CN111098647A - 一种可变构型的两栖微小型探测机器人 - Google Patents
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Abstract
一种可变构型的两栖微小型探测机器人,包括支撑架、两个滑动足、两个跳跃足、两个电机驱动模块、两个电润湿垫和两套传动模块;两个滑动足和两个跳跃足分别对称安装在支撑架两侧,且滑动足运动平面与跳跃足运动平面呈垂直关系;每个电机通过一套传动模块与一个滑动足连接,用于控制滑动足的前后摆动;每个跳跃足一端连接在支撑架上,另一端安装在电润湿垫上,跳跃足通过导线与外部电源连接,通过控制外部电源电压实现跳跃足的跳跃。本发明可以在陆地上运动,也可以在水介质中及水面运动,同时能够实现陆地到水介质间的切换。本发明通过材料功能一体化设计、小型化设计有效降低了重量和体积,实现了轻质化和小型化。
Description
技术领域
本发明属于微小型机器人领域,特别涉及一种可变构型的两栖微小型探测机器人。
背景技术
仿生学诞生于20世纪60年代美国俄亥俄州召开的第一次仿生学讨论会上。仿生机器人通过形态模仿、特征机理模仿,可代替人类从事危险、恶劣环境下的工作,在工业、军事等领域均有着广阔的应用前景。微型化是机器人领域的一个重要研究方向。相比于传统的水上装置,未来仿生机器人通过仿昆虫等微型生物体设计,使微型化机器人具备体积小、重量轻等特点,可满足应用场景对低功耗、低噪音、低成本等需求,其活动范围可以扩展到传统水上装置无法到达的浅水领域,在水质监测、水面侦查、水上搜索救援等领域有着广泛的应用前景。
当前,探测机器人的应用场景日趋复杂和多样,为满足实际应用需求,针对应用场景的复杂、多样性,亟需研究能够在多介质环境下生存和工作的微小型机器人。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种可变构型的两栖微小型探测机器人,具备陆-水两栖能力,满足轻质化和小型化要求。
本发明的技术解决方案是:
一种可变构型的两栖微小型探测机器人,包括支撑架、两个执行前后摆动的滑动足、两个执行跳跃的跳跃足、两个电机驱动模块、两个电润湿垫和两套传动模块;
两个滑动足对称安装在支撑架两侧,两个跳跃足对称安装在支撑架另两侧,且滑动足运动平面与跳跃足运动平面呈垂直关系;
两个电机驱动模块和两套传动模块均安装在支撑架上,每个电机驱动模块通过一套传动模块与一个滑动足连接,用于控制滑动足的前后摆动;
每个跳跃足一端通过连杆连接在支撑架上,另一端安装在电润湿垫上,跳跃足通过导线与外部电源连接,通过控制外部电源电压实现跳跃足的跳跃;
所述两栖微小型探测机器人可以在陆地上运动,也可以在水介质中及水面运动,同时能够实现陆地到水介质间的切换;
当在陆地上运动时,通过两个跳跃足跳跃前进,当在水介质中及水面运动时,通过两个滑动足滑行前进和/或两个跳跃足跳跃前进。
跳跃足通过仿蚂蚱后腿设计实现跳跃运动,初始折叠角度为100-120o,跳跃足折叠角度变化受外部电源控制,通过控制外部电源电压变化实现跳跃足变构型,从而实现跳跃运动。
跳跃足材料为形状记忆合金或形状记忆聚合物复合材料。
当跳跃足材料为形状记忆合金时,采用铁基形状记忆合金或铜基形状记忆合金。
当跳跃足材料为形状记忆聚合物复合材料时,采用聚氨酯基形状记忆聚合物复合材料。
电润湿垫由金属材料构成,分别安置于跳跃足的底部,通过导线与外部电源相连,通过控制电压,改变电润湿垫与水面的润湿角度θ,使电润湿垫由疏水性变为亲水性,实现微小型机器人由空气介质转入水介质。
外部电源对电润湿垫施加电压的范围为20V-1000V。
电润湿垫在外部控制电压为0时,θ>90°;当θ从θ>90°变为θ<90°时,电润湿垫由疏水性变为亲水性,微小型探测机器人实现从空气介质到水介质间的切换。
电润湿垫的直径大小为0.5cm-3cm,并在表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯代对二甲苯等有机物涂层,涂覆厚度为10μm-30μm。
滑动足由金属或其合金构成,通过湿化学法或气相沉积法或浸润沉积等方法在其表面涂覆一层辛胺或油胺或其他烷基链胺类,使其表面具备疏水特性,满足在水面滑动的功能需求。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明通过仿生构型设计,模仿厘米级昆虫运动。四足中两个跳跃足采用形状记忆合金或形状记忆聚合物复合材料构成,利用智能材料自身的自驱动特性,实现驱动跳跃控制。通过材料功能一体化设计有效降低了机器人的重量和体积,实现了轻质化和小型化。
