CN109398528A - 一种基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人，包括：底板结构、侧板结构、顶板结构、外伸梁结构、支撑腿、永磁体、带铁芯的线圈、支撑板结构；底板结构、侧板结构、顶板结构通过插接的方式连接固定，为整个结构提供定位和支撑；外伸梁结构由两条并列的SMA丝构成，借助侧板结构上的小孔进行定位；支撑腿包括1对前腿和1对后腿，分别粘贴在外伸梁结构和侧板结构的两侧；永磁体固定在外伸梁的中部，与捆绑在支撑板结构上的带铁芯的线圈相对。当在线圈上施加交流电后，永磁体受交变电磁力的作用而带动外伸梁结构振动，从而使前腿摆动，驱动整个机构前进。本发明结构简单，重量轻，易于微型化，运动速度快。

Description

一种基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人

技术领域

本发明涉及微型爬行机器人技术领域，具体是一种基于交变磁场中结构的受迫振动原理、采用交流电压驱动的仿生爬行机器人。

背景技术

自然界的爬行昆虫拥有令人惊叹的机动性，若将昆虫的这种特性运用到机器人上，那么这种兼具高机动性、灵活性与隐蔽型的仿昆虫微型机器人在未来的军事侦察、空间探索以及灾后搜救等方面拥有良好的应用前景。在微小的尺寸条件下，驱动器选择和传动机构设计，是微型爬行机器人拥有良好性能的关键因素。因此，对动力系统设计的探索与研究一直是微型仿生爬行机器人领域的热点问题。

在驱动器方面，传统尺寸的机器人主要使用输出旋转运动的电机作为驱动器，并通过一些传动机构实现预期的运动轨迹，目前此类技术已经发展较为成熟。但对于微型机器人，一方面，电机驱动所需要的传动机构较为复杂，在狭小的空间内难以实现，另一方面，尺寸效应使得驱动效率急剧下降。因此，微型机器人需要使用更加直接与高效的驱动器。研究发现，当驱动器的尺寸降低到厘米级及以下时，输出往复式振动的直线式驱动器相比旋转式具有更大的优势与潜力。目前发展比较成熟的直线式驱动器主要是静电驱动器与压电驱动器；其中，静电驱动器易于微型化，但需要很高的电压且产生的力与位移微小；压电驱动器功率密度大，输出频率高，但存在驱动电压过高与升压电路复杂的问题。

在行走机构方面，现有的机器人主要有轮式行走、履带式行走、四足或六足行走、蠕动式行走等形式。其中，轮式行走与履带式行走主要采用电机驱动，用于体积较大的机器人，蠕动式行走存在机动性较差的问题，相比之下，足式机器人机动性强，运动速度较快，因而在狭小空间内具有更多的优势。如何在结构简单、微小的前提下实现腿部运动是足式微型机器人的关键问题。

过去的几十年来，现有技术中较为成熟的足式微型爬行机器人都采用了较为多样的驱动器和复杂的传动机构。美国马里兰大学研制的微型六足爬行机器人，足部各部分通过关节相连，并嵌有永磁体，依靠外部提供的磁场对足部永磁体的作用力实现腿部驱动。该设计能实现20mm/s左右的运行速度(约每秒5个机身长度)，但外部磁场难以保证，驱动受限较大。哈佛大学研制的四足机器人采用压电驱动器，且两个压电驱动器分别采用独立控制的正弦电压，可实现灵活的运动。但由于该机器人所采用的传动机构较为复杂，因此整机质量与尺寸较大，最大仅可实现每秒3.8个机身长度的运动速度。总体而言，驱动直接、传动简单和机动性强、速度快等性能难以兼具，是现有足式微型爬行机器人技术普遍存在的不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对现有足式微型机器人的驱动方式与传动机构过于复杂的缺陷，提供一种基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人，其采用交变电磁力作为驱动力，无需复杂的传动机构便能实现仿生足的运动，且结构简单，易于进一步微型化。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人，具体包括：底板结构、侧板结构、顶板结构、外伸梁结构、支撑腿、永磁体、带铁芯的线圈、支撑板结构、外部电源及配套电路。其中，底板结构两侧各设有2个插片，中部设有1对插槽，插片用于连接侧板结构，插槽用于固定支撑板结构；侧板结构包括两个结构完全相同的侧板，每个侧板上设有2个小孔和4个小槽，小孔用于支撑外伸梁结构，小槽用来连接底板结构和顶板结构；外伸梁结构由两条并列的记忆合金丝(SMA丝)构成，借助侧板结构上的小孔进行定位；支撑腿包括1对前腿和1对后腿，前腿粘贴在外伸梁两侧，腿末端粘贴有小贴片作为足，后腿粘贴在侧板结构两侧并与地面成一定的角度；永磁体固定在外伸梁的中部；带铁芯的线圈固定在支撑板结构上，与永磁体相对；电源及配套电路为线圈提供可调交流电压。

