CN112072950A - 一种跳跃式机器人及其控制方法 - Google Patents

一种跳跃式机器人及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112072950A
CN112072950A CN202010950773.1A CN202010950773A CN112072950A CN 112072950 A CN112072950 A CN 112072950A CN 202010950773 A CN202010950773 A CN 202010950773A CN 112072950 A CN112072950 A CN 112072950A
Authority
CN
China
Prior art keywords
jumping
robot
piezoelectric bimorph
legs
leg
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010950773.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112072950B (zh
Inventor
李建平
万嫩
温建明
胡意立
马继杰
张昱
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Normal University CJNU
Original Assignee
Zhejiang Normal University CJNU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang Normal University CJNU filed Critical Zhejiang Normal University CJNU
Priority to CN202010950773.1A priority Critical patent/CN112072950B/zh
Publication of CN112072950A publication Critical patent/CN112072950A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112072950B publication Critical patent/CN112072950B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001—Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/0015—Driving devices, e.g. vibrators using only bending modes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/005—Mechanical details, e.g. housings

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

本发明属于超声领域、压电驱动领域和跳跃机器人领域，具体涉及一种跳跃式机器人及其控制方法。本发明解决了传统机器人结构复杂，体型大，无法适应狭小空间和复杂环境的技术问题。该机器人包括四个相同的跳跃腿和一个平台，每个跳跃腿包含上下两个压电双晶片，上下两个压电双晶片以一定角度θ安装在一起，0゜<θ<180゜。在锯齿状电压信号激励下，该机器人跳跃腿可弯曲变形，实现跳跃运动。该机器人基于逆压电效应，采用压电双晶片同时作为驱动单元和跳跃腿结构，大大简化结构，体型小巧灵活，可提高其避障能力，有助于实现机器人智能化、微型化，可应用于星际探索、考古探测、军事侦察、救援搜寻等复杂环境中。

