组件2受热带动腕足产生弯曲变形，当驱动组件2恢复常温时，驱动组件2带动腕足恢复原状。
23.本实施例通过设置弹性材料一体制成的躯体1和多个腕足，使得机器人可承受较大应变，并将驱动组件2、控制器5、温度传感器4和电源6等元件嵌于躯体1和腕足中，通过改变驱动组件2的温度带动腕足弯曲或伸张，使得机器人具有多自由度和分布式连续变形能力，能够表现出柔性化和完成复杂的运动。实现对深海的探索作业，有效避免深海高压环境对传统水下机器人带来结构破坏，降低深潜发生意外的风险，解决了现有海底机器人体型庞大、噪音大以及难以完成复杂的运动等缺点。
24.优选的，驱动组件2包括记忆合金片和电热丝3，电热丝3缠绕在记忆合金片的外侧，控制系统用于控制电热丝3的加热温度及加热时间。由此，通过电热丝3实现了对记忆合金片的加热，
25.优选的，控制系统包括控制器5和多个温度传感器4，电热丝3和温度传感器4的输出端与控制器5电连接，多个温度传感器4的检测端分别与记忆合金片相连。通过多个温度传感器4，实现对记忆合金片加热温度和冷却温度的监控。
26.优选的，参考附图3(a)，记忆合金片由负泊松比单胞结构阵列构成，负泊松比单胞结构呈内凹六边形，参考附图3(b)负泊松比单胞结构包括顶边、底边和四条斜边，顶边和底边平行且等长，顶边与斜边之间的夹角为68
°
，顶边的长度与顶边和底边之间的距离之比为14：15。采用泊松比结构的记忆合金片，有效改善记忆合金片的力学性能，如提高了材料的剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及材料的回弹韧性，并且可以借助增材制造成型复杂和可控的宏观或微观结构。
27.进一步的，记忆合金片为niti合金材料通过激光选区熔化成型技术(slm)技术3d打印制成。由此，通过采用niti合金的记忆合金片，使得记忆合金片在打印成型后通过形状记忆合金循环法得到双程形状记忆效应，即加热恢复高温形状，冷却恢复低温形状。
28.优选的，躯体与多个腕足为硅胶材料通过直接墨水书写技术(diret ink writing，diw)打印一体制成。机器人躯体1由硅胶通过diw打印成型，有五个腕足分别为第一腕足a、第二腕足b、第三腕足c、第四腕足d、第五腕足e。驱动组件2由slm打印成型的5片niti合金负泊松比结构薄片组成，与机器人的足数相同，分别为第一记忆合金片a1，第二记忆合金片b1，第三记忆合金片c1，第四记忆合金片d1，第五记忆合金片e1，其上用胶布缠绕电热丝3，电热丝3通过电线连接传感器4，控制器5和电源6。驱动组件2内嵌于机器人躯体1中，在diw打印硅胶躯体结构过程中，设计预留嵌入元器件空间，在打印到一定层厚时暂停打印，将驱动组件2、温度传感器4、控制器5、电源6集成至预留空间中，并连接好控制电路后继续进行diw打印封装。
29.优选的，参考附图2(a)(b)，腕足的顶部设有弧形缝隙11。当腕足弯曲时弧形缝隙11的开口面积增大，使得海水能够通过弧形缝隙11流入腕足中并与记忆合金片接触；当腕足伸展时把弧形缝隙11的开口面积减小，从而将腕足内的海水挤出并封闭弧形孔，避免海水进入。
30.本实施例的工作原理为：当电源6通电时，电热丝3产生热量，记忆合金片开始产生相变，从马氏体转变为奥氏体相。当记忆合金片被加热超过奥氏体相结束温度(t
af
))时，马氏体转变为奥氏体结并表现为记忆合金片开始弯曲，从而带动腕足的弯曲。当停止加热时，采用海水流通躯体1上的弧形缝隙11使记忆合金片冷却至马氏体结束温度(t