当一定频率交流电压施加在线圈上后，在线圈与永磁体之间产生交变的电磁力，外伸梁结构在交变力的作用下产生振动，并带动前腿摆动使整个机构快速前进，类似于自然界中昆虫的爬行姿态。

进一步地，所述底板结构、侧板结构、顶板结构、支撑板结构，采用插片——插槽式的插接方式实现连接，为整个结构提供定位和支撑。

进一步地，所述底板结构、侧板结构、顶板结构及支撑板结构，均采用双层碳纤维叠加(两层碳纤维丝的方向垂直)而成的复合材料，并采用激光切割工艺加工成形。

进一步地，所述的外伸梁结构、支撑腿由具备一定弹性及支撑能力的材料制成，如Ti-Ni记忆合金丝、铜丝或碳纤维材料等。

进一步地，所述电源为可调频率及幅值的交流信号发生器，通过细铜导线与线圈两端相连，线圈工作电流小于0.6A，工作电压小于5V。

进一步地，由于驱动原理和结构十分简单，本发明的各向(长、宽、高)尺寸均小于3cm，质量低于140mg(不包含外部电源)。

此外，本发明提供一种用于上述的基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人的驱动方法，该方法综合利用了两种作用力实现机构的驱动：一方面，外伸梁结构在电磁力作用下的受迫振动带动前支撑腿发生摆动，由于机身倾斜、前腿向后摆动而敲击地面，这时地面会为整个机构提供向前的反作用力；另一方面，前腿摆动时，地面和前腿足部之间、地面和后支撑腿之间两处的摩擦力不同，使得地面对整个机构的静摩擦力向前。这两种驱动力共同作用，使机构前进。

进一步地，经过试验研究，当外伸梁采用两根水平排列的、长度为16mm～32mm、直径50μm～300μm的Ti-Ni记忆合金丝，且外伸梁中部所粘贴的永磁体直径为2mm，高度为1mm时，外伸梁结构能在110Hz～160Hz的交流电信号驱动下，发生受迫振动。外伸梁结构的振动频率接近其固有频率时，振幅最大、能量转换效率最高；梁的剧烈振动带动固定在梁上的前腿产生一定频率的摆动，从而使机构向前运动。从结构动力学角度来讲，所述外伸梁结构的振动现象属于一种交变磁场中的“共振”。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)结构简单，尺寸小。本发明提供的线性电磁驱动器驱动的仿生爬行机器人，外伸梁的受迫振动带动前腿的摆动即可实现抬腿爬行，不需要额外的转换机构。本发明提出的简单驱动原理和结构，在降低驱动器重量、提高行进速度与稳定性的同时，也有利于机器人的进一步微型化。理论上，通过充分利用材料的优良特性和激光切割细微加工方法，本发明的尺寸可以进一步缩小。

(2)传动效率高。本发明所选材料具备较好的弹性，因此，传动中的损耗较小。此外，由于没有复杂的传动机构，直接驱动的方式也进一步减小了传动过程中的效率损耗，使得机构的传动效率更高。

(3)爬行速度快。本发明提供的线性电磁驱动器，通过调整交流电频率，可以使外伸梁结构的受迫振动频率接近其固有频率，即发生共振，从而使得前腿的摆动幅度最大，加之机构本身的质量轻、阻力小，因而可以产生较快的运动速度。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图，其中，图1(a)为轴测图，图1(b)为俯视图；

