CN102795069B - 复合驱动的仿水母两栖机器人的运动方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

复合驱动的仿水母两栖机器人的运动方法

技术领域

本发明涉及的是一种仿生、复合运动的机器人，具体的说仿水母两栖机器人的运动方法。

背景技术

随着海洋开发需求的增长及技术的进步，具备各种特定功能的水下机器人得到迅猛的发展。其中仿水母机器人具有独特的发展潜力，水母体的喷水式推进方式简单可靠，易于用复合材料实现，并且仿水母机器人具有效率高、机动性能好、噪声低、对环境扰动小的特点，在海洋考察、环境检测以及军事领域具有重要的应用前景。目前已有的一些仿水母机器人已经能够降低噪声，并取得较好的运动灵活性，但在适应复杂的海洋环境，特别是同时能够在水中和水底环境中进行运动的能力还有待进一步改善。

目前国内外科研人员已经在仿水母机器人上取得了很多成果。例如专利号为200810064358.5的专利中提出了一种水下微型仿生机器鱼。它提供了一种体积小，运动灵活，超低噪声的仿生机器鱼，但其小推力的特性限制了它的运动局限于静水环境。其中IEEE在2010年7月13卷15期277至281页发表了一篇“A Novel Jellyfish-like Biomimetic Microrobot”的论文，该论文提出了一种用形状记忆合金（SMA）驱动的仿水母机器人，但作为动力的SMA是单根的，驱动力有限，易受外界环境干扰，驱动力的不足限制了机器人的运动灵活性，并且整体结构不够稳定，在水中容易侧翻。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由SMA和高分子离子聚合物（IPMC）驱动的仿水母两栖机器人的运动方法，该方法运动模式多、运动中整体结构稳定不易侧翻。

一种复合驱动的仿水母两栖机器人的运动方法，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由驱动机构、传动机构、外壳、弹性腿组成，具体结构如下：上述驱动机构包括第一圆盘、第二圆盘、第二固定块、中心杆、SMA弹簧组、复位弹簧；其中第一圆盘通过其中心的第一固定块固定于中心杆下端，第二圆盘通过其中心的滑块沿中心杆滑动，第二固定块固定于中心杆的顶端；第一圆盘和第二圆盘之间通过SMA弹簧组相连，其中每个SMA弹簧的两端分别与电源正极或负极相连；滑块与第二固定块之间通过复位弹簧相连；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、第二连杆、第三连杆组成；其中第一连杆的一端与滑块铰接，第一连杆的另一端与第三连杆铰接，第二连杆一端与第二固定块铰接，第二连杆的另一端与第一连杆的中部铰接；上述外壳由N个摆动板和一个柔性半球形外壳组成；其中每块摆动板分别与对应的第三连杆固定；上述柔性半球状外壳固定并贴合于N个摆动板的外表面；上述外壳还包括安装于第二固定块上的与柔性半球状外壳顶部相连的支撑杆；上述弹性腿包括固定于摆动板的套筒、安装于套筒顶部的端盖、安装于套筒内且上端与端盖相连的弹簧、与弹簧下端相连的滑块、与滑块相连的IPMC腿；其中IPMC腿由两片并联的IPMC膜组成；IPMC膜的两端分别与电源正极或负极相连；IPMC膜垂直于第一圆盘的半径方向。

  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，拉动由传动机构和外壳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。

利用同样的方法，机器人也可沿二、四号腿方向步行。

上述结构中如果上述第一圆盘和第二圆盘分别嵌有一根金属导电环，每个SMA弹簧的两端分别通过该金属导电环与电源正极或负极相连，结构简单。

上述运动方法中，在潜浮运动中，在IPMC腿部施加交变电压，使IPMC在初始位置附近小幅摆动，可以产生向前的辅助推力。

本发明的有益效果是：本发明不仅具备了已有的仿水母机器人的噪声低、运动灵活等特性，而且驱动力比已有仿水母机器人大，可以实现水下游动和水底行走的两栖运动形式，结构简单，制造成本低，易于维护。

附图说明

图1 是仿水母机器人的驱动和传动部分的三维图；

图2 是仿水母机器人整体的三维图；

图3 是仿水母机器人弹性腿部的三维图；

图4 是仿水母机器人单腿弯曲转向示意图；

图5 是仿水母机器人双腿弯曲急转示意图；

图6 是仿水母机器人前进方向及腿部编号示意图；其中T1代表一号腿，T2代表二号腿，T3代表三号腿，T4代表四号腿，箭头代表机器人前进方向；

图中标号名称：1.外壳，2.传动机构，3. 驱动机构，4. 弹性腿，11.柔性半球形外壳，12. 摆动板，13.支撑杆，21.第一连杆，22.第二连杆，23. 第三连杆，31. 滑块，32.第二圆盘，33.第一圆盘，34.SMA弹簧组，35.复位弹簧，36.中心杆，37.第二固定块，38.第一固定块，41.套筒，42.IPMC腿，43.端盖，44.弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

