CN113954591A - 一种电磁驱动的微型水陆两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁驱动的微型水陆两栖机器人，由支撑单元、驱动单元、作动单元、张力单元和电源系统组成。支撑单元包括底板、侧板和线圈座，通过插接方式配合并为整体结构提供支撑和定位；驱动单元包括线圈、外伸梁和永磁体，外伸梁中部固定有永磁体，当线圈通交流电后，线圈与永磁体之间产生交变磁场，外伸梁在永磁体带动下受迫振动，从而提供驱动力；作动单元由支撑腿、横驱动腿、划水桨组成，是机器人爬行或游动的动作单元；张力单元由张力腿、防水膜和平衡垫片组成，为机器人提供在水面上运动的支撑力，同时维持机器人的运动平衡。本发明结构简单，尺寸小，运动状态稳定，传动效率高、爬行和游动速度快。

Description

一种电磁驱动的微型水陆两栖机器人

技术领域

本发明涉及微型机器人技术领域，具体是微型的水陆两栖机器人。

背景技术

微型的水陆两栖机器人对外界环境具有很高的适应性，是一种可集侦查、检测、救援、探测于一体的机器人。因此，开展微型的水陆两栖机器人的研究在军用和民用上具有广阔的应用前景。传统的两栖机器人往往具有很复杂的传动机构，不利于机器人的微型化；传统电机驱动器在微型化后，效率降低，无法正常工作。因此，考虑新型结构是机器人两栖化和微型化的关键一步。

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。但对于微型机器人而言，一方面，电机驱动所需的传动机构极为复杂，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驱动器主要是电磁驱动器、静电驱动器与压电驱动器。其中，静电驱动器易于微型化，但需要很高的驱动电压，且产生的力与位移微小；压电驱动器功率密度高，输出频率高，但也存在驱动电压过高与升压电路复杂的问题。

传动机构方面，两栖微型机器人结构复杂，为了实现机器人的两栖运动，往往需要复杂的传动方式，传统的齿轮传动、带传动、链传动等方式传动效率低，尺寸大，不利于机器人的微型化。因此，寻找合适的传动方式对两栖机器人的微型化影响巨大。

过去的几十年来，技术较为成熟的微型机器人，往往因其复杂的传动机构和传统的驱动方式，导致其尺寸无法进一步微型化。美国哈佛大学研制的水陆机器人HAMR采用压电驱动器，具有4个驱动器及8个独立驱动的自由度，复杂的传动机构导致其整机质量与尺寸较大，运动速度慢。中国专利CN109398528所述的仿生爬行机器人采用电磁驱动器，是目前厘米级尺度下运动速度最快的机器人，其爬行速度达到23.2cm/s，具有尺寸小、质量轻的优点；但是由于其采用的是带铁芯线圈的驱动机构，机器人在工作时，线圈及铁芯容易发热，导致机器人的工作效率低，且当机器人在较高的驱动电压下工作时，易出现线圈因发热而烧穿的情况，这就导致该机器人的爬行速度无法进一步提升；同时，该机器人只具备地面爬行功能，无法实现水面的游动。

发明内容

针对上述现有微型机器人的不足，本发明提供一种驱动直接、传动机构简单、机动性强、速度快的微型水陆两栖机器人。

本发明采用的技术方案为：一种电磁驱动的微型水陆两栖机器人，该机器人由支撑单元、驱动单元、作动单元、张力单元和电源系统组成。

其中，支撑单元为整个机器人提供支撑和定位，包括底板、两个侧板、线圈座。侧板上设有小孔和插槽，小孔用于外伸梁的定位，插槽用于侧板和底板、侧板和线圈座的插接配合；底板和线圈座通过插接方式安装于两个侧板之间，底板用于支撑侧板、线圈座用于固定线圈并加固侧板。

