專利名稱：復(fù)合驅(qū)動(dòng)的仿水母兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種仿生、復(fù)合運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，具體的說(shuō)仿水母兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
隨著海洋開(kāi)發(fā)需求的增長(zhǎng)及技術(shù)的進(jìn)步，具備各種特定功能的水下機(jī)器人得到迅猛的發(fā)展。其中仿水母機(jī)器人具有獨(dú)特的發(fā)展?jié)摿?，水母體的噴水式推進(jìn)方式簡(jiǎn)單可靠，易于用復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)，并且仿水母機(jī)器人具有效率高、機(jī)動(dòng)性能好、噪聲低、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小的特點(diǎn)，在海洋考察、環(huán)境檢測(cè)以及軍事領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。目前已有的一些仿水母機(jī)器人已經(jīng)能夠降低噪聲，并取得較好的運(yùn)動(dòng)靈活性，但在適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境，特別是同時(shí)能夠在水中和水底環(huán)境中進(jìn)彳丁運(yùn)動(dòng)的能力還有待進(jìn)一步改善。
目前國(guó)內(nèi)外科研人員已經(jīng)在仿水母機(jī)器人上取得了很多成果。例如專利號(hào)為200810064358. 5的專利中提出了一種水下微型仿生機(jī)器魚(yú)。它提供了一種體積小，運(yùn)動(dòng)靈活，超低噪聲的仿生機(jī)器魚(yú)，但其小推力的特性限制了它的運(yùn)動(dòng)局限于靜水環(huán)境。其中IEEE在 2010 年 7 月 13 卷 15 期 277 至 281 頁(yè)發(fā)表了一篇“A Novel Jellyfish-like BiomimeticMicrorobot”的論文,該論文提出了一種用形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)的仿水母機(jī)器人,但作為動(dòng)力的SMA是單根的，驅(qū)動(dòng)力有限，易受外界環(huán)境干擾，驅(qū)動(dòng)力的不足限制了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性，并且整體結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，在水中容易側(cè)翻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種由SMA和高分子離子聚合物(IPMC)驅(qū)動(dòng)的仿水母兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方法，該方法運(yùn)動(dòng)模式多、運(yùn)動(dòng)中整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易側(cè)翻。一種復(fù)合驅(qū)動(dòng)的仿水母兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方法，其特征在于包括以下過(guò)程
所述復(fù)合驅(qū)動(dòng)的仿水母兩棲機(jī)器人由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、外殼、彈性腿組成，具體結(jié)
構(gòu)如下上述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一圓盤(pán)、第二圓盤(pán)、第二固定塊、中心桿、SMA彈簧組、復(fù)位彈簧；其中第一圓盤(pán)通過(guò)其中心的第一固定塊固定于中心桿下端，第二圓盤(pán)通過(guò)其中心的滑塊沿中心桿滑動(dòng)，第二固定塊固定于中心桿的頂端；第一圓盤(pán)和第二圓盤(pán)之間通過(guò)SMA彈簧組相連，其中每個(gè)SMA彈簧的兩端分別與電源正極或負(fù)極相連；滑塊與第二固定塊之間通過(guò)復(fù)位彈簧相連；上述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由N組連桿機(jī)構(gòu)組成，其中每組連桿機(jī)構(gòu)均由第一連桿、第二連桿、第三連桿組成；其中第一連桿的一端與滑塊鉸接，第一連桿的另一端與第三連桿鉸接，第二連桿一端與第二固定塊鉸接，第二連桿的另一端與第一連桿的中部鉸接；上述外殼由N個(gè)擺動(dòng)板和一個(gè)柔性半球形外殼組成；其中每塊擺動(dòng)板分別與對(duì)應(yīng)的第三連桿固定；上述柔性半球狀外殼固定并貼合于N個(gè)擺動(dòng)板的外表面；上述外殼還包括安裝于第二固定塊上的與柔性半球狀外殼頂部相連的支撐桿；上述彈性腿包括固定于擺動(dòng)板的套筒、安裝于套筒頂部的端蓋、安裝于套筒內(nèi)且上端與端蓋相連的彈簧、與彈簧下端相連的滑塊、與滑塊相連的IPMC腿；其中IPMC腿由兩片并聯(lián)的IPMC膜組成；IPMC膜的兩端分別與電源正極或負(fù)極相連；IPMC膜垂直于第一圓盤(pán)的半徑方向。上述運(yùn)動(dòng)方法包括潛浮運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)、速度控制、水底或陸地行走，具體過(guò)程如下
