CN114872013B - 一种多运动模式微机器人及其运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多运动模式微机器人，包括两条腿，四个足，关节，弹性铰链。两条腿之间通过关节和弹性铰链连接，每条腿与两个足固定连接，每条腿的左右两端分别设有连接区与触地区，所述足与腿的触地区相互配合，所述关节与腿的连接区相互配合。本发明提供的微机器人，具备直线运动、跨越、翻身以及转弯四种运动模式，通过电压控制，驱动力大，体积小，便于在狭小空间内作业。

Description

一种多运动模式微机器人及其运动控制方法

技术领域

本发明涉及微型机器人设计及其控制领域，特别是指一种多运动模式微机器人及其运动控制方法。

背景技术

广义上的微机器人是指由将电机舵机等结构进行高度小型化制成厘米级甚至更小尺度的机器人，此外，还可通过新材料和新结构有机结合构建无需传统马达和舵机的厘米级机器人。后者小型化的潜力更大，应用前景更广，下文所说的微型机器人专指后者。在控制手段上微机器人可分为电控，磁控，光控，气控四种，不同控制方式导致微机器人的运动能力不同。气控微型机器人自由度高，能完成很多复杂运动，但是需要外在的巨大储气箱来进行控制，难以真正小型化。磁控和光控对于环境要求比较严格，面对复杂环境时鲁棒性不高。电控具有简单、鲁棒性高等优点，具有较高的实际应用潜力。

电控微机器人一般在驱动材料和驱动结构上进行创新，主流的驱动材料有弹性介电体，热致动材料等。然而，这类材料往往不能同时兼备高动态响应能力、高驱动力、大形变等能力。因此，基于这些材料构建的现有微机器人也往往只有一种运动模式，难以应用于非结构化的真实应用场景。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种多运动模式微机器人及其运动控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种多运动模式微机器人，包括两条腿，四个足，关节，弹性铰链，两条腿之间通过关节和弹性铰链连接，每条腿与两个足固定连接，每条腿的左右两端分别设有连接区与触地区，所述足与腿的触地区相互配合，所述关节与腿的连接区相互配合。

具体地，所述腿为厚度1-2mm的硬质轻型聚合物平板。

具体地，每个足包括足密封套、两片足石墨电极和足液体电介质，所述足密封套由两张介电薄膜热封制成；所述足密封套有开口侧和密封侧，所述开口侧设有两个贴合区，所述足石墨电极与所述足密封套的贴合区相互配合，所述足液体电介质通过开口侧填充于足密封套内部；所述密封侧设有摩擦区，所述摩擦区结构为微坑结构。

具体地，所述关节包括关节密封套、两对石墨电极和关节液体电介质，其中一对石墨电极设置在关节左侧，另一对石墨电极设置在关节右侧，所述关节密封套由两张介电薄膜热封制成；所述关节密封套的左侧与右侧分别设有两个对应的粘合区；所述关节密封套的中间设有变形区；所述关节石墨电极与关节密封套的粘合区相互配合；所述关节液体电介质填充于关节密封套内部。

具体地，所述弹性铰链包括弹性层，粘贴层；所述腿与弹性铰链的粘贴层相互配合；所述弹性层厚度d≈1mm，且中间开缝；所述弹性层由柔性弹性材料制成。

本发明实施例另一方面提供一种多运动模式微机器人的运动控制方法，具体包括：

对于倾覆的微机器人，控制关节的四片石墨电极的电压状态，调整微机器人的重心、姿态与动作，实现翻身动作，具体通过以下步骤实现的：

步骤1：关节左侧的关节石墨电极施加电压，右侧的关节电极不施加电压，左侧的关节石墨电极相互吸引挤压关节液体电介质，关节液体电介质涌入关节密封套的变形区，使变形区变形，关节密封套产生对腿的拉力，微机器人的两腿夹角减小，关节液体电介质向右运动，微机器人重心右移；

步骤2：关节左侧与右侧的关节石墨电极同时施加电压，微机器人两腿夹角迅速缩小，左腿向右快速运动，在地面作用力与微机器人自身动量的共同作用下，微机器人从倾覆状态恢复到足接触地面的正常运动状态；

足接触地面时，对于处于正常姿态的微机器人，具体控制方法为：

步骤1：控制四个足的足石墨电极的电压状态，足石墨电极施加电压时，足石墨电极之间相互吸引，将足密封套内的足液体电介质挤压到微坑结构鼓出，改变足的摩擦力；

步骤2：控制关节的两对关节石墨电极电压状态，改变机器人两腿间的夹角，实现微机器人以直线运动、跨越、翻身、转弯四种运动模式运动。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供一种多运动模式微机器人，包括两条腿，四个足，关节，弹性铰链，两条腿之间通过关节和弹性铰链连接，每条腿与两个足固定连接，每条腿的左右两端分别设有连接区与触地区，所述足与腿的触地区相互配合，所述关节与腿的连接区相互配合，本发明提供的微机器人，关节夹角连续可控，驱动力大，体积小，且关节与足能实现独立控制，自由度高。

