CN109353424B - 一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人及其控制方法，机器人包括四层平面PVC薄膜折叠形成的柔性身体和四个压电双晶片足，PVC薄膜层上连接有弹跳腿、止动片、形状记忆合金弹簧和不锈钢弹簧。利用压电双晶片在正余弦电压作用下的振动，机器人能够直线行走；利用形状记忆合金加热收缩的性能，PVC层储存和释放应变能以实现弹跳腿的放开和收回，机器人能够斜向上跳跃并恢复原状以继续行走，实现运动模式的相互转换。本发明机器人结合压电驱动快响应、高精度以及形状记忆合金大变形的优势，实现机器人的直线和跳跃运动，扩大了压电机器人的应用领域和运动范围。

Description

一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及超声领域、压电技术领域和跳跃机器人领域，尤其涉及一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人及其控制方法。

背景技术

压电移动机器人具有精度高、响应快、质量轻、尺寸小等优点，在精密仪器、航空航天、武器装备、生物医学等领域都有广阔的应用前景和市场潜力。压电机器人的运动基于压电陶瓷逆压电效应产生的高频振动，应变小，局限于平面内的运动。但是，在实际应用场合，机器人需要适应复杂地形，灵活转换运动方式，具备越过障碍的能力，因而跳跃机器人能够扩大机器人的运动和应用范围。

传统的跳跃机器人采用基于直流电机驱动的弹射机构，利用丝杠、齿轮、弹簧等机械元件实现能量的存储和释放。类似的机械传动装置结构复杂，为满足小型化的要求，采用化学能、气动能驱动或者利用智能材料的变形特性来简化弹射机构。形状记忆合金加热相变，刚度增加，无需附加机械传动元件，常用作跳跃机器人的触发装置。形状记忆合金跳跃机器人存在的挑战在于无翻转的平稳着陆和跳跃后的状态恢复，不影响后续的前进或二次跳跃运动。

发明内容

发明目的：针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人及其控制方法，利用形状记忆合金智能材料和柔性基体材料设计弹射机构，能够完成储能，跳跃，恢复，再跳跃的连续性运动；结合压电驱动技术，实现多运动方式的转换，扩大机器人的运动范围和应用领域，适应复杂地形内的行走。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人，包括第一至第四驱动足、第一至第四PVC薄膜层、第一和第二形状记忆合金弹簧、第一和第二弹跳腿、第三弹簧和止动片，其中：

第一至第四PVC薄膜层由上至下依次设置，两两之间有空隙，且其两端相互粘结，第二PVC薄膜层两端粘结端预留第一延伸部用来安装第一至第四驱动足；

第一和第四PVC薄膜层呈“Z”字形状，用来使第三PVC薄膜层变形，中间分别设有第一开口和第二开口；第一形状记忆合金弹簧穿过第一开口，两端固定在第一PVC薄膜层上；第二形状记忆合金弹簧穿过第二开口，两端固定在第四PVC薄膜层上；

第二PVC薄膜层呈“工”字形状，中间窄处用来给第一和第三PVC薄膜提供变形空间，同时安装止动片；

第三PVC薄膜层用来储存和释放应变能，中间设有第三开口，以使第三PVC薄膜层穿过第二PVC薄膜层的中间窄处，折叠呈“V”字形状，且第三PVC薄膜层的横向两侧预留第二延伸部用来安装第一和第二弹跳腿；第三弹簧跨过第三开口，两端固定在第三PVC薄膜层上。

可选的，第一至第四驱动足均采用压电双晶片，一端为自由振动端、另一端与第二PVC薄膜层纵向两端第一延伸部固定连接。

可选的，止动片呈梯形，一端固定在第二PVC薄膜层中间窄处。

可选的，所述第三弹簧为不锈钢弹簧。

本发明另一实施例中，一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人的控制方法，该机器人包括第一至第四驱动足、第一至第四PVC薄膜层、第一和第二形状记忆合金弹簧、第一和第二弹跳腿、第三弹簧和止动片，其中：