其中，驱动单元由线圈、外伸梁和永磁体组成。线圈安装在线圈座上，两端连接电源；外伸梁由两条金属丝构成；永磁体借助贴片固定在外伸梁的中部；当一定频率的交流电压施加在线圈上后，线圈与永磁体之间产生交变磁场与电磁力，外伸梁在永磁体带动下发生受迫振动，进而为作动单元提供驱动力。

其中，作动单元是机器人实现水面游动和陆地爬行动作的工作单元，由支撑腿、横驱动腿和划水桨组成。支撑腿包括1对前支撑腿和1对后支撑腿，前支撑腿粘贴在外伸梁两端，后支撑腿粘贴在侧板两侧并与地面成一定角度；横驱动腿水平固定在两条前支撑腿上，在横驱动腿两端粘贴有贴片作为划水桨，划水桨与水面成一定角度。

其中，张力单元由张力腿、防水膜和平衡垫片组成，用于为机器人提供在水面上运动的支撑力，同时维持机器人的运动平衡。张力腿包括1对前张力腿和1对后张力腿，4条张力腿轴对称固定在底板上，各张力腿末端均粘有贴片作平衡垫片；防水膜一部分粘贴在底板的底面，另一部分包裹住机器人的前端并固定在两侧的侧板上，可提供机器人浮在水面上所需的部分张力，此外考虑外伸梁的往复振动易将水带入机器人体内，导致机器人下沉，防水膜的设置还可以阻断水进入机器人体内，起到防水作用。

其中电源系统包括电源及配套电路，为线圈提供可调交流电压。

进一步的，所述底板、侧板、线圈座、划水桨、平衡垫片均采用双层碳纤维垂直叠加而成的复合材料，经激光切割方法加工成形。

进一步的，所述外伸梁、支撑腿、横驱动腿、张力腿的材料均为具备一定弹性及支撑能力的金属丝，包括Ti-Ni记忆合金丝、铜丝或铁丝。

进一步的，所述防水膜的材料为聚酰亚胺膜或塑料膜，采用激光切割方法加工。

进一步的，所述的侧板有左右两个，结构完全相同，相对而置，每个侧板上开有2个小孔与3个槽，小孔为外伸梁的定位孔，槽用于侧板与底板、侧板与线圈座的连接。

进一步的，所述线圈座两端设有1对插片，用于与侧板上的斜槽配合；线圈座中部开有1个大孔和2个小孔，用于线圈的定位和固定。

进一步的，所述后支撑腿与地面的角度为60°～80°；所述划水桨与水面的角度为30°～70°。

进一步的，所述电源为频率及幅值可调的交流信号发生器，通过导电性好、较为柔软的导线如细铜导线与线圈相连，线圈工作电流小于0.7A，工作电压小于6V。

进一步的，由于驱动原理和结构十分简单，本发明的水陆两栖机器人的各向尺寸均小于3cm，质量低于140mg。

本发明提供一种微型水陆两栖机器人的驱动方法，当线圈上施加交流电压后，线圈与永磁体之间产生交变磁场与电磁力，外伸梁在永磁体带动下发生受迫振动，进而带动前支撑腿发生摆动，为机器人运动提供驱动力。陆地爬行时，电磁驱动和摩擦驱动共同作用，一方面，由于机身的倾斜使得前支撑腿向后摆动冲击地面时，地面对机器人向前的反作用力；另一方面，前支撑腿向前摆动时，地面和前支撑腿之间、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。水面游动时，机器人仅依靠电磁驱动，横驱动腿跟随前支撑腿前后摆动，划水桨在横驱动腿带动下做周期性向后拨水运动，产生的反作用力推动机构向前游动。