(2)本发明提供的微机器人，关节包括两对关节石墨电极，关节密封套，关节液体电介质；关节密封套包括变形区以在所述关节石墨电极相互吸引的作用下产生对腿的拉力；关节采用电控液压驱动的方式，弹性铰链包含弹性层以能产生弹性回复力，弹性层中间开缝以抵抗侧向载荷；腿包括触地区以能与足相互配合，足包含足密封套，两片足石墨电极，足液体电介质，足密封套包含摩擦区以能在足石墨电极的挤压下改变摩擦力；足共有四个，独立控制，自由度高，摩擦力控制时间短，与关节的控制相配合，可以实现多种运动模式，且变形量大，动态响应快，具有直线运动、跨越、翻身、转弯四种运动模式。

附图说明

图1为本发明所设计微机器人的结构示意图；

图2为本发明所设计微机器人的顺时针转弯动作示意图；

图3为本发明所设计微机器人的逆时针转弯动作示意图；

图4为本发明所设计微机器人的跨越动作示意图；

图5为本发明所设计微机器人的翻身动作示意图；

图6为本发明所设计微机器人的直线运动示意图；

图7为本发明所设计微机器人的单个足的制造方法示意图；

图8为本发明所设计微机器人的关节的制造方法示意图；

图9为本发明所设计微机器人的两腿夹角定义。

图中：1-腿，2-腿，3-足，4-足，5-足，6-足，7-关节，8-铰链。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

本发明提供一种多运动模式微机器人，包括两条腿，四个足，关节，弹性铰链，两条腿之间通过关节和弹性铰链连接，每条腿与两个足固定连接，每条腿的左右两端分别设有连接区与触地区，所述足与腿的触地区相互配合，所述关节与腿的连接区相互配合，本发明提供的微机器人，关节夹角连续可控，驱动力大，体积小，且能够实现关节与足的独立控制，自由度高。

参阅图1-图9，本实施例提供一种多运动模式微机器人及其运动控制方法，一种多运动模式微机器人包括：包括两条腿，四个足，关节，弹性铰链。所述腿1和腿2之间通过关节7和弹性铰链8铰链连接，腿1与足3足4固定连接，腿2与足5足6固定连接。

在本实施例中，腿1和腿2为厚度1-2mm的硬质轻型聚合物平板；腿的左右两端分别设有连接区与触地区；所述足与腿的触地区相互配合；所述关节与腿的连接区相互配合。

在本实施例中，足3足4足5足6包括足密封套，两片足石墨电极，足液体电介质；所述足密封套由两张介电薄膜热封制成；所述足密封套有开口侧和密封侧；所述开口侧设有两个贴合区，所述足石墨电极与所述足密封套的贴合区相互配合，所述足液体电介质通过开口侧填充于足密封套内部；所述密封侧设有摩擦区，所述摩擦区结构为微坑结构。

如图7所述，所述足的制造方法，使用CNC控制的热封机将两层介电薄膜热封在一起形成一个密封套，其中一层介电薄膜经过激光加工后表面布满小孔。填充口保持打开状态，以便以后用液体电介质填充。使用丝网印刷方法在薄膜的两面印刷柔性碳基电极。多余的薄膜被修剪以减少对密封套的约束，留下一个裙边以防止在高压电施加期间在密封套周围产生电弧。将此薄膜热封修剪后的密封套贴到腿上，由填充口向其中填充液体电介质，再使用烙铁等将填充口热封。

在本实施例中，所述足石墨电极间施加电压时，足石墨电极之间相互吸引，将足密封套内的液体电介质挤压到所述微坑结构鼓出，增大了摩擦区摩擦力。

在本实施例中，所述关节7包括关节密封套，四片关节石墨电极，关节液体电介质。所述关节密封套由两张介电薄膜热封制成；所述关节密封套的左侧与右侧分别设有两个对应的贴合区；所述关节密封套的中间设有变形区；所述关节石墨电极与关节密封套的贴合区相互配合；所述关节液体电介质填充于关节密封套内部。

如图8所示，所述关节的制造方法，使用CNC控制的热封机将两层介电薄膜热封在一起形成一个密封套。填充口保持打开状态，以便以后用液体电介质填充。使用丝网印刷方法在薄膜的两面印刷柔性碳基电极。多余的薄膜被修剪以减少对密封套的约束，留下一个裙边以防止施加高电压期间在密封套周围产生电弧。将此薄膜热封修剪后的密封套贴在两腿上，由填充口向其中注射液体电介质，再使用烙铁等热封填充口。