Description

一种跳跃式机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种超声领域、压电驱动领域和跳跃机器人领域，特别涉及一种跳跃式机器人及其控制方法。
背景技术
传统的移动机器人主要为轮式驱动，一般需要对自然界进行改造，铺设路面，很难适应复杂的地形，越障能力差。随着机器人的高速发展，现代机器人的应用环境要求机器人具有越来越强的地形适应能力。跳跃式机器人因具有能克服复杂自然环境，高效运动的特点成为研究的热点。近年来，人们相继提出了多种类型的跳跃式机器人，例如，中国专利CN201921563358.X提出了一种伺服电机、传送带、齿轮、传送轴和连杆等组成的四足机器人；CN201921550584.4提出了一种具有驱动组件和行走组件，并通过曲柄结构连接的机械足式的行走机器人；CN201920888311.4提出了一种由电机和弹跳舵机等组成的弹跳机械腿；CN202010009210.2提出了一种齿轮齿条结构的弹跳机器人；CN201920417003.3提出了一种由缸体、活塞、点火器和直线电机等组成的弹跳机构；CN109436125A提出了一种十二自由度的四足机器人，简化了传统机器人腿部搭载电动缸等驱动单元的复杂结构，但其仍需依靠多个电机，且腿部结构仍然由复杂的机械结构如轴承、法兰、连接杆，丝杠、减速器、带轮等组成。尽管上述行走跳跃机器人都能实现跳跃运动，但由于其采用的驱动方式为传统型，如弹簧驱动、气动驱动、液压驱动和电机驱动，因而导致整个机器人结构复杂，体型大，运动不灵活，不能进入危险、狭缝空间，大大限制了机器人的发展和应用场景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跳跃式机器人及其控制方法，解决现有技术存在的上述问题。该机器人摒弃传统驱动方式，基于逆压电效应，利用压电双晶片可将电能转换为机械能的特性，采用压电双晶片同时作为驱动单元和跳跃腿结构，大大简化结构，可实现小型化，在锯齿状电压信号激励下，该机器人驱动单元可弯曲变形，实现跳跃运动。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种跳跃式机器人，包括四个相同的跳跃腿和一个平台，每个跳跃腿都包含上下两个压电双晶片，每个压电双晶片的两端有安装结构，上下两个压电双晶片可通过紧固件以一定角度θ安装在一起，其中 0゜<θ<180゜，跳跃腿一端通过紧固件与平台连接，另一端与地面接触；在通电时，利用逆压电效应，压电双晶片变形把电能转化为机械能，压电双晶片同时作为驱动单元和跳跃腿。
一种跳跃式机器人的控制方法，包括以下步骤：
步骤（1）：初始状态时，压电双晶片不带电，机器人的四个跳跃腿都着地；
步骤（2）：对四个跳跃腿中的压电双晶片同时施加锯齿状电压信号，机器人的跳跃腿弯曲，存储能量；
步骤（3）：电压瞬间反转为反向电压，跳跃腿快速变形，瞬间释放能量，四个跳跃腿同时离地，整个机器人实现跳跃运动；
步骤（4）：机器人落地，四个跳跃腿逐渐恢复到初始状态；
步骤（5）：重复上述步骤（1）-（4），该机器人可实现连续跳跃运动。
本发明的主要优势在于：该机器人摒弃传统驱动方式，基于逆压电效应，利用压电双晶片可将电能转换为机械能的特性，采用压电双晶片同时作为驱动单元和跳跃腿结构，大大简化结构，可实现小型化，在锯齿状电压信号激励下，该机器人驱动单元可弯曲变形，实现跳跃运动。该机器人结构和控制简单，体型小，可应用于星际探索、考古探测、军事侦察、救援搜寻等复杂环境。
附图说明
此处附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的等轴测图；
图2是本发明的右视图；
图3是本发明的压电双晶片通正反向电压变形示意图；正反向电压驱动压电双晶片弯曲变形；
图4是本发明压电双晶片两端的安装结构；
图5是本发明的工作示意图，其中（1）为初始状态，压电双晶片不带电；（2）为压电双晶片通正向电压弯曲变形，积蓄能量；（3）为压电双晶片通反向电压弯曲变形，释放能量；
图6是本发明的锯齿状电压信号。
图中：
1.平台； 2.跳跃腿I； 3.跳跃腿II； 4.跳跃腿III； 5.跳跃腿IV； 6.紧固螺钉;
7.紧固螺母； 2-1.压电双晶片I; 2-2.压电双晶片II； 3-1.压电双晶片III；
3-2.压电双晶片IV； 4-1.压电双晶片V； 4-2.压电双晶片VI；
5-1.压电双晶片VII； 5-2.压电双晶片VIII； 3-1-1.安装结构I; 3-1-2.安装结构II。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，一种跳跃式机器人，包括跳跃腿I（2）、跳跃腿II（3）、跳跃腿III(4)、跳跃腿IV（5）和平台（1），跳跃腿I（2）包含压电双晶片I（2-1）和压电双晶片II（2-2），跳跃腿II（3）包含压电双晶片III（3-1）和压电双晶片IV（3-2），跳跃腿III(4) 包含压电双晶片V（4-1）和压电双晶片VI（4-2），跳跃腿IV（5）包含压电双晶片VII（5-1）和压电双晶片VIII（5-2），每个压电双晶片的两端都有安装结构I（3-1-1）和安装结构II（3-1-2）；上下两个压电双晶片可通过紧固螺钉（6）和紧固螺母（7）以一定角度θ安装在一起，其中 0゜<θ<180゜，跳跃腿一端通过紧固螺钉（6）和紧固螺母（7）与平台（1）连接，另一端与地面接触；在通电时，利用逆压电效应，压电双晶片I（2-1）、压电双晶片II（2-2）、压电双晶片III（3-1）、压电双晶片IV（3-2）、压电双晶片V（4-1）、压电双晶片VI（4-2）、压电双晶片VII（5-1）和压电双晶片VIII（5-2）通电变形，如图3，把电能转化为机械能，压电双晶片同时作为驱动单元和跳跃腿。
一种跳跃式机器人的控制方法，包括以下步骤：
步骤（1）：初始状态时，压电双晶片不带电，机器人的四个跳跃腿都着地；
步骤（2）：对四个跳跃腿中的压电双晶片同时施加锯齿状电压信号，机器人的跳跃腿弯曲，存储能量；
步骤（3）：电压瞬间反转为反向电压，跳跃腿快速变形，瞬间释放能量，四个跳跃腿同时离地，整个机器人实现跳跃运动；
步骤（4）：机器人落地，四个跳跃腿逐渐恢复到初始状态；
步骤（5）：重复上述步骤（1）-（4），该机器人可实现连续跳跃运动。
参见图1至图6所示，以锯齿状电压信号为例，本发明的具体工作过程如下：
步骤一：初始状态，压电双晶片都不带电，跳跃腿 I（2）、跳跃腿II（3）、跳跃腿III(4)、跳跃腿IV（5）都未加载电压，上下压电双晶片成角度θ，如图5（1）；
步骤二：随着电压逐渐增加到+u 1时，跳跃腿I（2）、跳跃腿II（3）、跳跃腿III(4)、跳跃腿IV（5）上加载电压，跳跃腿I（2）、跳跃腿II（3）、跳跃腿III(4)、跳跃腿IV（5）的上下压电双晶片I（2-1）、压电双晶片II（2-2）、压电双晶片III（3-1）、压电双晶片IV（3-2）、压电双晶片V（4-1）、压电双晶片VI（4-2）、压电双晶片VII（5-1）和压电双晶片VIII（5-2）同时得电弯曲变形，积蓄能量，上下压电双晶片夹角θ减小，如图5（2）。
步骤三：当电压从+u 1瞬间变到-u 1时，跳跃腿I（2）、跳跃腿II（3）、跳跃腿III(4)、跳跃腿IV（5）的上下压电双晶片I（2-1）、压电双晶片II（2-2）、压电双晶片III（3-1）、压电双晶片IV（3-2）、压电双晶片V（4-1）、压电双晶片VI（4-2）、压电双晶片VII（5-1）和压电双晶片VIII（5-2）同时快速变形，瞬间释放能量，整个机器人实现跳跃运动，上下压电双晶片夹角θ增大，如图5（3）。
步骤四：当电压从-u 1变化到0时，跳跃腿I（2）、跳跃腿II（3）、跳跃腿III(4)、跳跃腿IV（5）逐渐恢复到初始状态。
重复上述步骤一到步骤四，该机器人可实现连续跳跃运动。
本发明涉及一种跳跃式机械机器人，在电压信号激励下，该机器人跳跃腿I（2）、跳跃腿II（3）、跳跃腿III（4）和跳跃腿IV（5）弯曲变形，储存能量，可实现跳跃运动，具有结构和控制简单，体型小，灵活度高，可适应复杂环境的特点。