经过试验研究，外伸梁采用两根水平排列的、长度为18mm的直径为0.1mm的Ti-Ni记忆合金丝，将半径为2mm、高度为2mm的柱状永磁体粘贴于外伸梁的中部时，外伸梁能在210Hz～300Hz的交流电信号驱动下，产生受迫振动。其原因主要是通交流电的线圈产生了交变磁场，对永磁体产生了一定频率的交变电磁力，从而带动外伸梁产生受迫振动，交流电频率接近外伸梁固有频率时，外伸梁振幅最大、能量转换效率最高。从结构动力学角度来讲，此时外伸梁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。本发明的水陆两栖机器人采用了线性电磁驱动器驱动，爬行和游动共用一套驱动机构，外伸梁的受迫振动带动前支撑腿的摆动实现驱动，前支撑腿在作为陆地爬行作动腿的同时又可作为水面游动传动结构的一部分，带动划水桨的周期性运动，而不需要新增一套转换机构及驱动机构。这种简单的驱动原理和结构，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。

(2)机器人的两栖运动互不干扰，使得机器人的运动状态更稳定。机器人爬行时，横驱动腿及划水桨悬空，不对机器人的爬行运动产生影响；当机器人在水面游动时，由于前支撑腿的直径尺寸较小，其往复运动产生的阻力远低于划水桨拨水时产生的驱动力，因而前支撑腿对机器人水面游动产生的影响可忽略不计。

(3)平衡机构简单实用。由于机器人的尺寸小、重量轻，在水面游动时，划水过程中产生的水波会使机器人上下波动，容易导致其下沉。为此，本发明在张力腿的末端设置了平衡垫片，平衡垫片利用水的粘性使得机器人稳定地依附在水面上，起到很好的平衡作用。

(4)传动效率高。本发明各零件所选材料具备较好的弹性，传动中的效率损耗较小；此外，由于陆地爬行和水面游动共用一套驱动机构且没有复杂的传动机构，使得传动过程中的效率损耗极小，传动效率更高。

(5)爬行和游动速度快。本发明机器人的驱动单元采用不带铁芯的线圈，相比专利CN109398528中所采用的带铁芯的线圈，不仅发热损耗小，还可承受更高的驱动功率，从而使得前支撑腿的摆动幅度更大，加之机构的质量轻、阻力小，本发明的最大爬行速度、游动速度分别为31.4cm/s和13.71cm/s。

附图说明

图1为本发明的整体结构轴测图；

图2为本发明的整体结构的俯视图；

图3为本发明的底板的平面图；

图4为本发明的侧板的平面图；

图5为本发明的线圈座的平面图；

图6为本发明的防水膜的平面图；

图7为本发明工作时交变电磁场使外伸梁受交变力示意图，其中，图7(a)为线性电磁驱动器产生交变力的示意图，图7(b)为外伸梁形变示意图；

图8为划水桨受力分析示意图；

图9为划水运动步骤图。

图中附图标记含义为：1.底板，2.侧板，3.线圈座，4.外伸梁，5.前支撑腿，6.后支撑腿，7.永磁体，8.线圈，9.横驱动腿，10.划水桨，11.前张力腿，12.后张力腿，13.平衡垫片，14.防水膜。

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、图2所示，本发明提供一种电磁驱动的微型水陆两栖机器人，包括：底板1，侧板2，线圈座3，外伸梁4，前支撑腿5，后支撑腿6，永磁体7，线圈8，横驱动腿9，划水桨10，前张力腿11，后张力腿12，平衡垫片13(前后四片相同的平衡垫片)，防水膜14。其中底板1为侧板2提供支撑，线圈座3用于加固侧板2；外伸梁4由两条水平排列的金属丝构成，通过侧板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4的中部，并与线圈8轴线方向一致；线圈8固定在线圈座3上，其引线两端连接电源(本实施方式中采用外置交流电源)。前支撑腿5与后支撑腿6分别与外伸梁4和侧板2相连。横驱动腿9固定在两条前支撑腿5上，并在横驱动腿9的两端固定划水桨10。前张力腿11和后张力腿12固定在底板1上，前张力腿11和后张力腿12各粘贴一片平衡垫片13。防水膜14粘贴在底板1和两侧板2前端的高度的1/3～1/2处。