第一至第四PVC薄膜层由上至下依次设置，两两之间有空隙，且其两端相互粘结，第二PVC薄膜层两端粘结端预留第一延伸部用来安装第一至第四驱动足；

第一和第四PVC薄膜层呈“Z”字形状，用来使第三PVC薄膜层变形，中间分别设有第一开口和第二开口；第一形状记忆合金弹簧穿过第一开口，两端固定在第一PVC薄膜层上；第二形状记忆合金弹簧穿过第二开口，两端固定在第四PVC薄膜层上；

第二PVC薄膜层呈“工”字形状，中间窄处用来给第一和第三PVC薄膜提供变形空间，同时安装止动片；

第三PVC薄膜层用来储存和释放应变能，中间设有第三开口，以使第三PVC薄膜层穿过第二PVC薄膜层的中间窄处，折叠呈“V”字形状，且第三PVC薄膜层的横向两侧预留第二延伸部用来安装第一和第二弹跳腿；第三弹簧跨过第三开口，两端固定在第三PVC薄膜层上；

控制方法包括机器人直线运动控制方法、机器人跳跃运动控制方法和机器人跳跃后恢复原状的控制方法。

其中，机器人直线运动控制方法包括：

初始状态时，机器人四个驱动足均着地，用以支撑其身体，此时，若对第一至第四驱动足施加同幅同频的正余弦电压，则机器人开始直线运动；

跳跃运动时，机器人没有恢复原状，第一和第二驱动足以及第一和第二弹跳腿着地，第三和第四驱动足离地，对第一至第二驱动足施加同幅同频的正余弦电压，则机器人产生向前的直线运动，即由跳跃运动变为直线运动。

其中，机器人跳跃运动控制方法为：

加热第一形状记忆合金弹簧，带动第一PVC薄膜层产生折叠变形，第一PVC薄膜层对第三PVC薄膜层施加压力，第三PVC薄膜层发生弯曲变形并储存能量，在超过弯曲极限时发生反转而释放能量，同时打开第一和第二弹跳腿，触地弹跳，机器人向斜上方跳跃。

其中，机器人跳跃后恢复原状的控制方法为：

机器人跳跃后，第一和第二驱动足以及第一和第二弹跳腿着地，第三和第四驱动足离地，加热第二形状记忆合金弹簧，带动第四PVC薄膜层产生折叠变形，第四PVC薄膜层对第三PVC薄膜层施加压力，第三PVC薄膜层发生弯曲变形并储存能量，在超过弯曲极限时发生反转而释放能量，机器人竖直跳跃，同时收起第一至第二弹跳腿，第一至第四驱动足着地，机器人恢复原状。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明主要由四层平面PVC薄膜折叠形成的柔性身体和四个压电双晶片驱动足构成，PVC薄膜层上连接有弹跳腿、止动片、形状记忆合金弹簧和不锈钢弹簧。利用压电双晶片在正余弦电压作用下的振动，机器人能够直线行走；利用形状记忆合金加热收缩的性能，PVC层储存和释放应变能以实现弹跳腿的放开和收回，机器人能够斜向上跳跃并恢复原状以继续行走或二次跳跃，实现运动模式的相互转换。本机器人结合压电驱动快响应、高精度以及形状记忆合金大变形的优势，实现了机器人的直线和跳跃运动，扩大了压电机器人的应用领域和运动范围。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的第一至第四PVC薄膜层的平面设计图，其中(a)为第一PVC薄膜层平面设计示意图，(b)为第二PVC薄膜层平面设计示意图，(c)为第三PVC薄膜层平面设计示意图，(d)为第四PVC薄膜层平面设计示意图；