图2为本发明的底板结构的平面图；

图3为本发明的侧板结构的平面图；

图4为本发明的支撑板结构的平面图；

图5为本发明工作时变化电磁场使外伸梁结构受交变力示意图，其中，图5(a)为线性电磁驱动器产生交变力的示意图，图5(b)为外伸梁形变示意图；

图6为本发明前腿足部的受力分析示意图；

图7为本发明的运动步骤图。

图中附图标记含义为：1为底板结构，2为侧板结构，3为顶板结构，4为外伸梁结构，5为前腿，6为后腿，7为永磁体，8为带铁芯的线圈，9为支撑板结构。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明提供一种基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人，包括：底板结构1，侧板结构2(包括左右两个结构相同的侧板)，顶板结构3(包括前后两个结构相同的顶板)，外伸梁结构4，前腿5，后腿6，永磁体7，带铁芯的线圈8(简称线圈)，支撑板结构9。其中，底板结构1为侧板结构2、支撑板结构9提供支撑，顶板结构3用于加固侧板结构2；外伸梁结构4由两根长SMA丝平行排列而成，通过侧板结构2上的小孔定位；永磁体7为柱状，通过在端面上粘接碳纤维小板的方式粘贴在外伸梁结构4上，并与线圈8相对；线圈8固定在支撑板结构9上，其引线两端连接外置交流电源；前腿5、后腿6分别与外伸梁结构4、侧板结构2相连。

如图2所示，底板结构1两侧各设有2个插片，中部设有1对插槽，插片用于连接侧板结构2，插槽用于固定支撑板结构9。

如图1、图3所示，侧板结构2有左右两个侧板，结构完全相同，相对而置，每个侧板上设有2个小孔和4个小槽。其中，2个小孔为外伸梁结构4的两根SMA丝的简支孔，用于固定外伸梁结构4；下部的2个小槽用于连接底板结构1，上部的2个小槽用于连接顶板结构3的前后两块顶板。

如图4所示，支撑板结构9上设有1个异型大孔与4个小圆孔，大孔用于露出线圈8的铁芯，使其对永磁体7的磁性作用力增强，小孔用于穿接线圈8引出的铜导线，拉紧后即可将线圈8绑紧并固定在支撑板结构9上。

本发明中外伸梁结构4的两根SMA丝的长度可以为16mm～32mm(本实例取24mm)，直径50μm～300μm(本实例取100μm)，间距1mm～2mm(本实例取1.6mm)。柱状的永磁体7，直径为2mm，高度为1mm，可根据外伸梁的尺寸有所改变。线圈8的内径为1mm，与永磁体7之间的距离为2mm～3.5mm，该距离可根据线圈8的尺寸与永磁体7的尺寸适当改变(本实例取2.4mm)。支撑腿(包括前腿5和后腿6)长度可取6mm～12mm，后腿6与地面成60°～80°夹角。

本发明的仿生爬行机器人的驱动原理是：采用一定频率的交流电压驱动，基于外伸梁结构4在交变磁场力作用下的共振，带动前腿5的摆动使整机结构前进。具体为：将信号发生器的输出端接在线圈8的引线上，由于交流电的电流方向、电压总是不断变化的，基于电磁效应，线圈8周围会产生不断变化的磁场；如图5(a)所示，在该磁场中，永磁体7会受到一个随磁场变化而不断变化的轴向磁场力并克服外伸梁结构4的弹性回复力产生交变的轴向偏移；外伸梁结构4在该交变力的作用下发生图5(b)所示的弹性形变，交变的弹性形变表现为外伸梁的振动。当调节交流电到一定的频率时，外伸梁在交变力作用下的受迫振动频率接近其固有频率，即达到共振状态，从而使得固定在外伸梁上的前腿5发生幅度较大的前后摆动，这时由于机体的倾斜，如图6所示，前腿5向后摆动时向后敲击地面的作用力为F，地面给整个机构的向前的反作用力为F′，其水平分量f为前腿受到的向前的摩擦力，在摩擦力f的作用下，整个结构可以达到前进的目的；外伸梁变形带动前腿5摆动的步骤如图7所示。

