[发明专利]一种基于形状记忆合金的气动仿生舌头

说明书

本发明公开了一种基于形状记忆合金的气动仿生舌头，包括驱动部分、舌体部分和舌尖部分，驱动部分包括气体驱动器和形状记忆合金驱动器，气体驱动器由多根波纹管构成，波纹管是舌体部分的主要部件，舌体部分还包括硅胶外套，可实现大范围伸缩。舌尖部分由形状记忆合金丝和硅胶构成，可实现二维平面的卷曲。本发明集成了气动伸缩范围大和形状记忆合金响应快、以及软材料抓握损伤小的优点，有机地将气动、形状记忆合金驱动融合在一起，实现了一种抓握范围大、同时适用液体、颗粒固体和光滑软体等多种对象的通用抓握方式。本发明结构和气路简单，将舌尖的二维卷曲转变为交叉方向的形状记忆合金丝收缩控制，整体采用模块化设计便于维护更换。

技术领域

本发明涉及仿生学和软体机器人领域，具体涉及一种基于形状记忆合金的气动仿生舌头。

背景技术

仿生学是一门生物学与其他技术相结合的一个交叉学科，其中机器人抓手在工业自动化中已有了广泛应用，目前机器人抓手也逐渐从刚性抓手转向柔性抓手的过渡，抓取对象的适应性也在大幅增加。柔性抓手由于抓握损伤小自适应性好，因此可以更好地实现抓握、分类和运输。气动、形状记忆合金驱动是柔性抓手中两种常见的驱动方式，气动具有变形范围大、往复性好等特点，形状记忆合金是一种以镍钛合金系为主的智能材料，主要是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应。具有响应快、结构简单、成本低、轻便等优点，同时还具有很好的生物兼容性，在医学和航天领域也有着广泛的应用。

虽然涌现了许多有代表性的抓手，但是目前大多数抓手的抓取对象多为固体，不适用于液体或者颗粒物质，通用性不强。舌头作为人类和部分动物重要的器官之一，有饮水、捕食等作用，如犬科动物采用蜷缩舌头来喝水，青蛙、变色龙等通过快速伸出舌头来捕获猎物，这也是自然界中存在的一种抓取方式。因此可以仿照舌头的功能和特点，设计一种新型抓手，具备大伸缩变形和卷曲变形特点，可满足多种物质的抓取需求。

发明内容

本发明的目的是仿生犬科动物饮水时特别的动作机制，提出一种适用于大范围、多种类的通用抓取方式。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于形状记忆合金的气动仿生舌头，包括驱动部分、舌体部分和舌尖部分，所述驱动部分包括气体驱动器和形状记忆合金驱动器，所述气体驱动器由多根波纹管构成，所述波纹管是舌体部分的主要部件，所述舌体部分还包括硅胶外套，可实现大范围伸缩；所述形状记忆合金驱动器由横纵向垂直布置的多组形状记忆合金丝构成，所述舌尖部分除形状记忆合金外还包括弹性薄板、定位薄片、硅胶基体，主要实现二维平面的卷曲。

进一步地，所述舌体部分和舌尖部分，分别采用气动、形状记忆合金驱动进行控制，所述舌尖部分包含垂直布置的形状记忆合金丝。

进一步地，所述仿生舌头还包括微型气泵、电磁阀、电气转换器、流量计、单片机、位移传感器、气动PU(Polyurethane Tubing)管等附件，用于对舌头的位置和动作状态进行控制。气体经微型气泵、电磁阀、电气转换器、流量计到仿生舌头形成一个闭合气动回路，微型气泵是整个系统的动力源，通过电磁阀、电气转换器等气动控制元件来实现气路的通断调节，还需要拉线位移传感器和流量计等检测元件实现检测和反馈，单片机作为系统的控制平台；

仿生舌头通过舌根固定在铝合金型材架上，拉线位移传感器的拉线与过渡接头固联，用来检测和实时反馈舌头的位移，硅胶外套与舌根及过渡接头胶接，硅胶外套和拉线都随气体驱动器同步伸缩，舌尖部分的底部粘有弹簧钢材质的弹性薄板，由于硅胶材料和弹簧钢的刚度差异，使得舌尖在形状记忆合金驱动时自发向内卷曲成勺子状；

当舌头执行抓取动作时，单片机输出启动信号，微型气泵工作提供压力气体，同时电磁阀、电气转换器等气动控制元件动作，打开舌头与微型气泵之间的气路，执行伸出动作，当到达目标位置时，电气转换器输出稳定压力气体，使仿生舌头稳定在设定的目标位置，形状记忆合金丝通电在电流激励下受热收缩，拉动舌尖部分卷曲，完成抓取动作；