一种三自由度作动结构的制作方法

本发明涉及一种三自由度作动结构，属于柔性体机器人与集群体机器人组合结构技术领域。

背景技术：

在集群机器人研究领域，现在的研究发明还主要侧重于提出一种机器人构型，然后利用数量众多的该类机器人进行集群控制、规划或执行某项任务，仅停留在获得机器人构型之后的应用层面，而对于是否可以用更加小型或微型的基本单元或模块来集群构造机器人这一问题鲜有提及。

在柔体机器人刚度增强研究领域，大部分研究者还是基于材料本身特性进行，少部分学者利用力对抗实现刚度增强或者利用结构的自锁和摩擦进行刚度增强。然而这些方法或解决措施绝大多数不能实现作动过程中的刚度实时可变，使得其刚度增强效果明显具有阶段性特征，严重制约了其应用领域的进一步拓展。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的作动结构刚度不能实现实时可变，使得其刚度增强效果明显具有阶段性特征的问题，进而提供了一种三自由度作动结构。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种三自由度作动结构，它包括上连接基板、下连接基板及安装在上连接基板与下连接基板之间的若干二值基胞结构，其中上连接基板与下连接基板之间通过集成化电/信线路联通，所述二值基胞结构包括两个端头及布置在两个端头之间的sma驱动器，且每个端头与sma驱动器之间均通过柔性铰链连接，通过sma驱动器实现一个端头相对于另一个端头的靠近及远离，若干sma驱动器动作实现上连接基板沿x轴方向的转动、沿y轴方向的转动及沿z轴方向的移动。

进一步地，所述sma驱动器包括内壳、外壳、1态sma丝及0态sma丝，内壳与外壳嵌套且相互滑动连接，内壳的顶部与外壳的底部之间通过0态sma丝连接，内壳的底部与外壳的顶部之间通过1态sma丝连接。

进一步地，所述0态sma丝呈蛇形穿装在内壳与外壳之间，且0态sma丝的两端部分别与内壳的顶部固接，且分别连接电源的正、负极。

进一步地，0态sma丝的两端分别通过多折角的蛇形结构固装在内壳上。

进一步地，所述1态sma丝呈蛇形穿装在内壳与外壳之间，且1态sma丝的两端部分别与外壳的底部固接，且分别连接电源的正、负极。

进一步地，1态sma丝的两端分别通过多折角的蛇形结构固装在外壳上。

进一步地，每相临两个二值基胞结构之间均布置有弹性约束体。

进一步地，所述集成化电/信线路设置在作动结构的中间位置。

进一步地，上连接基板与下连接基板结构相同，两个连接基板上相对的一侧面均开设有若干卡槽，每个二值基胞结构的上下两个端头对应与两个连接基板上的卡槽配合固定。

进一步地，若干二值基胞结构呈阵列形式布置。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请的作动结构具有可时变刚度特性，可以从近似刚体结构转变为近似柔体结构。根据操控柔顺度需求，除作动结构内保持作动结构位姿必须的二值基胞结构外，通过将不同数量的二值基胞结构从随动状态转变为工作状态或者从工作状态转变为随动状态，从而实现作动结构刚度的快速变换与调节。所谓二值基胞结构的随动，是指其sma驱动器处于不通电状态，对其他二值基胞结构的运动影响可以忽略。该方法有效地解决高柔顺度与高刚度之间的矛盾。

通过本申请可以实现用更加小型或微型的基本单元或模块来集群构造机器人，达到机器人的集群化协调作业的目标。

对每个二值基胞结构都进行物理编址，可以实现对每个二值基胞结构可寻址式的编程控制，通过发挥每个二值基胞结构的主观能动性，可以使得由作动结构具有较高的智能性、柔顺性、苛刻环境适应性，在工程上具有广阔的应用前景。

本申请由二值基胞结构阵列形成的类柔性作动结构，相比传统的刚体机器人或现阶段的柔体机器人，其最大的优势在于其具有很高的容错/容残特性，一定数量的二值基胞结构发生故障或不工作不会对作动结构的总体功能或性能产生严重影响。

附图说明

图1为本申请的立体结构示意图(图中所示的坐标x0、y0、z0以及x1、y1、z1表示为原点不同的坐标系，方便三自由度作动机构的原理表达。)；

图2为二值基胞结构的主视示意图；

图3为二值基胞结构为0态时的结构示意图；

图4为二值基胞结构为1态时的结构示意图；

图5为0态sma丝的侧视示意图；

图6为1态sma丝的侧视示意图；

图7为弹性约束体的布置示意图；

图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)分别为二值基胞结构的四种阵列形式示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～8说明本实施方式，一种三自由度作动结构，它包括上连接基板1、下连接基板2及安装在上连接基板1与下连接基板2之间的若干二值基胞结构3，其中上连接基板1与下连接基板2之间通过集成化电/信线路联通，所述二值基胞结构3包括两个端头31及布置在两个端头31之间的sma驱动器32，且每个端头31与sma驱动器32之间均通过柔性铰链33连接，通过sma驱动器32实现一个端头31相对于另一个端头31的靠近及远离，若干sma驱动器32动作实现上连接基板1沿x轴方向的转动、沿y轴方向的转动及沿z轴方向的移动，对每个二值基胞结构3均进行物理编址。