图3是本发明中机器人跳跃和恢复过程示意图；

1-第一驱动足；2-第二驱动足；3-第三驱动足；4-第四驱动足；5-不锈钢弹簧；6-第二形状记忆合金弹簧；7-第一形状记忆合金弹簧；8-止动片；9-第一弹跳腿；10-第二弹跳腿；11-第一PVC薄膜层；12-第二PVC薄膜层；13-第三PVC薄膜层；14-第四PVC薄膜层；101-第一开口；102-第二开口；103-第一延伸部；104-第三开口；105-第二延伸部。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明基于压电驱动的腿式跳跃机器人包括第一至第四驱动足、第一至第四PVC薄膜层、第一和第二形状记忆合金弹簧、第一和第二弹跳腿、第三弹簧和止动片，其中，第一至第四PVC薄膜层由上至下依次设置，两两之间有空隙，且其两端相互粘结，第二PVC薄膜层两端粘结端预留第一延伸部用来安装第一至第四驱动足；第一和第四PVC薄膜层呈“Z”字形状，用来使第三PVC薄膜层变形，中间分别设有第一开口和第二开口；第一形状记忆合金弹簧穿过第一开口，两端固定在第一PVC薄膜层上；第二形状记忆合金弹簧穿过第二开口，两端固定在第四PVC薄膜层上；第二PVC薄膜层呈“工”字形状，中间窄处用来给第一和第三PVC薄膜提供变形空间，同时安装止动片；第三PVC薄膜层用来储存和释放应变能，中间设有第三开口，以使第三PVC薄膜层穿过第二PVC薄膜层的中间窄处，折叠呈“V”字形状，且第三PVC薄膜层的横向两侧预留第二延伸部用来安装第一和第二弹跳腿；第三弹簧跨过第三开口，两端固定在第三PVC薄膜层上。

如图1所示，第一驱动足1、第二驱动足2、第三驱动足3和第四驱动足4安装在第二PVC薄膜层12两端粘结端预留的第一延伸部上，机器人站立时，所述的第一驱动足1、第二驱动足2、第三驱动足3和第四驱动足4相互平行且相对于第二PVC薄膜层12向前倾斜相同的角度；第一PVC薄膜层11、第二PVC薄膜层12、第三PVC薄膜层13和第四PVC薄膜层14由上至下依次设置，且两两之间有间隙，且四层PVC薄膜层两端相互粘结。

如图1和图2所示，其中，图2中虚线表示折叠的痕迹，虚线至端点的部分用于粘接或者作为预留端，虚线之间的部分为自由长度，所述第一PVC薄膜层11和第四PVC薄膜层14中间分别设有第一开口101和第二开口102，折叠成“Z”字形状，用来使第三PVC薄膜层变形；所述第二PVC薄膜层12呈“工”字形状，作为支撑层，用来保持机器人柔性身体的形状，中间窄处用来给第一和第三PVC薄膜提供变形空间，同时安装止动片，两端粘结端预留第一延伸部103；所述第三PVC薄膜层13的中间自由长度长于第二PVC薄膜层12，中间设有第三开口104，以使第三PVC薄膜层穿过第二PVC薄膜层的中间窄处，折叠成“V”字形状，用来储存和释放应变能，通过第一和第四PVC薄膜层的施压而发生扭矩反转来实现，在机器人行走状态呈上“V”字形状，在机器人跳跃完成状态呈下“V”字形状，横向两侧预留第二延伸部105；第一形状记忆合金弹簧7穿过第一开口两端固定在第一PVC薄膜层11上，第二形状记忆合金弹簧6穿过第二开口两端固定在第四PVC薄膜层14上，不锈钢弹簧5跨过第三开口，且两端固定在第三PVC薄膜层13上，止动片一端安装在第二PVC薄膜层12上的中间窄处，第一弹跳腿9和第二弹跳腿10的一端分别安装在第三PVC薄膜层13上横向两侧的第二延伸部上；另一端自由，用来在起跳过程中触地发生弹跳。

止动片呈梯形，一端固定在第二PVC薄膜层中间窄处，在机器人跳跃完的恢复过程中，用来限制第四PVC薄膜层的弯曲变形，保持第二和第四PVC薄膜层之间的空隙，防止第四PVC薄膜层过度弯曲而影响机器人的连续跳跃性。第一和第二形状记忆合金弹簧呈拉伸状态，用来带动第一和第四PVC薄膜层变形以改变第三PVC薄膜的状态。不锈钢弹簧用来保持第三PVC薄膜层的弹性，限制第三PVC薄膜层两端的旋转，增加第三PVC薄膜层反转的应变能，同时预留第二和第三PVC薄膜层之间的空隙以使其容易从下“V”字形状恢复到上“V”字形状。

第一至第四驱动足均采用压电双晶片，第一至第四PVC薄膜层未变形时，第一至第四驱动足相互平行，且与所述第三PVC薄膜层之间的夹角小于90°，第一至第四驱动足的自由振动端到所述第三PVC薄膜层之间的距离相等。

本发明基于压电驱动的腿式跳跃机器人的控制方法，该方法包括：

(1)机器人直线运动控制方法，包括机器人由初始状态到直线运动状态和由跳跃运动状态转为直线运动状态；

初始状态时，机器人四个驱动足均着地，用以支撑其身体，若对第一驱动足1、第二驱动足2、第三驱动足3和第四驱动足4施加同幅同频的正余弦电压，则机器人产生向前的直线运动。

跳跃运动时，机器人没有恢复原状，第一和第二驱动足以及第一和第二弹跳腿着地，第三和第四驱动足离地，对第一至第二驱动足施加同幅同频的正余弦电压，则机器人产生向前的直线运动，即由跳跃运动变为直线运动。

(2)机器人跳跃运动控制方法

加热第一形状记忆合金弹簧7，带动第一PVC薄膜层产生折叠变形，所述第一PVC薄膜层对第三PVC薄膜层施加压力，第三PVC薄膜层13发生弯曲变形并储存能量，在超过弯曲极限时发生反转而释放能量，同时打开第一弹跳腿9和第二弹跳腿10，触地弹跳，机器人向斜上方跳跃。

(3)机器人跳跃后恢复原状的控制方法

机器人跳跃后，第一和第二驱动足以及第一和第二弹跳腿着地，第三和第四驱动足离地，加热第二形状记忆合金弹簧6，带动第四PVC薄膜层产生折叠变形，所述第四PVC薄膜层对第三PVC薄膜层施加压力，第三PVC薄膜层13发生弯曲变形并储存能量，在超过弯曲极限时发生反转而释放能量，同时收起第一弹跳腿9和第二弹跳腿10，第一至第四驱动足着地，机器人由竖直跳跃恢复原状。

如图3所示，机器人从开始跳跃到回复原状完成的过程为：加热第一形状记忆合金弹簧7，带动第一PVC薄膜层产生折叠变形，所述第一PVC薄膜层对第三PVC薄膜层施加压力，第三PVC薄膜层13发生弯曲变形并储存能量。这一过程中，第一驱动足1、第二驱动足2会向前滑移δ1的距离。在超过第三PVC薄膜层13弯曲极限时发生反转而释放能量，同时打开第一弹跳腿9和第二弹跳腿10，触地弹跳，向前跳跃δ2的距离。紧接着进入恢复过程，加热第二形状记忆合金弹簧6，带动第四PVC薄膜层产生折叠变形，所述第四PVC薄膜层对第三PVC薄膜层施加压力，第三PVC薄膜层13发生弯曲变形并储存能量，这一过程中，第一弹跳腿9和第二弹跳腿10作为定点，带动整个机器人向后倾，第一驱动足1、第二驱动足2会向后滑移一部分距离，在超过第三PVC薄膜层13弯曲极限时发生反转而释放能量，同时收起第一弹跳腿9和第二弹跳腿10，机器人竖直跳跃并恢复原状，机器人的跳跃距离为δ3。

总之，本发明的一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人，由四层平面PVC薄膜折叠形成的柔性身体和四个压电双晶片足构成，PVC薄膜层上连接有弹跳腿、止动片、形状记忆合金弹簧和不锈钢弹簧。控制方法，利用压电双晶片在正余弦电压作用下的振动，机器人能够直线行走；利用形状记忆合金加热收缩的性能，PVC层储存和释放应变能以实现弹跳腿的放开和收回，机器人能够斜向上跳跃并恢复原状以继续行走，实现运动模式的相互转换。本机器人结合压电驱动快响应、高精度以及形状记忆合金大变形的优势，实现机器人的直线和跳跃运动，扩大了压电机器人的应用领域和运动范围。

Claims (4)

1.一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人，其特征在于，包括第一至第四驱动足、第一至第四PVC薄膜层、第一和第二形状记忆合金弹簧、第一和第二弹跳腿、第三弹簧和止动片，其中：

