CN112339957A - 一种模态驱动的水黾型仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模态驱动的水黾型仿生机器人，其包括驱动模块、执行模块、运动监测模块，以及水黾型仿生机器人模态驱动方法。其驱动模块包括四只驱动足、机器人主体机构、固定装置、压电陶瓷组、电极、无限供能线圈等。执行模块为钛合金材料制作的四只仿生水黾足。四组压电驱动装置安装在仿生足根部处。通过压电驱动器作为动力实现控制机器人在水面进行运动。本发明所设计的仿生机器人通过采用压电驱动装置作为动力源，将传动装置大大简化，位移控制度精确，响应速度快，无复杂机械机构。整体重量轻，能够在水面上保持行走。

Description

一种模态驱动的水黾型仿生机器人

技术领域

本发明涉及一种模态驱动的水黾型仿生机器人。

背景技术

仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方 式的系统，能从事生物特点工作的机器人。具有运动灵活性高、环境适应性强 等特点,在救灾救援、公共安全、社会服务、国防军工等领域具有广泛的应用 前景.当前世界各国对仿生机器人领域投入了大量的精力。系统深入地对仿生 机器人系统中的共性科学问题和关键技术开展研究,随着新材料、新驱动、新型 感知技术、智能控制方法的突破,仿生机器人前沿技术研究不断得到突破。

仿生型机器人的主要特点为亢余自由度或者是超亢余自由度的机器 人，机器结构相对比较复杂，它的驱动结构和常规的关节型机器人也是不相同 的，它们通常是采用绳索、人造肌肉或者是形状记忆合金等等来进行驱动。按 照使用环境的不同，又可以将机器人分为水中仿生机器人，空中仿生机器人和 地面仿生机器人。水中仿生机器人是指模仿鱼类或者是其它水生生物的一些特 性研制出的新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器，能够实现在水面以及 水下自由运动。这些仿生机器人的效率可以达到70％到90％。比如说机器鱼、机 器蟹等等。代表了机器人的尖端技术。水中仿生机器人适应环境的能力比较强，能耗比较小，而且与人协同工作起来也比较的容易，但是正是由于受到它自身 的特点的制约，水中仿生机器人的研究还有很长的一段研究之路组要走。水中 机器人的研究涉及到了很多方面，比如说机构学，材料学，计算机技术、控制 技术、传感器技术、通讯技术等等。

发明内容

本发明设计出一种能够进行水面运动、控制精度高、响应快、机械 结构简单的模态驱动的水黾型仿生机器人。

为实现上述目的，本发明采用如下方案，一种采用模态驱动的水黾 型仿生机器人，其特征在于：包括驱动模块10、执行模块1、运动监测模块8。 驱动模块由固定装置5、环氧树脂粘接层12、压电陶瓷堆10、电极13组成；执 行模块为仿生型水黾机械足1。

水黾型仿生机器人的四组驱动足采用特殊设计的结构，要想使得水 黾型机器人能够在水面上正常工作，就要克服重力对它的作用，而水黾型仿生 机器人通过驱动足上结构6得到表面张力公式：

其中P₁,P₂为足膜两端压强，R₁，R₂分别为足膜结构短轴半径、长轴 半径。

单位面积内垂直作用力与受力面积之间的关系如下式：

其中P代表所受压强，F代表垂直作用力，S代表受力面积。

单一驱动足结构所受表面垂直力与表面张力关系为：

F₁＝2γL

其中F₁为所受表面垂直力，L是滑动边长度，γ是作用于单位边界上 的表面张力。

计算出所能提供的表面力，通过不断对驱动足以及整体配重块进行 尺寸的调整，通实现最优尺寸搭配满足足上表面力大于水黾型仿生机器人重力， 能够支持水黾型仿生机器人在水面上的静止和在模态驱动下的位移。并且在驱 动足前端还有布满前端的微小排水结构7。

在确定压电驱动器安装位置之前，首先需要通过对水黾型仿生机器 人整体结构进行确定。通过对其仿生足的设计，能够实现整体机器人在静止及 运动状态下漂浮在水面上。在对驱动器安装时，驱动足部分的压电堆叠负责进 行水黾型仿生机器人的直接传动；通过使用不同的压电驱动模式实现水黾型仿 生机器人的方向控制。为了使最后组装的仿生型水黾机器人能够在四组驱动足 的支撑下浮在水面上，通过对竖直方向上受两种力对比，其中机器人所受整体 重力如下：