Claims (2)

1.一种跳跃式机器人，其特征在于：包括四个相同的跳跃腿和一个平台，每个跳跃腿都包含上下两个压电双晶片，每个压电双晶片的两端有安装结构，上下两个压电双晶片可通过紧固件以一定角度θ安装在一起，其中 0゜<θ<180゜，跳跃腿一端通过紧固件与平台连接，另一端与地面接触，在通电时，利用逆压电效应，压电双晶片变形把电能转化为机械能，压电双晶片同时作为驱动单元和跳跃腿。
2.一种如权利要求1所述的跳跃式机器人的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤（1）：初始状态时，压电双晶片不带电，机器人的四个跳跃腿都着地；
步骤（2）：对四个跳跃腿中的压电双晶片同时施加锯齿状电压信号，机器人的跳跃腿弯曲，存储能量；
步骤（3）：电压瞬间反转为反向电压，跳跃腿快速变形，瞬间释放能量，四个跳跃腿同时离地，整个机器人实现跳跃运动；
步骤（4）：机器人落地，四个跳跃腿逐渐恢复到初始状态；
步骤（5）：重复上述步骤（1）-（4），该机器人可实现连续跳跃运动。
CN202010950773.1A 2020-09-11 2020-09-11 一种跳跃式机器人及其控制方法 Active CN112072950B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010950773.1A CN112072950B (zh) 2020-09-11 2020-09-11 一种跳跃式机器人及其控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010950773.1A CN112072950B (zh) 2020-09-11 2020-09-11 一种跳跃式机器人及其控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112072950A true CN112072950A (zh) 2020-12-11
CN112072950B CN112072950B (zh) 2023-08-25