mf
)时，奥氏体转为马氏体相并表现为该腕足开始伸展。
31.以下为本实施例的机器人进行爬行、游动及抓取物体的动作的步骤：
32.(一)爬行：
33.(1)初始时，电源6为关闭状态，此时机器人处于自然状态，机器人的第一腕足a、第二腕足b、第三腕足c、第四腕足d以及第五腕足e均处于伸展状态；
34.(2)启动电源6，控制器5发出信号，使缠绕在第一记忆合金片a1和第二记忆合金片b1外侧的电热丝3开始加热；
35.(3)当温度传感器4检测到第一记忆合金片a1、第二记忆合金片b1的温度达到设定值后发出信号给控制器5，使相应的电热丝停止加热，同时使缠绕在第三记忆合金片c1和第四记忆合金片d1外侧的电热丝开始加热，此时第一腕足a和第二腕足b在第一记忆合金片a1和第二记忆合金片b1的带动下变形处于弯曲状态，并与地面的摩擦从而向前移动；
36.(4)第一腕足a和第二腕足b弯曲后，第一腕足a和第二腕足b底部的弧形缝隙11面积增大，海水经由弧形缝隙11流入第一腕足a和第二腕足b内部，通过海水对第一记忆合金
片a1和第二记忆合金片b1冷却，待温度传感器4检测到第一记忆合金片a1和第二记忆合金片b1冷却到t
mf
后，第一记忆合金片a1和第二记忆合金片b1分别带动第一腕足a和第二腕足b开始恢复为伸展状态；
37.(5)在第一腕足a和第二腕足b未完全恢复至伸展状态时，温度传感器4检测到第三记忆合金片c1和第四记忆合金片d1的温度升高到t
af
后发出信号给控制器5，停止对第三记忆合金片c1和第四记忆合金片d1的加热，并开始对第五记忆合金片e1的加热，此时第三腕足和第四腕足由于第三记忆合金片c1和第四记忆合金片d1的加热变形处于弯曲状态，并且第一腕足a、第二腕足b、第三腕足c和第四腕足d弯曲导致机器人重心前移通过硅胶与地面的摩擦向前移动；
38.(6)当温度传感器4检测到第五记忆合金片e1温度升高到taf后发出信号给控制器5，使相应的电热丝停止对第三记忆合金片c1和第四记忆合金片d1的加热；此时第一腕足a和第二腕足b已完全恢复为伸展状态，海水经由第三腕足c和第四腕足d底部的弧形缝隙流入使第三记忆合金片c1和第四记忆合金片d1逐渐冷却至t
mf
，第三记忆合金片c1和第四记忆合金片d1带动第三腕足c和第四腕足d开始恢复为伸展状态。
39.(7)第三腕足c和第四腕足d恢复过程中，温度传感器4检测到第五记忆合金片e1温度升高到t
af
后发出信号给控制器5，停止对第五记忆合金片e1加热，此时第五腕足e由于第五记忆合金片e1加热变形处于弯曲状态。
40.(8)停止加热的同时，海水经由第五腕足底部的弧形缝隙流入使第五记忆合金片e1逐渐冷却到t
mf
，第五记忆合金片e1开始恢复为伸展状态，此时第三腕足c和第四腕足d已完全恢复为伸展状态。
41.(9)当第五腕足e完全恢复为伸展状态时，控制器5开始对第一记忆合金片a1和第二记忆合金片b1重新加热，并重复上述步骤(3)—(8)，此为机器人爬行运动的一个周期，在弯曲—伸展的变形循环中实现机器人的连续运动。
42.(10)若机器人需要转向，可通过将步骤(3)中加热的第一记忆合金片a1和第二记忆合金片b1更改为加热其它任意相邻的两块记忆合金片，并且相对应地改变步骤(3)—(10)中加热的记忆合金片，即可实现机器人爬行方向的改变。
43.(二)游动：
44.(1)控制器5发出信号，机器人切换到游动模式。