F＝mg

其中F为水黾型机器人总体收到重力，m为水黾型机器人总重量，g 为重力常数。为了实现机器人能够静止浮在水面上及运动，设计特殊的仿生驱 动足，其中单一足能提供表面支持力如下：

其中：γ为作用在足上表面力，P为足结构与水面接触侧压强，L为 接触面周长，R₁为接触面半径，S为接触面总面积，σ为张力系数。得到水黾 型机器人总重力F，和水面作用于单一足上表面力γ。共有四组大小相同的作用 于水黾型机器人的足上表面力，λ_总为四倍的γ，通过对重力以及所受总的水面 作用于足上表面力进行不断的数据处理，当F＜γ_总时，所得到的对应的压电驱 动器的整体尺寸及水黾型机器人足部构型为最优解。最后得到压电驱动器及整 体尺寸大小。

驱动模块中的机架的材料为轻质钛合金，将压电叠堆分别放置在固 定装置内部，压电叠堆由片压电陶瓷组成，由无线供能线圈对压电陶瓷对进行 供电，压电陶瓷与驱动足和连接架之间都通过一层由环氧树脂制作的粘接层进 行连接，四组驱动足的足根部分别有3D打印的微结构，微结构按照生活中水黾 足进行仿生设计，并对其结构进行放大改进，通过公式计算出最优数据，得到 最优结构，能够支撑水黾型仿生机器人浮在水面上。驱动装置的驱动原理是利 用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动的装置，由于压电驱动器本身 的输出位移过小。因此，使用压电叠堆将其输出位移进行放大。当外界给压电 陶瓷的两端施加电压时，压电陶瓷内部正负电荷中心会发生相对位移而极化， 由此而产生变形。压电叠堆由压电陶瓷片，电极，绝缘层组成。单一物体长度 为L，当收到压电叠堆激励时，会产生位移形变，位移角为α，最大形变距离为H。而单一驱动足在收到压电叠堆激励时能够提供的最大动能如下。

初始状态时，仿生机器人四组驱动足平行于以XY为坐标系水面。在 进行驱动时，为了达到不同的运动状态，会分别对驱动足根部安装的压电叠堆 输入不同的模式的激励电压。不同模式下的激励方式能够达成不同的运动模式。 整体系统的质量矩阵M为：

其中m为驱动足质量。

单一驱动足的柔度矩阵δ为：

其中a为驱动足中点处到足顶端距离，b为驱动足中点处到足末端 距离，x为驱动足三处质点到驱动足末端长度，L为驱动足总长度，EI为驱动足 的弯曲刚度。

单一驱动足三质点处的静挠度为：

y₁＝m₁gδ₁₁+m₂gδ₁₂+m₃gδ₁₃

y₂＝m₁gδ₂₁+m₂gδ₂₂+m₃gδ₂₃

y₃＝m₁gδ₃₁+m₂gδ₃₂+m₃gδ₃₃

其中y₁，y₂，y₃分别为驱动足上三处质点静挠度，m₁，m₂，m₃为驱 动足根部3、中部4、前端5三处质点处相应结构质量，δ分别为相应三质点处 的柔度矩阵。根据本专利所设计结构得出单一驱动足的最大动能公式为：

其中T_MAX为单一驱动足的最大动能，w²为单一驱动足的振型，m₁为 驱动足根部质量，m₂为驱动足中部结构质量，m₃为驱动足前端结构质量。

其中单一驱动足振型为：

其中w²为驱动足振型，A为驱动足一阶主振型，M为驱动足总质量， δ为驱动足柔度矩阵。

最后得出最大动能为：

其中T_MAX为单一驱动足的最大动能，w²为单一驱动足的振型，m₁为 驱动足根部质量，m₂为驱动足中部结构质量，m₃为驱动前端结构质量。

激励电压为A模式时，机器人会实现X轴正方向上运动；在激励电压为B 模式时，机器人会实现x轴负方向上运动；当激励电压为C，D模式时，机器人 的四组机械足会实现x,y平面上的各向转系运动。能够实现机器人在水面上的 自主运动。

