CN107235090B - 一种零矢量喷气式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、压电片和支撑腿，所述储能腔为无底盒体结构，振动膜作为储能腔的底面与储能腔组成密闭空腔结构，喷口设在储能腔侧壁，压电片设在振动膜上，支撑腿为2个以上，均匀分布在振动膜边缘；支撑腿为弧形结构，支撑腿外弧面相对设置。本发明零矢量喷气式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
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：
一种零矢量喷气式弹跳机器人运动结构，包括储能腔、喷口、振动膜、压电片和支撑腿，所述储能腔为无底盒体结构，振动膜作为储能腔的底面与储能腔组成密闭空腔结构，喷口设在储能腔侧壁，压电片设在振动膜上，支撑腿为2个以上，均匀分布在振动膜边缘；支撑腿为弧形结构，支撑腿外弧面相对设置。
工作原理：本发明零矢量喷气式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；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，一方面振动膜的形变也会传递至支撑腿，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。
上述零矢量喷气式弹跳机器人运动结构的使用方法，包括以下步骤：
1)、压电片通电，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)、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，振动膜的形变同时传递至支撑腿，对支撑腿产生压力，支撑腿将压力转化为弹性势能；
4)、储能腔在压缩、扩张的半周期内直接从喷口四周吸入气体，在扩张、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)、支撑腿此时正好释放储存的弹性势能，使得结构能够微微弹起，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为压电片、5为支撑腿。
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，一种零矢量喷气式弹跳机器人运动结构，包括储能腔1、喷口3、振动膜2、压电片4和支撑腿5，所述储能腔1为无底盒体结构，振动膜2作为储能腔1的底面与储能腔1组成密闭空腔结构，喷口3设在储能腔1侧壁，压电片4设在振动膜2上，支撑腿5为4个，均匀分布在振动膜2边缘；支撑腿5为弧形结构，支撑腿5外弧面相对设置；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；压电片4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；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，一方面振动膜2的形变也会传递至支撑腿5，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。整个结构的主要前进动力来源于储能腔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。
本发明压电材料所带动振动膜2产生的形变，不仅促使储能腔1体积的压缩和扩张，也影响着支撑腿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，压电片4通电，压电片4在周期性的交流电压信号驱动下，发生周期性形变；
2)、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，振动膜2的形变同时传递至支撑腿5，对支撑腿5产生压力，支撑腿5将压力转化为弹性势能；
4)、储能腔1在压缩、扩张的半周期内直接从喷口3四周吸入气体，在扩张、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此时正好释放储存的弹性势能，使得结构能够微微弹起，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 (6)
1.零矢量喷气式弹跳机器人运动结构的使用方法，其特征在于：使用一种零矢量喷气式弹跳机器人运动结构包括储能腔、喷口、振动膜、压电片和支撑腿，所述储能腔为无底盒体结构，振动膜作为储能腔的底面与储能腔组成密闭空腔结构，喷口设在储能腔侧壁，压电片设在振动膜上，支撑腿为2个以上，均匀分布在振动膜边缘；支撑腿为弧形结构，支撑腿外弧面相对设置；
包括以下步骤：
1)、压电片通电，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)、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，振动膜的形变同时传递至支撑腿，对支撑腿产生压力，支撑腿将压力转化为弹性势能；
4)、储能腔在压缩、扩张的半周期内直接从喷口四周吸入气体，在扩张、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)、支撑腿此时正好释放储存的弹性势能，使得结构能够微微弹起，反向的推力使得整个运动结构向前运动。
2.如权利要求1所述的零矢量喷气式弹跳机器人运动结构的使用方法，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弹跳机器人运动结构的使用方法，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弹跳机器人运动结构的使用方法，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弹跳机器人运动结构的使用方法，其特征在于：所述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弹跳机器人运动结构的使用方法，其特征在于：所述支撑腿弧度可以调节。
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