CN107140048B - 一种零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构及其使用方法，运动结构包括储能腔、喷口、振动膜、振动压电片、支撑腿和驱动压电片，所述储能腔为无顶盒体结构，振动膜作为储能腔的顶面与储能腔组成密闭空腔结构，喷口设在储能腔侧壁，振动压电片设在振动膜上，支撑腿为2个以上，均匀分布在储能腔底面，支撑腿为弧形结构，支撑腿外弧面相对设置，每个支撑腿上均设有驱动压电片。本发明零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构及其使用方法，不需要外界气源，相对于普通的仿生机器人采用的液压式机械结构，所需能量较少，易于控制，且由于结构简单，重量较轻，能效比更高。

Description

一种零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种仿生机器人运动结构，尤其涉及一种零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构及其使用方法。
背景技术
现有仿生机器人的机械结构往往采用的是液压结构为主，最为重要的问题是由于过于“仿生”导致运动频率不高，且往往会有运动蓄力不足的问题。即需要大量的时间进行蓄力，方能完成一次动作。若能够实现仿生机器人极短时间内蓄力，并且能够工作在高频激励信号下，这样所设计的仿生机器人运动结构不仅能大大提高仿生机器人的运动能力，并且能够通过这种模型的优化提高整个结构的效率，而且兼具有重量较轻、便于控制、输入能量较少等特点。
发明内容
发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种将喷气推进与弹跳相结合的零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构及其使用方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构，包括储能腔、喷口、振动膜、振动压电片、支撑腿和驱动压电片，所述储能腔为无顶盒体结构，振动膜作为储能腔的顶面与储能腔组成空腔结构，喷口设在储能腔侧壁，振动压电片设在振动膜上，支撑腿为2 个以上，均匀分布在储能腔底面，支撑腿为弧形结构，支撑腿外弧面相对设置，每个支撑腿上均设有驱动压电片。
工作原理：本发明零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构，储能腔作为整个运动结构的储能空间，每周期内吸入的气体在储能腔内暂时储存；等到喷出的半周期，储能腔内的气体通过喷口排出，使得整个结构在此时产生一个反向的推力；振动压电片能够为振动膜提供激励信号，激励信号主要是利用的压电材料的逆压电效应，控制振动膜进行压缩或者扩张储能腔体积；支撑腿一方面起到支撑结构的作用，一方面将驱动压电片的形变压力转化为弹性势能，在储能腔喷气阶段，支撑腿释放在压缩阶段储备的能量，实现跳起状态。
所述振动膜为弹性材料振动膜，能够对储能腔实现体积的变化。
优选，所述喷口设在储能腔背向前进方向的侧壁，喷口为单一圆形孔、方形孔、条状孔、一排圆形孔或一排方形孔。
所述喷口角度可以调节，能方便控制运动机构前进方向。
所述振动压电片和驱动压电片供电电压为周期性交流电压信号，能使压电片发生周期性形变，进而使振动膜放大形变信号，进行上、下往复运动。上述周期性交流电压信号的激励频率可为高频交流信号。
所述支撑腿弧度可以调节，能控制支撑腿弹力和控制运动机构弹跳方向。上述零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构的使用方法，包括以下步骤：
1）、调整喷口角度，振动压电片和驱动压电片通电，振动压电片和驱动压电片在周期性的交流电压信号驱动下，发生周期性形变；
2）、振动压电片所附着的振动膜放大形变信号，振动膜进行上、下往复运动；
3）、振动膜的上下运动使得储能腔的体积发生周期性压缩、扩张变化；
4）、储能腔在扩张的半周期内直接从喷口四周吸入气体，在压缩的半周期内沿着喷口的开口方向喷出气体；
5）、由于喷出的气体指向性较强，使得整个结构在此时产生一个反向的推力；
6）、支撑腿所附着的驱动压电片激励信号与振动压电片的激励信号同步，支撑腿将驱动压电片形变压力转化为弹性势能，在储能腔向后喷出气体时，正好释放弹性势能，使得整体结构能够弹起，反向的推力使得整个运动结构向前运动。
上述振动压电片和驱动压电片由于工作频率较高，一周期内运动结构的微弱位移在宏观上可以产生明显的运动特征。
本发明未提及的技术均为现有技术。
有益效果：本发明零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构及其使用方法，不需要外界气源，相对于普通的仿生机器人采用的液压式机械结构，所需能量较少，易于控制，且由于结构简单，重量较轻，能效比更高。
附图说明
图 1 为本发明零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构结构示意图；
图 2 为本发明零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构工作原理示意图；
图中，1 为储能腔、2 为振动膜、3 为喷口、4 为振动压电片、5 为支撑腿、6 为驱动压电片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例 1
如图 1-2 所示，一种零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构，包括储能腔 1、喷口3、振动膜 2、振动压电片 4、支撑腿 5 和驱动压电片 6，所述储能腔 1 为无顶盒体结构， 振动膜 2 作为储能腔 1 的顶面与储能腔 1 组成空腔结构，喷口 3 设在储能腔 1侧壁，振动压电片 4 设在振动膜 2 上，支撑腿 5 为 4 个，均匀分布在储能腔 1 底面，支撑腿 5为弧形结构，支撑腿 5 外弧面相对设置，每个支撑腿 5 上均设有驱动压电片 6；振动膜 2为弹性材料振动膜 2；喷口 3 设在储能腔 1 背向前进方向的侧壁，喷口 3 的形状为圆形孔；喷口 3 角度可以调节；振动压电片 4 和驱动压电片 6 供电电压为周期性交流电压信号；支撑腿 5 弧度可以调节。