以下是仿水母两栖机器人主体的伞状驱动结构，它使用SMA弹簧驱动。它主要由外壳1、传动机构2、驱动机构3、弹性腿4组成。外壳1主要由柔性半球形外壳11、摆动板12、以及支撑杆13组成；传动机构2由十二根连杆组成，连杆之间是利用铆钉连接的，其中连杆23与摆动板12固连。驱动机构3由滑块31、第一圆盘33、第二圆盘32、SMA弹簧组34、复位弹簧35、中心杆36、第一固定块38、第二固定块37组成。其中每个圆盘内部装有一根金属环，圆盘材料为塑料，两根金属环连接SMA弹簧的两端作为正负电极。圆盘周向小孔可安装几十根SMA弹簧和一根电源线。SMA弹簧外层包有防水皮层线。滑块32中的小孔与中心轴为间隙配合，由于机构处于水下环境，且滑动速度较慢，所以只需在中心轴滑动范围内涂上脂来润滑，便可减小摩擦力。第一圆盘33通过中间第一固定块38与中心杆36连接，第一固定块38钻有盲孔，与中心杆36为过盈配合，中心杆36的底面抵在孔内，由于第一圆盘33只受单向力的作用，所以只需单侧用中心杆36端面固定即可。各个圆盘的小孔连接部分都安装有圆形橡胶圈进行防水。腿部包括套筒41、IPMC腿42、端盖43、弹簧44和滑块45，IPMC腿42上连接了导线，必须用防水胶布进行防水密封。

当SMA弹簧通上电流时变形收缩，拉动滑块32在中心杆36上运动，丛而带动连杆机构动作，连杆上连着塑料板随之摆动排水；当SMA弹簧上撤去电流后，滑块32依靠另一端连接的复位弹簧35复位，连杆机构随之张开，摆动板12完成向内吸水动作。这里选用SMA弹簧做驱动的原因是其最大变形量超过原长的10%，远远超出SMA丝的变形量，虽然其输出的力不如SMA丝大，但通过增加其数量可得到理想的驱动力。在滑块连接的圆轮上可以安装几十根SMA弹簧，大大增加了机构的驱动力，以后还可根据实际情况增加SMA弹簧的数量。为了增加水母机器人的排水效率，在四块摆动板12外侧蒙上了一层柔性半球形外壳11。柔性半球形外壳11顶部固定在中间的支撑杆13上。柔性半球形外壳11下部安装有四条可收缩的弹性腿4。可以在主体排水时辅助划水，也可用于方向控制，还可以在水下行走。在机器人水下行走时，腿部会向内收缩，降低重心防止机器人侧翻。

一、仿水母机器人的游动机理如下：

（1）潜浮运动  

本发明中将SMA弹簧安装在两个圆盘机构上，在圆盘周向上安装的若干根SMA弹簧，大大增强了机器人的驱动力。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，伞状机构也会张开吸水，完成一个周期的动作。伞状机构以一定的频率排水、吸水，提供了水母上浮的主要驱动力；下潜时，可以先使机器人翻转180°，然后和上浮运动原理相同。下面的转向运动中将说明机器人姿态翻转的实现。

（2）转向运动

这里的转向是指机器人绕图1所在纸平面法向的转向，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外侧弯曲，由于流体环境介质对弯曲的IPMC腿施加了阻力，整个机器人受到图1所在纸平面法向的转矩，从而机器人向腿部弯曲的方向转动（见图4）；当1、3或2、4（见图6）两条对角IPMC腿同时同方向弯曲时可以实现机器人的急转（见图5），通过急转可以快速的使机器人绕图1所在纸平面的法向转动，最终实现机器人姿态的180°翻转。

（3）速度控制

机器人的运动速度控制比较复杂，它由SMA弹簧的伸缩频率和IPMC的摆动频率共同决定。当IPMC作为转向尾静止时，机器人的运动速度正比于SMA弹簧的伸缩频率。

通过机器人的潜浮、转向运动可以使机器人到达水中的任何位置，机器人的腿部还可以使机器人在水底行走。

（4）水底行走

仿水母机器人在水底的行走主要依靠IPMC腿的运动来实现。通过控制四条IPMC腿的协调运动，可以使机器人在水下前进、后退。弹性腿的IPMC腿由两片IPMC膜组成，保证了腿部可以双向对称弯曲。当向IPMC材料厚度方向施加电压时，IPMC会向阳极方向弯曲。

在水底行走时，为了防止水流的冲击导致机器人的侧翻，本发明把机器人腿部设计成弹性的。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一定长度，机器人重心具有一定程度的下降，从而提高了其在水中行走的平稳性。

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。图6中T1代表一号腿，T2代表二号腿，T3代表三号腿，T4代表四号腿，箭头代表机器人前进方向。机器人可以在一号腿和三号腿，或二号腿和三号腿连线方向上行走。根据水底或陆地的平坦程度，机器人可以选择快速和慢速步行两种方式。快速步行时机器人两腿支撑两腿摆动行走；慢速步行时机器人三腿支撑一腿摆动行走。

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。

利用同样的方法，机器人也可沿二、四号腿方向步行。

Claims (3)

1.一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。

2.根据权利要求1所述复合驱动的仿水母两栖机器人的运动方法，其特征在于：在潜浮运动中，在IPMC腿部施加交变电压，使IPMC在初始位置附近小幅摆动，从而产生向前的辅助推力。

3.根据权利要求1所述的复合驱动的仿水母两栖机器人的运动方法，其特征在于：上述第一圆盘（33）和第二圆盘（32）分别嵌有一根金属导电环，每个SMA弹簧的两端分别通过该金属导电环与电源正极或负极相连。