底板1的结构如图3所示，总体为框式结构，两侧各设有2个插片，用于连接侧板2，中部对角线方向设有肋，用于加强底板的结构强度。

侧板2有左右两个，结构完全相同，相对而置，其结构如图4所示，每个侧板上设有2个小孔和3个小槽。其中，2个小孔为外伸梁4的定位孔，用于固定外伸梁4；下部的2个水平槽用于连接底板1，上部的斜槽用于连接线圈座3。

线圈座3结构如图5所示，线圈座3上设有1个大孔、2个小孔和1对插片。大孔用于定位线圈8，同时使得永磁体7可在大孔内来回运动；小孔用于穿插线圈8引出的铜导线，拉紧后用胶水将线圈8固定在线圈座3上；插片用于与侧板上的斜槽配合。

防水膜14的结构如图6所示。其中A区域粘贴在底板1的下表面；B区域与底板1垂直，用于包裹住机器人的前端；C区域粘贴在侧板2前端1/3～1/2高度处，可随外伸梁的高度作出相应的调整，确保防水膜不干扰外伸悬臂梁的振动。

本实施方式中，外伸梁4由两根平行排列的Ti-Ni记忆合金丝组成，永磁体7远离线圈8的一端贴有碳纤维贴片，并用胶水粘在外伸梁4的中部。其中，两根记忆合金丝的长度可以为16～32mm(本实例取18mm)，直径47μm～300μm(本实例取100μm)，间隙1mm～2mm(本实例取2mm)。柱状的永磁体7，直径为2mm，高度为2mm，可根据外伸梁4的尺寸有所改变。线圈8的内径为2.5mm，在线圈8的内部嵌入永磁体7，永磁体7的方向与线圈8的轴线方向一致；永磁体7嵌入深度约为线圈高度的1/2～1/3，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1.1mm。腿部长度可取6mm～12mm，后支撑腿与地面成60°～80°夹角。

本发明的水陆两栖机器人的驱动原理是：采用一定频率的交流电压驱动，外伸梁4在交变磁场力的作用下产生来回往复运动，从而带动前支撑腿5及前支撑腿上的横驱动腿9来回摆动，从而使得整体结构在水面及地面都可实现向前运动。如图7(a)所示，具体为将信号发生器的输出端与输入端分别与线圈8的两根引线相接，由于交流电的电压和电流总是呈现周期性的变化，所以线圈周围的磁场力也会产生周期性的变化；如图7(b)所示，交变磁场中的永磁体7在轴向往复的磁场力的作用下产生来回往复运动，外伸梁4在交变磁场力的作用下发生弹性形变。

外伸梁的交变弹性形变为一种受迫振动，当交流电的频率在某一值时，外伸梁在交变力作用下的受迫振动频率接近固有频率，振动幅度达到最大，这也使得固定在外伸梁4上前支撑腿5，以及固定在前支撑腿5上的横驱动腿9产生最大幅度的前后摆动。如图8所示，由于前支撑腿5与铅垂面成一定角度，前支撑腿5向后下方摆动时，前支撑腿5上的横驱动腿9以及固定在其上的划水桨10向后下方摆动，划水桨10向后下方摆动时，会向后方拨水，水的反作用力推动整个结构向前运动。外伸梁4变形时带动腿部摆动及划水桨10摆动的具体步骤如图9所示。

本发明中，底板1、侧板2、线圈座3、划水桨10、平衡垫片13以及永磁体7上的贴片均采用双层碳纤维垂直叠加而成的复合材料经过激光切割制成，也可以用各种非导电轻质材料制备，如塑料纤维、塑料、轻木等。外伸梁4、前支撑腿5、后支撑腿6、横驱动腿9、前张力腿11，后张力腿12均由具备一定弹性及支撑能力的金属丝制成，如铜丝、铁丝、记忆合金丝等。