通过对四组压电叠堆进行编组，共编为四组激励方式A，B，C，D。 其中四组叠堆激励方式如图7所示。通过激励电压的不同使得不同驱动足产生 不同的位移。使得机器人的四个驱动足能够协同驱动仿生型水黾机器人实现在 水面上进行各向转向，通过对水黾型仿生机器人进行不同组的激励，能够实现 水黾型仿生机器人在水面x,y方向面上的运动。

本发明的有益效果：

本发明所设计的水黾型仿生机器人具有体积小、可操作性强、能够 在平静水面进行运动的优点。

附图说明

图1是本发明的一种模态驱动的水黾型仿生机器人整体结构示意图；

图2是驱动足结构示意图；

图3是驱动足前端结构示意图；

图4是压电效应驱动原理示意图；

图5是水黾型仿生机器人主体结构示意图；

图6是模态驱动装置组装方式；

图7是水黾型机器人运动原理示意图；

其中驱动足1、主体装置2、驱动足前端结构3、驱动足中部连接结 构4、驱动足连接件5、驱动足前端排水结构6、驱动足前端微小疏水结构7、 微型摄像头8、配重块9、连接件10、压电陶瓷10、绝缘材料12、电极13。

具体实施方式

本发明包括驱动模块10、执行模块1、运动监测模块8。驱动模块由 机架2、固定装置5、压电陶瓷堆10、电极13组成；执行模块为钛合金材料所 制成的驱动足1。运动监测模块8为主体结构上搭载的微型摄像装置8能够进行 实时的运动状态监测。

对设计的驱动足结构进行设计，为了保证四足能够提供足够的力使 水黾型机器人实现在水面上的静止与运动。通过公式进行确定驱动足的结构大 小。

其中：γ为作用在足上表面力，P为足结构与水面接触侧压强，L为 接触面周长，R₁为接触面半径，S为接触面总面积，σ为张力系数。

在确定其整体结构后，为了能够在压电陶瓷作用下能够进行精确的 运动，在得到整体结构模态的固有频率后，选出所需的一阶及三阶模态，通过 进一步改变结构的大小以及形状的微调使得一阶和三阶的固有频率相等或者接 近。

整体系统的质量矩阵M为：

其中m为驱动足质量。

单一驱动足的柔度矩阵δ为：

其中a为驱动足中点处到足顶端距离，b为驱动足中点处到足末端 距离，x为驱动足根部、中部、前端三处质点到驱动足中段长度，L为驱动足总 长度，EI为驱动足的弯曲刚度。

单一驱动足三质点处的静挠度为：

y₁＝m₁gδ₁₁+m₂gδ₁₂+m₃gδ₁₃

y₂＝m₁gδ₂₁+m₂gδ₂₂+m₃gδ₂₃

y₃＝m₁gδ₃₁+m₂gδ₃₂+m₃gδ₃₃

其中y₁，y₂，y₃分别为驱动足上根部、前端二处质点静挠度，m₁，m₂， m₃为驱动足根部、中部、前端三处质点处相应结构质量，δ分别为相应三质点 处的柔度矩阵。

根据本专利所设计结构得出单一驱动足的最大动能公式为

其中T_MAX为单一驱动足的最大动能，w²为单一驱动足的振型，m₁为 驱动足根部结构质量，m₂为驱动足前端结构质量，m₃为驱动足前端结构质量。

计算驱动足振型通过公式：

其中w²为驱动足振型，A为驱动足一阶主振型，M为驱动足总质量， δ为驱动足柔度矩阵。最后通过计算得出驱动足驱动时主振型。

最后得出单一驱动足最大动能为：

其中T_MAX为单一驱动足的最大动能，w²为单一驱动足的振型，m₁为 驱动足根部质量，m₂为驱动足中部结构质量，m₃为驱动足前端结构质量。

单一压电驱动装置能够达到的驱动位移较小，所以为了克服压电驱 动器本身的输出位移过小的问题，本专利所设计的水黾型仿生机器人使用压电 叠堆将其输出位移进行放大。

初始状态时，仿生机器人四组驱动足平行于以XY为坐标系水面。在 进行驱动时，为了达到不同的运动状态，会分别对驱动足根部安装的压电叠堆 输入不同的模式的激励电压。不同模式下的激励方式能够达成不同的运动模式。

驱动装置利用逆压电效应，通过对压电陶瓷的两端施加电压时，压 电陶瓷内部正负电荷中心会发生相对位移而极化，由此而产生变形。通过对施 加的电压进行编组，实现对水黾型仿生机器人运动状态的控制。本装置所采用 的压电叠堆由压电陶瓷片，电极，银电极，绝缘层组成。