在本实施例中，所述关节石墨电极通电压，所述关节石墨电极相互吸引挤压关节密封套内的液体电介质，关节密封套内的液体电介质涌入所述关节密封套的变形区，致使变形区变形，所述关节密封套产生对腿的拉力，致使两腿夹角减小。

在本实施例中，弹性铰链8包括弹性层，粘贴层；所述腿与弹性铰链的粘贴层相互配合。

在本实施例中，所述弹性层由柔性的弹性材料制成；所述弹性层厚度在1mm左右，并且中间开缝；所述弹性层提供弹性回复力，同时抵抗侧向载荷。

本发明的有益效果：本发明采用电控液压关节作为驱动和改变摩擦力的主要部件，动态响应好，可控性强，输出力和位移大；本发明结构简单，结合电控液压关节，能以多种运动模式运动，同时鲁棒性高，对环境的适应性强；本发明由于可控性强，输出力和位移大，可携带微型传感器件，进行特殊狭小空间场景下的环境探测。

实施例二：

如图5，在本实施例中，对于倾覆的微机器人，控制关节的两对关节石墨电极的电压状态，调整机器人的重心，调整微机器人的姿态与动作，实现翻身动作，所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤1：关节左侧的关节石墨电极施加高电压，右侧的关节电极不施加高电压。微机器人的两腿夹角减小，关节液体电介质向右运动，微机器人重心右移。

步骤2：关节左侧与右侧的关节石墨电极同时施加高电压，微机器人两腿夹角迅速缩小，左腿向右快速运动，在地面作用力与微机器人自身动量的共同作用下，微机器人从倾覆状态回复到足接触地面的正常姿态。

实施例三：

如图6所示，在本实施例中，对于足接触地面，处于正常姿态的微机器人，实现快速运动的运动模式，具体步骤包括：

步骤1：在右侧的腿上的足石墨电极上施加高电压，增大右侧足摩擦力。

步骤2：在关节石墨电极上施加高电压，关节变形，两腿间夹角减小。由于向右的摩擦力较大，微机器人向右运动。

步骤3：右侧足石墨电极不施加高电压，左侧足石墨电极施加高电压，

步骤4：关节石墨电极不施加高电压，在弹性铰链的作用下两腿间夹角增大，由于向右的摩擦力较大，微型机器人向右运动。

步骤5：重复步骤1234，微机器人连续直线运动。

本实例中，微型机器人运动频率最高可达20Hz以上。

本实例中，由于微型机器人的对称设计，可以灵活地控制左右运动，具有两个方向运动的能力。

实施例四：

如图2所示，在本实施例中，对于足接触地面，处于正常姿态的微机器人，实现转弯的运动模式，具体步骤包括：

步骤1：4号与6号足石墨电极施加高电压，增大足摩擦力，3号与5号足石墨电极不施加高电压。

步骤2：关节石墨电极施加高电压，两腿间夹角减小，由于足摩擦力不同，产生顺时针的力矩。

步骤3：4号与6号足石墨电极不施加高电压，3号与5号石墨电极施加高电压，增大足摩擦力。

步骤4：关节石墨电极不施加高电压，在弹性铰链的作用下两腿间夹角增大，由于足摩擦力不同，产生顺时针的力矩。

步骤5：重复步骤1234，微机器人顺时针转弯。

在本实例中，微机器人实现了顺时针转弯的动作；由于机器人的对称设计，通过反转步骤1和步骤3中足石墨电极的电压状态，机器人可实现逆时针转弯，具体如图3所示。

实施例五：

如图4所示，在本实施例中，对于足接触地面时，处于正常姿态的微机器人，实现跨越的运动模式，具体步骤包括：

步骤1：右侧足石墨电极施加高电压，增大右侧足摩擦力。

步骤2：关节石墨电极施加高电压，两腿间夹角减小，在地面对微机器人的作用下，微机器人将获得向右的水平动量，与向上的动量，导致微机器人向右上方飞跃。

步骤3：在空中，关节石墨电极不施加高电压，在弹性铰链的回复力作用下两腿间夹角增大，控制重心和姿态，防止落地时倾覆。

在本实例中，通过步骤123实现了微机器人的向右跨越的动作；由于微机器人的对称设计，通过反转步骤1中足石墨电极的电压状态，可以实现向左跨越。

本发明提供一种多运动模式微机器人，包括两条腿，四个足，关节，弹性铰链，两条腿之间通过关节和弹性铰链连接，每条腿与两个足固定连接，每条腿的左右两端分别设有连接区与触地区，所述足与腿的触地区相互配合，所述关节与腿的连接区相互配合，本发明提供的微机器人，连续可控，驱动力大，设备体积小，易于小型化，且能够实现独立控制，自由度高。