Family

ID=73695184

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010950773.1A Active CN112072950B (zh) 2020-09-11 2020-09-11 一种跳跃式机器人及其控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112072950B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113364340A (zh) * 2021-06-18 2021-09-07 南京航空航天大学 一种微小型螺旋运动两栖仿生推进器及其驱动方法
CN114347058A (zh) * 2022-01-10 2022-04-15 国网河南省电力公司电力科学研究院 双运动模态机器人

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH054675U (ja) * 1991-06-27 1993-01-22 京セラ株式会社 固体撮像装置
US20130334928A1 (en) * 2012-06-13 2013-12-19 Purdue Research Foundation Large-deflection microactuators
CN105438306A (zh) * 2015-11-25 2016-03-30 北京航空航天大学 一种具有缓冲性能的仿生蝗虫跳跃机器人
CN107140048A (zh) * 2017-07-12 2017-09-08 南京工程学院 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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH054675U (ja) * 1991-06-27 1993-01-22 京セラ株式会社 固体撮像装置
US20130334928A1 (en) * 2012-06-13 2013-12-19 Purdue Research Foundation Large-deflection microactuators
CN105438306A (zh) * 2015-11-25 2016-03-30 北京航空航天大学 一种具有缓冲性能的仿生蝗虫跳跃机器人
CN107140048A (zh) * 2017-07-12 2017-09-08 南京工程学院 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

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113364340A (zh) * 2021-06-18 2021-09-07 南京航空航天大学 一种微小型螺旋运动两栖仿生推进器及其驱动方法
CN113364340B (zh) * 2021-06-18 2022-07-08 南京航空航天大学 一种微小型螺旋运动两栖仿生推进器及其驱动方法
CN114347058A (zh) * 2022-01-10 2022-04-15 国网河南省电力公司电力科学研究院 双运动模态机器人
CN114347058B (zh) * 2022-01-10 2024-02-20 国网河南省电力公司电力科学研究院 双运动模态机器人

Also Published As

Publication number Publication date
CN112072950B (zh) 2023-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112072950A (zh) 一种跳跃式机器人及其控制方法
CN102351017B (zh) 一种爬壁机器人的运动机构
CN107053245B (zh) 一种旋转型变刚度柔性关节
KR20110139839A (ko) 형상기억합금 구동 방식의 소형 점핑 이동로봇
CN1018116B (zh) 微幅运动转换机构
CN111775176B (zh) 一种变刚度直线驱动装置及变刚度方法
CN111846008A (zh) 一种具有变刚度踝关节的双足机器人
CN102211622A (zh) 圆筒式串联弹性驱动器
CN104386158A (zh) 一种基于串联弹性驱动器的四足机器人
CN105171770A (zh) 一种机械安全变刚度弹性关节及刚度调节方法
CN113942004A (zh) 基于张拉结构的仿蛇软体机器人
CN112943881B (zh) 一种弹性储能释放机构及控制方法
CN114696569A (zh) 磁能传动装置换极控制机构
CN204525478U (zh) 齿轮驱动电动缸重载两平动机械手
CN202038386U (zh) 圆筒式串联弹性驱动器
US5791202A (en) Tetrahelical/curved bicycle crank-arm connecting rod for human/mechanical powered machines and the like
Dunwen et al. The concept of a jumping rescue robot with variable transmission mechanism
CN108556962B (zh) 一种基于介电弹性体驱动的柔性机器人
CN110000756B (zh) 具有三移动和两移动一螺旋运动模式的并联机构
CN210161140U (zh) 同步带传动结构的外转动副驱动两平动抓取机器人机构
CN104589330B (zh) 带驱动电动缸高速两平动机械手
CN112886859A (zh) 模仿动物爬树运动设计的压电直线驱动装置与驱动方法
US20190277712A1 (en) Compact, High Performance Series Elastic Actuator
CN109940582A (zh) 一种二自由度主被动驱动并联柔性脊柱机构
CN204525449U (zh) 带驱动电动缸重载两平动机械手

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant