自来水检漏
李宇鹏;孙洪胜;单彦霞
【摘 要】A new bias two--stroke SMA micro--driver was put forward, a four-legged bionic mi- cro- robot which moved like an inchworm was designed in the foundation of the actuator. A new bion- ic foot based on a four--linkage mechanism was advanced, the output force direction of the micro-- driver was changed by using the new feet. The friction self--locking principle of the new feet was ana- lyzed and conditions for friction self--locking of the new micro--feet was obtained, the forward move- ment of the micro--robot was achieved reliably. The driving principle of inchworm bionic--robot was expounded. The motion regular and step and frequency of inchworm--robot were analyzed.%提出并设计了一种新型偏动式双程SMA驱动器,以此驱动器为基础研发出一种靠交替摩擦自锁方式行走的尺蠖运动式仿生微型机器人。提出一种四杆机构无关节新型腿,这种新型腿可以有效改变SMA驱动器输出力的方向。分析了四杆机构新型腿的摩擦自锁机理,并求解出腿实现摩擦自锁的条件,使微型机器人能可靠地实现摩擦自锁作用下的稳步行进。阐述了新型微型机器人的定向运动机理,对微型机器人的尺蠖式收缩和伸张运动规律、步幅、频率等进行了分析及求解。 【期刊名称】《中国机械工程》
【年(卷),期】2012(023)012
【总页数】5页(P1423-1427)
【关键词】仿生微型机器人;SMA驱动器;尺蠖运动;四杆机构腿;摩擦自锁
【作 者】李宇鹏;孙洪胜;单彦霞
【作者单位】燕山大学,秦皇岛066004;燕山大学,秦皇岛066004;燕山大学,秦皇岛066004
【正文语种】中 文
【中图分类】TH12
0 引言
微型机器人能进入人类和宏观机器人所不能及的空间内进行检修、装配、运输等作业，具有广阔的应用前景。开展仿生微型机器人的运动机理、控制原理、驱动能源等方面的研究，
开发不同驱动机理、不同结构的仿生微型机器人具有重要意义。
尺蠖是一种以屈伸步态移动的软体动物。本文根据SMA驱动方式的特点提出并设计了一种新型偏动式双程SMA微型驱动器，以此驱动器为基础研发出了一种新型尺蠖式仿生微型机器人，在该机器人中首次提出用四杆机构与SMA弹簧构成一种靠交替摩擦自锁方式行走的新型腿来替代关节型腿，这种四杆机构腿能有效改变微型驱动器输出力方向，也能通过改变其各杆的比例来改变步幅的大小。在我们所能查阅的资料和所掌握的综合行业信息中，尚没发现与本文结构相同的SMA尺蠖机器人，特别是没发现用四杆机构作为行走腿的微型机器人。 1 机器人基本结构和运动机理
微型机器人结构见图1［1］，用矩形截面的60Si2Mn弹性弧杆做偏置元件，它与SMA主驱动弹簧构成偏动式双程SMA微型驱动器。SMA主弹簧在通电加热过程中收缩，当SMA弹簧变为奥氏体状态时屈服应力最大，驱动器处于高温力平衡态。SMA主弹簧在断电冷却过程中复原，弹性弧杆提供回复力，SMA主弹簧变为马氏体状态时屈服应力最小。表1列出了该机器人一个运动周期内各元件的加热时序［1］，其中，A表示加热状态，B表示保温状
态，C表示冷却状态。
图1 尺蠖式微型机器人基本结构
表1 机器人各元件动作控制时序表动作顺序 躯体SMA前脚SMA SMA 硅基 机械手后脚低头／抬头 C C C A C夹持 C C C B A抬头／低头 C C C C B前脚抬起 C A C C B收缩 A B C C B后脚抬起，前脚放下 B C A C B舒张 C C B C B后脚放下 C C C C B低头／抬头 C C C A B松手 C C C B C抬头／低头 C C C C C