(2)本发明实现了微小型机器人的多环境适应能力,可以在陆地上运动,也可以在水介质中及水面运动。
(3)本发明通过电润湿垫的设计,利用电润湿垫的电润湿效应,实现微小型机器人从空气介质到水介质的运动切换,解决两栖环境适应问题。
附图说明
图1为可变构型的两栖微小型探测机器人的结构俯视图;
图2为跳跃足与电润湿垫的正面图。
附图标号说明:1-支撑架、2-滑动足、3-跳跃足、4-电机驱动模块、5-电润湿垫、6-传动模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明设计了一种可变构型的两栖微小型机器人,通过仿厘米级昆虫的运动模式,利用电机连杆驱动及形状记忆电驱动实现了微小型机器人在水面上的滑动运动和跳跃运动、水下的游动以及在陆地上的跳跃运动;通过设计电润湿垫,实现了微小型机器人的两栖功能,具备在陆地及水中运动能力;通过形状记忆材料设计制备的微小型机器人跳跃足,可具备变构型功能,从而实现跳跃运动。
如图1所示,本发明可变构型的两栖微小型探测机器人,主要包括支撑架1、两个执行前后摆动的滑动足2、两个执行跳跃的跳跃足3、两个电机驱动模块4、两个电润湿垫5和两套传动模块6。
两个滑动足2对称安装在支撑架1两侧,两个跳跃足3对称安装在支撑架1另两侧,且滑动足2运动平面与跳跃足3运动平面呈垂直关系;如图1中,两个滑动足2对称安装在支撑架1左右两侧,两个跳跃足3对称安装在支撑架1前后两侧。
两个电机驱动模块4和两套传动模块6均安装在支撑架1上,电机驱动模块和传动模块一一对应,每个电机驱动模块和对应的传动模块连接构成一个驱动装置,两个驱动装置和两个滑动足一一对应连接,用于控制滑动足的前后摆动,即电机驱动模块通过传动模块控制对应的滑动足2前后摆动。
每个跳跃足3一端通过连杆连接在支撑架1上,另一端安装在电润湿垫5上,跳跃足3仿蚂蚱后腿设计,初始折叠角度为100-120o,如图2所示。跳跃足3通过导线与外部电源连接,跳跃足3折叠角度受外部电源控制,通过控制外部电源电压变化实现跳跃足3变构型(变换折叠角度),从而实现跳跃运动。
跳跃足3由铁基形状记忆合金或铜基形状记忆合金等形状记忆合金、或聚氨酯基形状记忆聚合物复合材料构成。
滑动足2可前后摆动,由铜、铝、铁等金属或其合金构成,通过湿化学法或气相沉积法或浸润沉积等方法在其表面涂覆一层辛胺或油胺或其他烷基链胺类,使其表面具备疏水特性,满足在水面滑动的功能需求。单个滑动足2的长宽比为200-250。
两个电润湿垫5由铜、铝或铁等金属材料构成,利用切割器切割为指定形状,电润湿垫5的直径大小为0.5cm-3cm,并在表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯代对二甲苯等有机物涂层,涂覆厚度为10μm-30μm。该电润湿垫5分别安置于跳跃足3的底部,通过导线与外部电源相连,通过控制电压,实现电润湿,改变电润湿垫5与水面的润湿角度θ,使电润湿垫5由疏水性变为亲水性,实现微小型机器人由空气介质转入水介质。施加电压范围为20V-1000V。
电润湿垫5在外部控制电压为0时,θ>90°;当θ<90°时,微小型探测机器人可实现在水介质中的运动;当θ从θ>90°变为θ<90°时,电润湿垫5由疏水性变为亲水性,微小型探测机器人实现从空气介质到水介质间的切换。
两栖微小型探测机器人在陆地上运动时,通过两个跳跃足3跳跃前进,当在水介质中及水面运动时,通过两个滑动足2滑行前进和/或两个跳跃足3跳跃前进。
电润湿垫5和跳跃足3与外部电源连接的导线,表面涂覆绝缘涂层,防止系统短路失效。
滑动足2的构型呈细长状,主要实现两栖微小型探测机器人在水面的漂浮和滑动。其驱动装置机构如图1所示,采用连杆机构,通过电机驱动装置带动连杆运动,从而控制滑动足2,实现往复滑动。
滑动足2表面有疏水结构,疏水结构的制备,通过湿化学法或气相沉积法或浸泡沉积法等方法在其表面涂覆一层辛胺或油胺或其他烷基链胺类疏水性物质,从而得到超疏水表面。
以滑动足2的材料采用铜基材料为例,得到超疏水表面的过程如下:
(1)首先使用较为粗糙的砂纸对铜基材料进行打磨,随后在无水乙醇、丙酮、去离子水中超声10-15min,在氮气气氛下吹干;
(2)将得到的铜基材料浸泡在十八胺溶液中,十八胺浓度为15mM,浸泡温度为50℃,浸泡时间为50h。
通过上述方法在铜基滑动足2表面覆盖了一层疏水性烷基链结构,获得超疏水表面。
以跳跃足3由铜基形状记忆合金构成为例,具体制备方法为:
(1)利用箱式炉进行铜基形状记忆合金的制备,首先将坩埚放入箱式炉中,升温至400℃,加入电解铜,继续升温至1100℃,加电解铝并经过搅拌、加溶剂、加稀土,熔炼1h,最后扒渣、浇铸、热锻、轧制。