本实施例中，底板结构1、侧板结构2、顶板结构3、支撑板结构9的材料选择碳纤维经过激光切割制成，当然也可以是各种非导电轻质材料，如塑料、轻木等。外伸梁结构4、前腿5、后腿6的制备材料可以是各种有一定弹性及支撑能力的材料，如碳纤维丝、铜丝、SMA丝等。外部电源为可调频率及幅度的信号发生器，通过细铜导线与线圈8相连，细铜导线也可用其他导电性好且较为柔软的材料如铝导线、银导线等代替。

需要说明的是，以上所述涉及方位的表述，如底、顶、上、下、内、外、前、后等，均基于附图所示方向和位置关系，仅为了便于描述，而不是指示或暗示所涉及的零件必须具有特定的方位、构造或操作。

本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。

以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人，其特征在于，包括：底板结构(1)、侧板结构(2)、顶板结构(3)、外伸梁结构(4)、支撑腿、永磁体(7)、带铁芯的线圈(8)、支撑板结构(9)、电源及配套电路；

所述的底板结构(1)两侧各设有2个插片，中部设有1对插槽，插片用于连接侧板结构(2)，插槽用于固定支撑板结构(9)；

所述的侧板结构(2)有左右两个侧板，结构完全相同，相对而置，每个侧板上设有2个小孔和4个小槽，小孔为外伸梁结构(4)的定位孔，小槽用于连接底板结构(1)和顶板结构(3)；

所述的顶板结构(3)包括前后两个顶板，结构相同；

所述的外伸梁结构(4)由两条并列的SMA丝构成；

所述的支撑腿包括1对前腿(5)和1对后腿(6)，前腿(5)粘贴在外伸梁结构(4)两侧，且腿的末端粘贴有小贴片作为足，后退(6)粘贴在侧板结构(2)两侧并与地面成60°～80°的角度；

所述的永磁体(7)为柱状，通过在端面上粘接碳纤维小板的方式粘贴在外伸梁结构(4)的中部，并与线圈(8)相对；

所述的支撑板结构(9)固定在底板结构(1)上，用于固定线圈(8)；

所述的电源及配套电路为线圈(8)两端提供可调交流电压；

工作时，在线圈(8)上施加一定频率的交流电压，线圈(8)与永磁体(7)之间产生交变的电磁力，此时外伸梁结构(4)在永磁体(7)的带动下发生受迫振动，从而使前腿(5)摆动，驱动整个机构前进；当交流电频率等于外伸梁结构(4)的固有频率时，外伸梁的振幅最大，机构运行速度最快。

2.根据权利要求1所述的基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人，其特征在于：所述底板结构(1)、侧板结构(2)、顶板结构(3)、支撑板结构(9)之间的连接采用插接的方式。

3.根据权利要求1所述的基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人，其特征在于：所述底板结构(1)、侧板结构(2)、顶板结构(3)、支撑板结构(9)均采用双层碳纤维叠加(两层碳纤维丝方向垂直)而成的复合材料，上述结构的加工采用激光切割方法。

4.根据权利要求1所述的基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人，其特征在于：所述外伸梁结构(4)、支撑腿的材料，采用具备一定弹性及支撑能力的Ti-Ni记忆合金丝、铜丝或碳纤维材料。

5.根据权利要求1所述的基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人，其特征在于：所述的支撑板结构(9)上开有1个大孔与4个小孔。

6.根据权利要求1所述的基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人，其特征在于：所述线圈(8)通过捆绑的方式固定在支撑板结构(9)上。

7.根据权利要求1所述的基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人，其特征在于：所述仿生爬行机器人的各项(长、宽、高)尺寸均小于3cm。

8.根据权利要求1所述的基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人，其特征在于：所述仿生爬行机器人的质量低于140mg(不包含外部电源)。

9.一种用于权利要求1所述的基于电磁驱动原理的仿生爬行机器人的驱动方法，其特征在于：该方法综合利用了两种作用力实现机构的驱动，一方面，外伸梁结构(4)振动过程中，因机身倾斜、前腿(5)向后摆动而敲击地面，地面会为整个机构提供向前的反作用力；另一方面，前腿(5)摆动时，地面和前腿(5)足部之间、地面和后腿(6)之间两处的摩擦力不同，使得地面对整个机构的静摩擦力向前；这两种驱动力共同作用，使机构前进。