图2 微型机器人运动节拍周期图1.主驱动（SMA）弹簧6的变化规律 2.前脚上驱动（SMA）弹簧9的变化 3.前脚上复位（普通）弹簧7的变化规律4.后脚上驱动（SMA）弹簧2的变化规律 5.后脚上复位（普通）弹簧4的变化规律
驱动器及各弹簧的运动规律与周期见图2［1］。图2的原点表示SMA弹簧9开始加热；t1表示SMA弹簧9加热完成并保温，此时主驱动SMA弹簧6开始加热；t2表示SMA弹簧6加热完成并保温，此时SMA弹簧2开始加热，SMA弹簧9开始冷却；t3表示SMA弹簧2加热完成并保温；t4表示SMA弹簧9冷却完成，此时SMA簧6开始冷却；t5表示SMA弹簧6冷却完成，
此时SMA弹簧2开始冷却；t7表示SMA弹簧2冷却完成。在t6时刻再次加热SMA弹簧9，开始下一个运动周期。l2和l3分别表示普通弹簧7和SMA弹簧9的输出位移，l1和l4分别表示普通弹簧4和SMA弹簧2的输出位移，l5表示SMA弹簧6和弹性杆弧5的输出位移。led光源模组
2 主要部件的结构及工作原理
2.1 机械手结构及工作原理
微型弹簧文献［2］研究了一种悬臂梁式电热微机械手，本文对其改进后的基本结构及尺寸见图3。
图3 微机械手结构及尺寸
微机械手由两个夹持臂构成，每个夹持臂包括由三根平行的矩形变截面硅梁构成的驱动臂，其顶端由连接梁相连，末端为硅基板。给不同的硅梁通电可实现通电张开或通电闭合的双向夹持运动。扩展臂依据具体夹持对象设计成相适应的形状。把原型的单硅基板改为两个上下平行硅基板结构，给不同的硅基板通电可实现机械手的上下摆动。文献［2］中，三个平行梁是等截面梁，硅基底板为实心基板。本文在每个梁的体积和质量均不变的前提下，将驱动臂改为三个不等截面但轴线相互平行的三平行梁结构，改善了驱动臂的受力条
件，并使驱动臂重心向基板方向偏移。在基板质量不变的前提下，调整结构尺寸将实心硅基底板改为空心基板，提高硅基板的刚度。
2.2 四杆机构结构和工作原理［1］
黑纸白字图4所示为前刚性脚上四杆机构。普通弹簧CF与常温的SMA脚弹簧CE保持平衡，使四杆机构为原始态。CE弹簧加热收缩时克服CF弹簧阻力驱动四杆机构运动；CE弹簧冷却时拉力逐渐减小，在CF弹簧作用下四杆机构逐渐回复原始态。杆AC与刚性脚FE的初始夹角为75°，在CE弹簧拉力作用下先逆时针转18°使CD杆触地，再继续转57°将刚性脚FE 抬起约0.83mm。在三角形ACE 中，∠CAE＝105°，由图4所示关系和余弦定理得热饮机
当杆AC的转角达到θ＝75°时，∠C″AE＝30°，由余弦定理可求C″E长度。因此，可以求出SMA脚弹簧CE的原始长度和被加热相变后的变形量。
后刚性脚上四杆机构在驱动器处于伸展状态时工作，因此，后刚性脚上四杆机构某些杆长和夹角不同于前脚，如图5所示。后脚上杆AC与刚性脚的初始夹角为60°，在SMA脚弹簧CE加热收缩拉力作用下逆时针旋转75°后将刚性脚抬起0.83mm。可见，后脚上杆CD触地
时与地面的倾角小于前脚上杆CD触地时与地面的倾角，保证了后脚上的四杆机构有一定的传动角而机构自身不会发生传动自锁。
图4 前脚上四连杆机构及运动形式
图5 后脚上四连杆自锁机构及运动形式
3 机器人运动的摩擦自锁分析［1］
3.1 驱动器收缩过程受力分析
收缩过程如图6、图7所示。图7中，G为机器人重力；N为法向反作用力。用T1、T2表示前后脚阻力；f1、f2表示前后脚摩擦力。SMA弹簧6加热，由马氏体向奥氏体转变而收缩，驱动力FSMA 渐增，FSMA 与Ti（i＝1，2）的垂直分量很小而水平分量大，摩擦力fi（i＝1，2）小。当FSMA水平分量大于Ti水平分量及摩擦力fi时，前脚沿地面左滑移而后脚沿地面右滑移。驱动条件为
式中，α为SMA主弹簧作用力与水平面夹角；β为弹性弧杆作用力与水平面夹角。
机读答题卡
图6 收缩过程驱动器受力
图7 收缩过程刚性脚受力
SMA弹簧6加热时，前脚SMA弹簧CE也加热收缩，克服普通弹簧CF阻力驱动四杆机构，CD杆触地后使前脚抬起，此时后脚四杆机构不动。随着α和β的增大，FSMA与Ti的水平分量减小而垂直分量增大，CD杆摩擦阻力f1增大而后脚摩擦阻力f2减小。当f1增至使CD杆绕其触地点转动而不向左滑移时，后脚在FSMA水平分量作用下克服f2力继续向右滑。CD杆自锁条件为
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