将本装置采用的压电堆叠分别安装在驱动足以及驱动足与主体结构 连接处。通过设置3种激励模式，控制水黾型仿生机器人进行位移。

在驱动足根部的安装，通过胶粘的方式直接安装在驱动足根部，当对其 进行A模式电压激励时，多层压电陶瓷产生极化，在两端电压的驱动下产生机 械振动。通过四组驱动足相互配合，实现整体水黾型仿生机器人的x轴方向运 动。

压电陶瓷组中压电陶瓷进行预先极化处理，安装的内部结构为利用 在压电陶瓷的两端不镀满银且呈叉指型的排列结构。

在内电极的一端留有一定空隙，放置绝缘材质，将内电极镀银面上 的一端与外部电极进行隔离，防止不同的电信号对相互产生干扰。最后设计的 压电叠堆如图6所示。

通过仿真得到的驱动足振型，进行激励电压编组。在激励电压为A 模式时，机器人会实现x轴的负方向运动；在激励电压为B模式时，机器人会 实现x轴的负方向运动；当激励电压为C,D模式时，机器人的四组驱动足会实 现水黾型仿生机器人在水面上各向的位移。

其中A模式为四组相同的激励电压，B模式为四组相同的激励电压， C模式将四只驱动足分为两部分分别激励，实现水黾型仿生机器人的左转运动。 D模式将四只驱动足分为两部分分别激励，实现水黾型仿生机器人的右转运动。 运动原理如图7所示。

为了使驱动足能够产生足够的驱动力，在驱动足的末端及均布置了 压电叠堆，通过对压电叠堆的交替激励，从而实现四个驱动足能够在力的作用 下将机器人本体支撑在水面上，进而通过压电效应能够带动机器人进行水表面 各方向上运动。实现机器人在水面上静止及运动。

Claims (4)

1.一种模态驱动的水黾型仿生机器人，其特征在于：包括驱动模块、执行模块、运动监测模块。驱动模块总体为，安装在水黾型机器人的驱动足尾部处。模块整体由固定装置、转动装置、压电陶瓷组、电极、无限供能线圈组成。

2.一种使用模态驱动的水黾型叠堆分别放置在固定机架的上下表面，压电叠堆由6片压电陶瓷组成，由无线供能线圈对压电陶瓷对进行供电，四组驱动足都分别安装有两组驱动装置，两组驱动装置与驱动足和主体连仿生机器人，其特征在于：驱动模块中的固定机架的材料为铝合金材质，将压电叠堆与压电接都通过一层由环氧树脂制作的粘接层进行连接。

3.一种使用软体模态驱动的仿生机器人，其特征在于：执行模块采用3D打印的铝合金结构的四组驱动足，其驱动足结构采用仿水黾足，在驱动足与水面接触部分具有3D打印的微结构，微结构上安装有一定形状的聚乙烯薄膜。并且在驱动足前端遍布微小的排水结构。使主体机器人通过四组驱动足浮在水面并能保持运动。驱动足结构受足上表面力能够通过公式如下得到

其中：γ为作用在足上表面力，P为足结构与水面接触侧压强，L为接触面周长，R₁为接触面短轴半径，S为接触面总面积，σ为张力系数。

通过公式调整水黾型机器人总体结构重量，当γ大于整体水黾型机器人重力时，设计的微结构能够实现水黾型机器人在水面上保持静止以及运动。通过不同频率的电激励驱动四组驱动足，能够分别产生不同方向的位移，对于驱动足的不同位移变化进行组合，能够实现水黾型仿生机器人的水上行走。

4.根据权利要求3所述，驱动模块的原理是利用压电陶瓷的逆压电效应控制仿生机器人的机械运动，通过对一组驱动足上安装的压电叠堆按照不同的激励模式，实现机器人能够在水面上进行四个方向上的运动.在激励电压为A模式时，机器人会通过驱动足根部的压电堆叠实现x轴的正方向运动；在激励电压为B模式时，机器人会通过驱动足根部的实现x轴的负方向运动；当激励电压为C，D模式时能够通过驱动足与主体结构部分的压电堆叠进行不同的振动组合实现平面方向上的任意角度转向，达到水黾型仿生机器人在水面上自由前进后退以及转向的运动状态。

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