45.(2)使对五个腕足上的电热丝同步对相应的记忆合金片加热，并且每次加热之间所间隔的时间为爬行模式的一半，躯体1的五个腕足同时快速弯曲和伸展，实现游动。
46.(3)当需要改变方向时，控制器5发出信号，对任意相邻的两个腕足内的记忆合金片加热，其余记忆合金片停止加热，待方向改变后，五个腕足重新同时运动。
47.(三)抓取：
48.(1)在爬行状态下，机器人调整爬行方向，运动至物体上方；
49.(2)控制器5发出信号，机器人切换抓取模式，对五个腕足内的记忆合金片持续加热，使得五个腕足保持弯曲状态，利用腕足与物体的摩擦力，实现对物体的抓取。
50.(3)当需要放下物体时，停止对五个腕足内的记忆合金片加热，使海水通过弧形缝隙11流入腕足内部并对记忆合金片冷却，即可放开被抓物体。
51.以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实
用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种仿生海星软体机器人，其特征在于，包括躯体、驱动系统和控制系统；所述躯体外侧设有多个呈轴对称分布的腕足，所述躯体与多个所述腕足为弹性材料一体制成；所述驱动系统包括多个驱动组件，所述驱动组件嵌设在所述腕足内；所述控制系统用于控制所述驱动组件发热，所述驱动组件受热带动所述腕足产生弯曲变形，当所述驱动组件恢复常温时，所述驱动组件带动所述腕足恢复原状。2.根据权利要求1所述的一种仿生海星软体机器人，其特征在于，所述驱动组件包括记忆合金片和电热丝，所述电热丝缠绕在所述记忆合金片的外侧，所述控制系统用于控制所述电热丝的加热温度及加热时间。3.根据权利要求2所述的一种仿生海星软体机器人，其特征在于，所述控制系统包括控制器和多个温度传感器，所述电热丝和所述温度传感器的输出端与所述控制器电连接，多个所述温度传感器的检测端分别与所述记忆合金片相连。4.根据权利要求2所述的一种仿生海星软体机器人，其特征在于，所述记忆合金片由负泊松比单胞结构阵列构成，所述负泊松比单胞结构呈内凹六边形，所述负泊松比单胞结构包括顶边、底边和四条斜边，顶边和底边平行且等长，顶边与斜边之间的夹角为68
°
，顶边的长度与顶边和底边之间的距离之比为14：15。5.根据权利要求4所述的一种仿生海星软体机器人，其特征在于，所述记忆合金片为niti合金材料通过slm技术3d打印制成。6.根据权利要求1所述的一种仿生海星软体机器人，其特征在于，所述腕足的顶部设有弧形缝隙。7.根据权利要求1所述的一种仿生海星软体机器人，其特征在于，所述躯体与多个所述腕足为硅胶材料通过diw打印一体制成。

技术总结
本实用新型公开了一种仿生海星软体机器人，包括躯体、驱动系统和控制系统；躯体外侧设有多个呈轴对称分布的腕足，躯体与多个腕足为弹性材料一体制成；驱动系统包括多个驱动组件，驱动组件嵌设在腕足内；控制系统用于控制驱动组件发热，驱动组件受热带动腕足产生弯曲变形，当驱动组件恢复常温时，驱动组件带动腕足恢复原状。通过设置弹性材料一体制成的躯体和多个腕足，使得机器人可承受较大应变，并将驱动组件、控制器、温度传感器和电源等元件嵌于躯体和腕足中，通过改变驱动组件的温度带动腕足弯曲或伸张，使得机器人具有多自由度和分布式连续变形能力，能够表现出柔性化和完成复杂的运动。杂的运动。杂的运动。


技术研发人员：张明康 黎晋玮 范宏熙 张颖 廖星
受保护的技术使用者：广东海洋大学
技术研发日：2022.09.06
技术公布日：2023/3/13