(2)将获得的铜基形状记忆合金裁剪为所需的细长条状态并进行淬火、弯折处理等,随后将其通过超细导线与外部电源相连,控制外部电源电压即可实现跳跃足3的变构型,从而实现跳跃运动。
跳跃足3的安置,满足其运动平面与滑动足2运动平面呈垂直关系,每个跳跃足3设计为折叠模式,跳跃中的折叠角度为0-120o。
本发明设计的微型机器人重量小于15g,外形尺寸最长边不超过200mm,高度小于20mm。
本发明的微型机器人具备两栖功能,可实现微型机器人在陆地和水介质中的运动。通过仿厘米级昆虫运动模式及腿部变构型,利用形状记忆材料在电刺激下的变形能力,实现跳跃足的运动;通过模仿昆虫在水面运动机理,实现滑动足在水面及水中的运动;通过电润湿垫的电润湿效应,实现机器人从空气介质到水介质的转化。
本发明提出了一种基于电机驱动滑动足-形状记忆跳跃足跳跃-电润湿垫转化介质的微小型变构型水陆两栖机器人,具备物理尺寸小、结构重量轻的优点,可在狭窄和混乱环境中前行,解决了传统机器人体形笨重、体积较大、隐蔽性较差、不具备两栖功能等方面的问题,可用于侦察、探测等领域。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种可变构型的两栖微小型探测机器人,其特征在于:包括支撑架(1)、两个执行前后摆动的滑动足(2)、两个执行跳跃的跳跃足(3)、两个电机驱动模块(4)、两个电润湿垫(5)和两套传动模块(6);
两个滑动足(2)对称安装在支撑架(1)两侧,两个跳跃足(3)对称安装在支撑架(1)另两侧,且滑动足(2)运动平面与跳跃足(3)运动平面呈垂直关系;
两个电机驱动模块(4)和两套传动模块(6)均安装在支撑架(1)上,每个电机驱动模块(4)通过一套传动模块(6)与一个滑动足(2)连接,用于控制滑动足(2)的前后摆动;
每个跳跃足(3)一端通过连杆连接在支撑架(1)上,另一端安装在电润湿垫(5)上,跳跃足(3)通过导线与外部电源连接,通过控制外部电源电压实现跳跃足(3)的跳跃;
所述两栖微小型探测机器人可以在陆地上运动,也可以在水介质中及水面运动,同时能够实现陆地到水介质间的切换;
当在陆地上运动时,通过两个跳跃足(3)跳跃前进,当在水介质中及水面运动时,通过两个滑动足(2)滑行前进和/或两个跳跃足(3)跳跃前进。
2.根据权利要求1所述的一种可变构型的两栖微小型探测机器人,其特征在于:跳跃足(3)通过仿蚂蚱后腿设计实现跳跃运动,初始折叠角度为100-120°,跳跃足(3)折叠角度变化受外部电源控制,通过控制外部电源电压变化实现跳跃足(3)变构型,从而实现跳跃运动。
3.根据权利要求2所述的一种可变构型的两栖微小型探测机器人,其特征在于:跳跃足(3)材料为形状记忆合金或形状记忆聚合物复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种可变构型的两栖微小型探测机器人,其特征在于:当跳跃足(3)材料为形状记忆合金时,采用铁基形状记忆合金或铜基形状记忆合金。
5.根据权利要求3所述的一种可变构型的两栖微小型探测机器人,其特征在于:当跳跃足(3)材料为形状记忆聚合物复合材料时,采用聚氨酯基形状记忆聚合物复合材料。
6.根据权利要求2所述的一种可变构型的两栖微小型探测机器人,其特征在于:电润湿垫(5)由金属材料构成,分别安置于跳跃足(3)的底部,通过导线与外部电源相连,通过控制电压,改变电润湿垫(5)与水面的润湿角度θ,使电润湿垫(5)由疏水性变为亲水性,实现微小型机器人由空气介质转入水介质。
7.根据权利要求6所述的一种可变构型的两栖微小型探测机器人,其特征在于:外部电源对电润湿垫(5)施加电压的范围为20V-1000V。
8.根据权利要求6所述的一种可变构型的两栖微小型探测机器人,其特征在于:电润湿垫(5)在外部控制电压为0时,θ>90°;当θ从θ>90°变为θ<90°时,电润湿垫(5)由疏水性变为亲水性,微小型探测机器人实现从空气介质到水介质间的切换。
9.根据权利要求6所述的一种可变构型的两栖微小型探测机器人,其特征在于:电润湿垫(5)的直径大小为0.5cm-3cm,并在表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯代对二甲苯等有机物涂层,涂覆厚度为10μm-30μm。
10.根据权利要求1所述的一种可变构型的两栖微小型探测机器人,其特征在于:滑动足(2)由金属或其合金构成,通过湿化学法或气相沉积法或浸润沉积等方法在其表面涂覆一层辛胺或油胺或其他烷基链胺类,使其表面具备疏水特性,满足在水面滑动的功能需求。
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