集成化电/信线路位于作动结构的正中间位置。所述二值基胞结构为自定义概念，其能够实现两个端头31的靠近及远离。

sma驱动器32所用sma丝为双程记忆合金丝，也即通电时收缩并提供拉力，断电自身冷却后恢复原长。该记忆合金丝本身在低温下具有一定的弹性，能够被拉长并保持一定拉力。

三自由度分别指在z轴上的移动以及在x轴、y轴上的转动。

本申请的作动结构具有可时变刚度特性，可以从近似刚体结构转变为近似柔体结构。根据操控柔顺度需求，除作动结构内保持作动结构位姿必须的二值基胞结构3外，通过将不同数量的二值基胞结构3从随动状态转变为工作状态或者从工作状态转变为随动状态，从而实现作动结构刚度的快速变换与调节。所谓二值基胞结构3的随动，是指其sma驱动器32处于不通电状态，对其他二值基胞结构3的运动影响可以忽略。该方法有效地解决高柔顺度与高刚度之间的矛盾。

通过本申请可以实现用更加小型或微型的基本单元或模块来集群构造机器人，达到机器人的集群化协调作业的目标。

对每个二值基胞结构3都进行物理编址，可以实现对每个二值基胞结构3可寻址式的编程控制，通过发挥每个二值基胞结构3的主观能动性，可以使得由作动结构具有较高的智能性、柔顺性、苛刻环境适应性，在工程上具有广阔的应用前景。

二值基胞结构3中的sma驱动器32，具有特殊的形状记忆效应，在初样设计阶段，可针对单机产品进行多次实验。

本申请由二值基胞结构3阵列形成的类柔性作动结构，相比传统的刚体机器人或现阶段的柔体机器人，其最大的优势在于其具有很高的容错/容残特性，一定数量的二值基胞结构3发生故障或不工作不会对作动结构的总体功能或性能产生严重影响。

所述sma驱动器32包括内壳321、外壳322、1态sma丝323及0态sma丝324，内壳321与外壳322嵌套且相互滑动连接，内壳321的顶部与外壳322的底部之间通过0态sma丝324连接，内壳321的底部与外壳322的顶部之间通过1态sma丝323连接。通过控制1态sma丝323及0态sma丝324的伸缩动作，实现内壳321相对于外壳322的相对滑动，进而实现二值基胞的伸缩运动。作动过程中，1态sma丝323及0态sma丝324互不干扰。

二值基胞的作动原理为，二值基胞为0态时，对0态sma丝324供电，其提供拉力并缩短内壳321与外壳322之间相对位移，同时1态sma丝323被拉长并保持一定阻力。二值基胞为1态时，对1态sma丝323供电，其提供拉力并增大内壳321与外壳322之间相对位移。同时0态sma丝324被拉长并保持一定阻力，使二值基胞结构在作动过程中，保持稳定。

要实现在z轴上的移动，当作动结构内所有的二值基胞结构3为“0”态时，则作动结构z向位移最短；当作动结构内所有的二值基胞结构3为“1”态时，则作动结构z向位移最长。即通过控制全部二值基胞结构3从0态转换为1态或从1态转换为0态，从而实验在z轴方向上的移动。

实现x轴与y轴方向上的转动原理相同，当作动结构转动时，二值基胞结构3间需进行运动协调，如图1所示，y轴负方向上距离最远的一列二值基胞结构3作动为1态，y轴正方向距离最远的一列二值基胞结构3作动为0态，实现绕x轴的转动。当作动结构内的二值基胞结构3同时绕x轴和y轴转动且沿z轴移动时，作动结构上连接基板1的运动为一多维复合运动，由于上连接基板1为一刚性元件，各二值基胞结构3的运动必须保证连接基板的整体性和连续性，即变形的协调性，则通过对每个二值基胞结构3物理编址，实现每个二值基胞结构3的状态控制，满足相应的应变协调方程，最终实现复合运动。

所述0态sma丝324呈蛇形穿装在内壳321与外壳322之间，且0态sma丝324的两端部分别与内壳321的顶部固接，且分别连接电源的正、负极。

0态sma丝324的两端分别通过多折角的蛇形结构固装在内壳321上。如此设计，0态sma丝324的两端通过多折角方式固定，避免使用螺钉螺母等固定件，有效减小了二值基胞结构3的体积。多折角方式如图中p处局部示意图所示。

所述1态sma丝323呈蛇形穿装在内壳321与外壳322之间，且1态sma丝323的两端部分别与外壳322的底部固接，且分别连接电源的正、负极。

1态sma丝323的两端分别通过多折角的蛇形结构固装在外壳322上。如此设计，1态sma丝323的两端通过多折角方式固定，避免使用螺钉螺母等固定件，有效减小了二值基胞结构3的体积。

每相临两个二值基胞结构3之间均布置有弹性约束体4。如此设计，通过弹性约束体4填补相临丙价目二值基胞结构3之间的空隙，保证在运动过程作动结构的稳定性。

所述集成化电/信线路设置在作动结构的中间位置。

上连接基板1与下连接基板2结构相同，两个连接基板上相对的一侧面均开设有若干卡槽，每个二值基胞结构3的上下两个端头31对应与两个连接基板上的卡槽配合固定。

若干二值基胞结构3呈阵列形式布置。其可以根据需要设置为多种阵列形式。

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