第一至第四PVC薄膜层由上至下依次设置，两两之间有空隙，且其两端相互粘结，第二PVC薄膜层两端粘结端预留第一延伸部用来安装第一至第四驱动足；

第一和第四PVC薄膜层呈“Z”字形状，用来使第三PVC薄膜层变形，中间分别设有第一开口和第二开口；第一形状记忆合金弹簧穿过第一开口，两端固定在第一PVC薄膜层上；第二形状记忆合金弹簧穿过第二开口，两端固定在第四PVC薄膜层上；

第二PVC薄膜层呈“工”字形状，中间窄处用来给第一和第三PVC薄膜提供变形空间，同时安装止动片；

第三PVC薄膜层用来储存和释放应变能，中间设有第三开口，以使第三PVC薄膜层穿过第二PVC薄膜层的中间窄处，折叠呈“V”字形状，且第三PVC薄膜层的横向两侧预留第二延伸部用来安装第一和第二弹跳腿；第三弹簧跨过第三开口，两端固定在第三PVC薄膜层上；

第一至第四驱动足均采用压电双晶片，一端为自由振动端、另一端与第二PVC薄膜层纵向两端第一延伸部固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人，其特征在于：止动片呈梯形，一端固定在第二PVC薄膜层中间窄处。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人，其特征在于：所述第三弹簧为不锈钢弹簧。

4.一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人的控制方法，其特征在于，该机器人包括第一至第四驱动足、第一至第四PVC薄膜层、第一和第二形状记忆合金弹簧、第一和第二弹跳腿、第三弹簧和止动片，其中：

第一至第四PVC薄膜层由上至下依次设置，两两之间有空隙，且其两端相互粘结，第二PVC薄膜层两端粘结端预留第一延伸部用来安装第一至第四驱动足；

第一和第四PVC薄膜层呈“Z”字形状，用来使第三PVC薄膜层变形，中间分别设有第一开口和第二开口；第一形状记忆合金弹簧穿过第一开口，两端固定在第一PVC薄膜层上；第二形状记忆合金弹簧穿过第二开口，两端固定在第四PVC薄膜层上；

第二PVC薄膜层呈“工”字形状，中间窄处用来给第一和第三PVC薄膜提供变形空间，同时安装止动片；

第三PVC薄膜层用来储存和释放应变能，中间设有第三开口，以使第三PVC薄膜层穿过第二PVC薄膜层的中间窄处，折叠呈“V”字形状，且第三PVC薄膜层的横向两侧预留第二延伸部用来安装第一和第二弹跳腿；第三弹簧跨过第三开口，两端固定在第三PVC薄膜层上；

控制方法包括机器人直线运动控制方法、机器人跳跃运动控制方法和机器人跳跃后恢复原状的控制方法；

其中，机器人直线运动控制方法包括：

初始状态时，机器人四个驱动足均着地，用以支撑其身体，此时，若对第一至第四驱动足施加同幅同频的正余弦电压，则机器人开始直线运动；

跳跃运动时，机器人没有恢复原状，第一和第二驱动足以及第一和第二弹跳腿着地，第三和第四驱动足离地，对第一至第二驱动足施加同幅同频的正余弦电压，则机器人产生向前的直线运动，即由跳跃运动变为直线运动；

机器人跳跃运动控制方法为：

加热第一形状记忆合金弹簧，带动第一PVC薄膜层产生折叠变形，第一PVC薄膜层对第三PVC薄膜层施加压力，第三PVC薄膜层发生弯曲变形并储存能量，在超过弯曲极限时发生反转而释放能量，同时打开第一和第二弹跳腿，触地弹跳，机器人向斜上方跳跃；

机器人跳跃后恢复原状的控制方法为：

机器人跳跃后，第一和第二驱动足以及第一和第二弹跳腿着地，第三和第四驱动足离地，加热第二形状记忆合金弹簧，带动第四PVC薄膜层产生折叠变形，第四PVC薄膜层对第三PVC薄膜层施加压力，第三PVC薄膜层发生弯曲变形并储存能量，在超过弯曲极限时发生反转而释放能量，机器人竖直跳跃，同时收起第一至第二弹跳腿，第一至第四驱动足着地，机器人恢复原状。

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