本发明提供的微机器人，关节包括两对关节石墨电极，关节密封套，关节液体电介质；关节密封套包括变形区以能在所述关节石墨电极相互吸引的作用下产生对腿的拉力；关节采用电控液压驱动的方式，弹性铰链包含弹性层以能产生弹性回复力，弹性层中间开缝以抵抗侧向载荷；腿包括触地区以能与足相互配合，足包含足密封套，两片足石墨电极，足液体电介质，足密封套包含摩擦区以能在足石墨电极的挤压下改变摩擦力；足共有四个，独立控制，自由度高，摩擦力调控响应时间短，与关节的控制协同配合，可以实现多种运动模式，且关节变形量大，动态响应快，保证微机器人具有直线运动、跨越、翻身、转弯四种运动模式

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种多运动模式微机器人，其特征在于,包括两条腿，四个足，关节，弹性铰链，两条腿之间通过关节和弹性铰链连接，每条腿与两个足固定连接，每条腿的左右两端分别设有连接区与触地区，所述足与腿的触地区相互配合，所述关节与腿的连接区相互配合；

所述腿为厚度1-2mm的硬质轻型聚合物平板；

每个足包括足密封套、两片足石墨电极和足液体电介质，所述足密封套由两张介电薄膜热封制成；所述足密封套有开口侧和密封侧，所述开口侧设有两个贴合区，所述足石墨电极与所述足密封套的贴合区相互配合，所述足液体电介质通过开口侧填充于足密封套内部；所述密封侧设有摩擦区，所述摩擦区结构为微坑结构；

所述关节包括关节密封套、两对石墨电极和关节液体电介质，其中一对石墨电极设置在关节左侧，另一对石墨电极设置在关节右侧，所述关节密封套由两张介电薄膜热封制成；所述关节密封套的左侧与右侧分别设有两个对应的粘合区；所述关节密封套的中间设有变形区；所述关节石墨电极与关节密封套的粘合区相互配合；所述关节液体电介质填充于关节密封套内部。

2.根据权利要求1所述的一种多运动模式微机器人，其特征在于，所述弹性铰链包括弹性层，粘贴层；所述腿与弹性铰链的粘贴层相互配合；所述弹性层厚度d≈1mm，且中间开缝；所述弹性层由柔性弹性材料制成。

3.一种基于权利要求1所述的一种多运动模式微机器人的制备方法，其特征在于，所述足和关节的制造方法，具体为：

使用CNC控制的热封机将两层介电薄膜热封在一起形成一个密封套，其中一层介电薄膜经过激光加工后表面布满孔；

采用丝网印刷方法在介电薄膜的两面打印柔性碳基电极，并对介电薄膜进行修剪，将热封修剪后介电薄膜的密封套贴到腿上，由填充口向其中填充液体电介质，再使用烙铁将填充口热封。

4.一种基于权利要求1或2所述的一种多运动模式微机器人的运动控制方法，其特征在于，实现微机器人以翻身、运动、跨越、转弯四种运动模式运动。

5.根据权利要求4所述的一种多运动模式微机器人的运动控制方法，其特征在于，对于倾覆的微机器人，控制关节的四片石墨电极的电压状态，调整微机器人的重心、姿态与动作，实现翻身动作，具体通过以下步骤实现的：

步骤1：关节左侧的关节石墨电极施加电压，右侧的关节电极不施加电压，左侧的关节石墨电极相互吸引挤压关节液体电介质，关节液体电介质涌入关节密封套的变形区，使变形区变形，关节密封套产生对腿的拉力，微机器人的两腿夹角减小，关节液体电介质向右运动，微机器人重心右移；

步骤2：关节左侧与右侧的关节石墨电极同时施加电压，微机器人两腿夹角迅速缩小，左腿向右快速运动，在地面作用力与微机器人自身动量的共同作用下，微机器人从倾覆状态恢复到足接触地面的正常运动状态；

6.根据权利要求4所述的一种多运动模式微机器人的运动控制方法，其特征在于，对于足接触地面时，对于处于正常姿态的微机器人，具体控制方法为：

步骤1：控制四个足的足石墨电极的电压状态，足石墨电极施加电压时，足石墨电极之间相互吸引，将足密封套内的足液体电介质挤压到微坑结构鼓出，改变足的摩擦力；

步骤2：控制关节的两对关节石墨电极电压状态，改变机器人两腿间的夹角，与四个足的电压状态协同实现微机器人以直线运动、转弯、跨越、翻身四种运动模式运动。