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尺蠖式仿生微型机器人 的结 构和致动机理研究一李宇鹏 孙洪胜 单彦霞 尺蠖式仿生微型机器人 的结构和致动机理研究 李宇鹏 燕 山大学， 秦皇 岛， 066004 孙 洪胜 单彦 霞 摘要 ： 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 。 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 中图分 类号 ： T H 12 D OI ： 10． 3969／ j． issn． 1004—132X ． 2012． 12． 008 R esearc h on St ruc ture an d D riv ing P rin ci ples of I n ch w or m — l ik e B ion ic M icro — robot L i Y u pen g S un H on g sh eng Y anshan U nivesity 。 Q inhuangdao ， H ebei ， 0660 04 A bstract ： A new b ias tw o — strok e S M A mic ro — driver w as pu t fo rw ar d ， a f our — legg ed bion ic mi— cro — robo t w h ich mo ved lik e an in ch w orm w as d es ig n ed in th e f ou ndation of th e ac tu ato r． A new bio n— iC f oo t b ased on a fou r ～ link age m ech anis m w as ad van ced ， the ou tpu t for ce direction of th e m ic ro — driver W3S changed by using the new feet． T he friction se1f — lock ing pr inciple of the new feet was ana— ly zed an d co nd it ion s f or fric tio n s e1f — loc kin g of t h e new m icro — feet w as ob tained ， t he fo rw ar d m ov e— m er i t of t h e m icro ～ ro bo t w as ac hiev ed reliab ly ． T h e d riv ing p rin ciple o f inc hw or m bion ic - -ex po un ded．T h e m ot ion r eg ular and s tep an d freq uenc y of inc h w o rm ～ rob ot w ere analy zed ． K ey w ords ： b io nic m icro — ro bot ； SM A m ic ro — a ct uat or ； in ch w orm — m ot ion ； f ou r— lin kag e m ech a— nis m fo ot ： f riction s el f — lock in g S han Y an xia rob ot w as 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 SM A 驱动 方式 的特 点 提 出并设 计 了一 种 新 型偏 动式 双程 SM A 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 SM A 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 。 机器 人基本结构和运 动机 理 微 型机 器 人 结 构 见 图 1? ， 用 矩 形 截 面 的 收稿 日期 ： 2011 O4～O2 60Si Mn 弹性 弧 杆 做 偏 置 元 件 ， 它 与 SM A 主驱 动 弹簧 构成偏 动式 双程 SM A 微 型驱 动器 。SMA 1 1 1 2 1 3 14 1 5 5 6 7 8 9 10 1， 1O． 刚性脚4 ， 7． 普通弹簧2， 9． SM A 脚弹簧5． 弹性弧杆3， 8． 四杆机构 6． SMA 主驱动弹簧 1l ， l2． 横 梁l3． 躯 干体14． 双层硅板15． 微机械手 ( a) 用 于基本 功能部件说 明的二维 图 ( b) 可用于行为仿真 的三维结构 图 图 1 尺蠖式微型 机器 人基本 结构 · 1423 ·