复合驱动的仿水母两栖机器人的运动方法

摘要

本发明涉及一种复合驱动的仿水母两栖机器人的运动方法，属于仿生、复合运动的机器人技术领域。该机器人由驱动机构（3）、传动机构（2）、外壳（1）、弹性腿（4）组成。上述运动方法包括潜浮运动、转向运动、速度控制、水底或陆地行走。该方法运动模式多、运动中整体结构稳定不易侧翻。

主权项

一种复合驱动的仿水母两栖机器人的运动方法，所述复合驱动的仿水母两栖机器人由驱动机构（3）、传动机构（2）、外壳（1）、弹性腿（4）组成； 其特征在于包括以下过程：所述复合驱动的仿水母两栖机器人具体结构如下：上述驱动机构包括第一圆盘（33）、第二圆盘（32）、第二固定块（37）、中心杆（36）、SMA弹簧组（34）、复位弹簧（35）；其中第一圆盘（33）通过其中心的第一固定块（38）固定于中心杆（36）下端，第二圆盘（32）通过其中心的滑块（31）沿中心杆滑动，第二固定块（37）固定于中心杆（36）的顶端；第一圆盘（33）和第二圆盘（32）之间通过SMA弹簧组（34）相连，其中每个SMA弹簧的两端分别与电源正极或负极相连；滑块（31）与第二固定块（37）之间通过复位弹簧（35）相连；上述传动机构由N组连杆机构组成，其中每组连杆机构均由第一连杆（21）、第二连杆（22）、第三连杆（23）组成；其中第一连杆（21）的一端与滑块（31）铰接，第一连杆（21）的另一端与第三连杆（23）铰接，第二连杆（22）一端与第二固定块（37）铰接，第二连杆（22）的另一端与第一连杆（21）的中部铰接；上述外壳由N个摆动板（12）和一个柔性半球形外壳（11）组成；其中每块摆动板（12）分别与对应的第三连杆（23）固定；上述柔性半球状外壳（11）固定并贴合于N个摆动板（12）的外表面；上述外壳（1）还包括安装于第二固定块上（37）的与柔性半球状外壳顶部相连的支撑杆（13）；上述弹性腿（4）包括固定于摆动板（12）的套筒（41）、安装于套筒（41）顶部的端盖（43）、安装于套筒（41）内且上端与端盖（43）相连的弹簧（44）、与弹簧下端相连的滑块（45）、与滑块相连的IPMC腿（42）；其中IPMC腿（42）由两片并联的IPMC膜组成；IPMC膜的两端分别与电源正极或负极相连；IPMC膜平面垂直于第一圆盘（33）的半径方向；上述运动方法包括潜浮运动、转向运动、速度控制、水底或陆地行走，具体过程如下：潜浮运动：当SMA弹簧通电加热后，SMA弹簧收缩，拉动由传动机构（2）和外壳（1）共同组成的伞状机构收缩排水，撤去电流后，在回复弹簧的作用下，SMA弹簧能快速恢复原形，伞状机构会张开吸水，完成一个周期的动作；上浮时使机器人头部朝上，下潜时使机器人头部朝下，伞状机构以一定的频率排水、吸水，提供了水母上浮或下潜的主要驱动力；转向运动：这里的转向是指机器人在中心杆所在平面内的转向，在机器人运动过程中通过在一条IPMC腿部通以电流使其向一侧弯曲，由于流体环境介质对弯曲的IPMC腿施加了阻力，整个机器人受垂直于中心杆方向的转矩，从而机器人向腿部弯曲的方向转动；当两条对角IPMC腿同时同方向弯曲时可以实现机器人的急转，通过急转可以快速的使机器人在中心杆所在平面内转动，最终实现机器人姿态的调整；速度控制：由SMA弹簧的伸缩频率和IPMC的摆动频率共同决定；水底或陆地行走: 每个弹性腿的IPMC腿由两片并联的IPMC膜组成，使腿部可以双向对称弯曲；当向一片IPMC膜厚度方向，施加电压时，IPMC膜会向阳极方向弯曲；弹性腿接触水底时，由于受压力作用弹性腿内部的弹簧被压缩一段长度，IPMC腿也会随之向套筒内收起相同长度，从而降低了机器人的整体重心；按前进方向将机器人的四条腿顺时针编号为一号腿、二号腿、三号腿、四号腿，其中一号腿为位于最前方的腿；适用于平坦水底或陆地的快速行走方式，包括以下步骤：步骤1、一号腿、二号腿、三号腿、四号腿均未施加电压保持竖直状态，均为主支撑腿，机器人稳定；步骤2、使一号腿、三号腿同时向前进方向弯曲，由于弹簧的伸长作用，一号腿、三号腿伸长触地；此时虽然一号腿、三号腿触地，但由于一号腿、三号腿与地面作用力小所以它们为辅支撑腿，二号腿、四号腿仍为主支撑腿；此时重心落在二号腿、四号腿组成的矩形区域内，机器人稳定；步骤3、使二号腿、四号腿向内弯曲，由于弹簧的伸长作用，二号腿、四号腿伸长触地；此时虽然二号腿、四号腿触地，但由于二号腿、四号腿与地面作用力小所以它们为辅支撑腿，一号腿、三号腿为主支撑腿；此时重心落在一号腿、三号腿组成的矩形区域内，机器人稳定；步骤4、使一号腿、三号腿同时向前进方向的反方向弯曲至竖直状态，机器人身体随即向前移动了一个步长；此时二号腿、四号腿仍为辅支撑腿，一号腿、三号腿仍为主支撑腿；此时重心落在一号腿、三号腿组成的矩形区域内，机器人稳定；步骤5、使二号腿、四号腿同时向外侧弯曲至竖直状态，此时一号腿、二号腿、三号腿、四号腿均未施加电压保持竖直状态，均为主支撑腿，机器人稳定；机器人完成一个周期的快速步行动作；适用于崎岖水底或陆地的慢速行走方式，包括以下步骤：步骤1、一号腿、二号腿、三号腿、四号腿均未施加电压保持竖直状态，均为主支撑腿，机器人稳定；步骤2、使三号腿向前进方向弯曲，由于弹簧的伸长作用三号腿伸长触地；然后使一号腿向前进方向弯曲，由于弹簧的伸长作用一号腿伸长触地；该步骤中任意时候机器人至少有三条腿触地支撑，因此机器人稳定；步骤3、使四号腿向内弯曲，由于弹簧的伸长作用四号腿伸长触地；然后使二号腿向内弯曲，由于弹簧的伸长作用二号腿伸长触地；该步骤中任意时候机器人至少有三条腿触地支撑，因此机器人稳定；步骤4、使一号腿、三号腿同时向前进方向的反方向弯曲至竖直状态，机器人身体随即向前移动了一个步长； 步骤5、使二号腿向外侧弯曲弯曲至竖直状态；然后使四号腿向外侧弯曲弯曲至竖直状态；该步骤中任意时候机器人至少有三条腿触地支撑，因此机器人稳定。