需要说明的是，以上所述涉及方位的表述，如上、下、内、外等，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 (10)

1.一种电磁驱动的微型水陆两栖机器人，由支撑单元、驱动单元、作动单元、张力单元和电源系统组成；其特征在于：

所述支撑单元包括底板、两个侧板和线圈座；其中，侧板上设有小孔和插槽，小孔用于外伸梁的定位，插槽用于底板、线圈座的固定；底板和线圈座通过插接方式安装于两个侧板之间，底板用于支撑侧板，线圈座用于固定线圈并加固侧板；

所述驱动单元包括线圈、外伸梁和永磁体；其中，线圈安装在线圈座上并连接电源，外伸梁由两条金属丝构成，永磁体固定在外伸梁的中部；

所述作动单元由支撑腿、横驱动腿、划水桨组成；支撑腿包括1对前支撑腿和1对后支撑腿，前支撑腿粘贴在外伸梁两端，后支撑腿粘贴在侧板两侧；横驱动腿水平固定在两条前支撑腿上，划水桨粘贴在横驱动腿两端；

所述张力单元由张力腿、防水膜和平衡垫片组成；张力腿包括1对前张力腿和1对后张力腿，4条张力腿轴对称固定在底板上，各张力腿末端均粘有平衡垫片；防水膜粘贴在底板和机器人前端；

所述电源系统包括电源及配套电路，为线圈提供可调交流电压。

2.根据权利要求1所述的微型水陆两栖机器人，其特征在于：所述底板、侧板、线圈座、划水桨、平衡垫片采用双层碳纤维垂直叠加而成的复合材料，经激光切割方法加工成形。

3.根据权利要求1所述的微型水陆两栖机器人，其特征在于：所述外伸梁、支撑腿、横驱动腿、张力腿的材料均为具备一定弹性及支撑能力的金属丝，包括Ti-Ni记忆合金丝、铜丝或铁丝。

4.根据权利要求1所述的微型水陆两栖机器人，其特征在于：所述防水膜的材料为聚酰亚胺膜或塑料膜，采用激光切割方法加工。

5.根据权利要求1所述的微型水陆两栖机器人，其特征在于：所述侧板有左右两个，结构完全相同，相对而置，每个侧板上开有2个小孔与3个槽，2个小孔为外伸梁的定位孔，底部的2个水平槽用于侧板与底板的连接，上部的斜槽用于侧板与线圈座的连接。

6.根据权利要求1所述的微型水陆两栖机器人，其特征在于：所述线圈座的两端设有插片，用于与侧板上的斜槽配合；线圈座中部设有线圈的定位安装孔。

7.根据权利要求1所述的微型水陆两栖机器人，其特征在于：所述后支撑腿与地面的角度为60°～80°；所述划水桨与水面的角度为30°～70°。

8.根据权利要求1所述的微型水陆两栖机器人，其特征在于：所述电源为频率及幅值可调的交流信号发生器，通过细铜导线与线圈相连，线圈工作电流小于0.7A，工作电压小于6V。

9.根据权利要求1所述的微型水陆两栖机器人，其特征在于：所述水陆两栖机器人的各向尺寸均小于3cm，质量低于140mg。

10.一种用于权利要求1所述的微型水陆两栖机器人的驱动方法，其特征在于：当线圈上施加交流电压后，线圈与永磁体之间产生交变磁场，外伸梁在永磁体带动下发生受迫振动，进而带动前支撑腿发生摆动；

陆地爬行时，电磁驱动和摩擦驱动共同作用，一方面，由于机身的倾斜使得前支撑腿向后摆动冲击地面时，地面对机器人向前的反作用力；另一方面，前支撑腿向前摆动时，地面和前支撑腿之间、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；

水面游动时，仅依靠电磁驱动，横驱动腿跟随前支撑腿前后摆动，划水桨在横驱动腿带动下做周期性向后拨水运动，产生的反作用力推动机构向前游动。

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