本发明零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构，储能腔 1 作为整个运动结构的储能空间，每周期内吸入的气体在储能腔1 内暂时储存；等到喷出的半周期，储能腔1 内的气体通过喷口3 排出，使得整个结构在此时产生一个反向的推力；振动压电片4 能够为振动膜2 提供激励信号，激励信号主要是利用的压电材料的逆压电效应，控制振动膜2 进行压缩或者扩张储能腔 1 体积；支撑腿 5 一方面起到支撑结构的作用，一方面将驱动压电片 6的形变压力转化为弹性势能，在储能腔 1 喷气阶段，支撑腿 5 释放在压缩阶段储备的能量，实现跳起状态。整个结构的前进动力主要来源于储能腔 1 内气体的向后喷出。本发明所喷出的气体来源就是外界环境的气体，而不需要额外引入气源。
本发明激励信号主要是利用的压电材料的逆压电效应。
本发明振动压电片4 带动振动膜2 产生的形变，促使储能腔1 体积的压缩和扩张；驱动压电片 6 影响着支撑腿 5 形状的改变，从而完成弹跳的动作。
本发明整个运动结构的工作过程是储能腔1 内气体的喷出与支撑腿5 的弹跳动作共同作用的结果。
本发明运动结构所需激励频率可为高频交流信号。
上述零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构的使用方法，包括以下步骤：
1）、调整喷口 3 角度，振动压电片 4 和驱动压电片 6 通电，振动压电片 4 和驱动压电片 6 在周期性的交流电压信号驱动下，发生周期性形变；
2）、振动压电片 4 所附着的振动膜 2 放大形变信号，振动膜 2 进行上、下往复运动；
3）、振动膜 2 的上下运动使得储能腔 1 的体积发生周期性压缩、扩张变化；
4）、储能腔 1 在扩张的半周期内直接从喷口 3 四周吸入气体，在压缩的半周期内沿着喷口 3 的开口方向喷出气体；
5）、由于喷出的气体指向性较强，使得整个结构在此时产生一个反向的推力；
6）、支撑腿 5 所附着的驱动压电片 6 激励信号与振动压电片 4 的激励信号同步，支撑腿 5 将驱动压电片 6 形变压力转化为弹性势能，在储能腔 1 向后喷出气体时，正好释放弹性势能，使得整体结构能够弹起，反向的推力使得整个运动结构向前运动。
本发明零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构及其使用方法，不需要外界气源，相对于普通的仿生机器人采用的液压式机械结构，所需能量较少，易于控制，且由于结构简单， 重量较轻，能效比更高。
实施例 2
与实施例 1 基本相同，所不同的是：喷口 3 的形状为方形孔。
实施例 3
与实施例 1 基本相同，所不同的是：喷口 3 的形状为条状孔。
实施例 4
与实施例 1 基本相同，所不同的是：喷口 3 的形状为一排圆形孔。
实施例 5
与实施例 1 基本相同，所不同的是：喷口 3 的形状为成排方形孔。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构，其特征在于：包括储能腔、喷口、振动膜、振动压电片、支撑腿和驱动压电片，所述储能腔为无顶盒体结构，振动膜作为储能腔的顶面与储能腔组成空腔结构，喷口设在储能腔侧壁，振动压电片设在振动膜上，支撑腿为2个以上，均匀分布在储能腔底面，支撑腿为弧形结构，支撑腿外弧面相对设置，每个支撑腿上均设有驱动压电片。
2.如权利要求1所述的零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构，其特征在于：所述振动膜为弹性材料振动膜。
3.如权利要求1所述的零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构，其特征在于：所述喷口设在储能腔背向前进方向的侧壁，喷口为单一圆形孔、方形孔、条状孔、一排圆形孔或一排方形孔。
4.如权利要求2所述的零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构，其特征在于：所述喷口角度可以调节。
5.如权利要求1-4任意一项所述的零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构，其特征在于：所述振动压电片和驱动压电片供电电压为周期性交流电压信号。
6.如权利要求1-4任意一项所述的零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构，其特征在于：所述支撑腿弧度可以调节。
7.权利要求1-6任意一项所述的零矢量喷气式驱动弹跳机器人运动结构的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）、调整喷口角度，振动压电片和驱动压电片通电，振动压电片和驱动压电片在周期性的交流电压信号驱动下，发生周期性形变；
2）、振动压电片所附着的振动膜放大形变信号，振动膜进行上、下往复运动；
3）、振动膜的上下运动使得储能腔的体积发生周期性压缩、扩张变化；
4）、储能腔在扩张的半周期内直接从喷口四周吸入气体，在压缩的半周期内沿着喷口的开口方向喷出气体；
5）、由于喷出的气体指向性较强，使得整个结构在此时产生一个反向的推力；
6）、支撑腿所附着的驱动压电片激励信号与振动压电片的激励信号同步，支撑腿将驱动压电片形变压力转化为弹性势能，在储能腔向后喷出气体时，正好释放弹性势能，使得整体结构能够弹起，反向的推力使得整个运动结构向前运动。
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