潛浮運(yùn)動(dòng)當(dāng)SMA彈簧通電加熱后，SMA彈簧收縮，拉動(dòng)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和外殼共同組成的傘狀機(jī)構(gòu)收縮排水，撤去電流后，在回復(fù)彈簧的作用下，SMA彈簧能快速恢復(fù)原形，傘狀機(jī)構(gòu)會(huì)張開(kāi)吸水，完成一個(gè)周期的動(dòng)作；上浮時(shí)使機(jī)器人頭部朝上，下潛時(shí)使機(jī)器人頭部朝下，傘狀機(jī)構(gòu)以一定的頻率排水、吸水，提供了水母上浮或下潛的主要驅(qū)動(dòng)力； 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)這里的轉(zhuǎn)向是指機(jī)器人在中心桿所在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)向，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)在一條IPMC腿部通以電流使其向一側(cè)彎曲，由于流體環(huán)境介質(zhì)對(duì)彎曲的IPMC腿施加了阻力，整個(gè)機(jī)器人受垂直于中心桿方向的轉(zhuǎn)矩，從而機(jī)器人向腿部彎曲的方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)兩條對(duì)角IPMC腿同時(shí)同方向彎曲時(shí)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的急轉(zhuǎn)，通過(guò)急轉(zhuǎn)可以快速的使機(jī)器人在中心桿所在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)的調(diào)整；
速度控制由SMA彈簧的伸縮頻率和IPMC的擺動(dòng)頻率共同決定；
水底行走每個(gè)彈性腿的IPMC腿由兩片并聯(lián)的IPMC膜組成，使腿部可以雙向?qū)ΨQ彎曲；當(dāng)向一片IPMC膜厚度方向，施加電壓時(shí)，IPMC膜會(huì)向陽(yáng)極方向彎曲；彈性腿接觸水底時(shí)，由于受壓力作用彈性腿內(nèi)部的彈簧被壓縮一段長(zhǎng)度，IPMC腿也會(huì)隨之向套筒內(nèi)收起相同長(zhǎng)度，從而降低了機(jī)器人的整體重心；按前進(jìn)方向?qū)C(jī)器人的四條腿順時(shí)針編號(hào)為一號(hào)腿、二號(hào)腿、三號(hào)腿、四號(hào)腿，其中一號(hào)腿為位于最前方的腿；
適用于平坦水底或陸地的快速行走方式，包括以下步驟
步驟I、一號(hào)腿、二號(hào)腿、三號(hào)腿、四號(hào)腿均未施加電壓保持豎直狀態(tài)，均為主支撐腿，機(jī)器人穩(wěn)定；
步驟2、使一號(hào)腿、三號(hào)腿同時(shí)向前進(jìn)方向彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用，一號(hào)腿、三號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；此時(shí)雖然一號(hào)腿、三號(hào)腿觸地，但由于一號(hào)腿、三號(hào)腿與地面作用力小所以它們?yōu)檩o支撐腿，二號(hào)腿、四號(hào)腿仍為主支撐腿；此時(shí)重心落在二號(hào)腿、四號(hào)腿組成的矩形區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人穩(wěn)定；
步驟3、使二號(hào)腿、四號(hào)腿向內(nèi)彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用，二號(hào)腿、四號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；此時(shí)雖然二號(hào)腿、四號(hào)腿觸地，但由于二號(hào)腿、四號(hào)腿與地面作用力小所以它們?yōu)檩o支撐腿，一號(hào)腿、三號(hào)腿為主支撐腿；此時(shí)重心落在一號(hào)腿、三號(hào)腿組成的矩形區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人穩(wěn)定;
步驟4、使一號(hào)腿、三號(hào)腿同時(shí)向前進(jìn)方向的反方向彎曲至豎直狀態(tài)，機(jī)器人身體隨即向前移動(dòng)了一個(gè)步長(zhǎng)；此時(shí)二號(hào)腿、四號(hào)腿仍為輔支撐腿，一號(hào)腿、三號(hào)腿仍為主支撐腿；此時(shí)重心落在一號(hào)腿、三號(hào)腿組成的矩形區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人穩(wěn)定；
步驟5、使二號(hào)腿、四號(hào)腿同時(shí)向外側(cè)彎曲至豎直狀態(tài)，此時(shí)一號(hào)腿、二號(hào)腿、三號(hào)腿、四號(hào)腿均未施加電壓保持豎直狀態(tài)，均為主支撐腿，機(jī)器人穩(wěn)定；機(jī)器人完成一個(gè)周期的快速步行動(dòng)作。適用于崎嶇水底或陸地的慢速行走方式，包括以下步驟
步驟I、一號(hào)腿、二號(hào)腿、三號(hào)腿、四號(hào)腿均未施加電壓保持豎直狀態(tài)，均為主支撐腿，機(jī)器人穩(wěn)定；
步驟2、使三號(hào)腿向前進(jìn)方向彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用三號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；然后使一號(hào)腿向前進(jìn)方向彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用一號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；
該步驟中任意時(shí)候機(jī)器人至少有三條腿觸地支撐，因此機(jī)器人穩(wěn)定；
步驟3、使四號(hào)腿向內(nèi)彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用四號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；
然后使二號(hào)腿向內(nèi)彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用二號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；
該步驟中任意時(shí)候機(jī)器人至少有三條腿觸地支撐，因此機(jī)器人穩(wěn)定；
步驟4、使一號(hào)腿、三號(hào)腿同時(shí)向前進(jìn)方向的反方向彎曲至豎直狀態(tài)，機(jī)器人身體隨即向前移動(dòng)了一個(gè)步長(zhǎng)；
步驟5、使二號(hào)腿向外側(cè)彎曲彎曲至豎直狀態(tài)；
然后使四號(hào)腿向外側(cè)彎曲彎曲至豎直狀態(tài)；· 該步驟中任意時(shí)候機(jī)器人至少有三條腿觸地支撐，因此機(jī)器人穩(wěn)定。利用同樣的方法，機(jī)器人也可沿二、四號(hào)腿方向步行。上述結(jié)構(gòu)中如果上述第一圓盤(pán)和第二圓盤(pán)分別嵌有一根金屬導(dǎo)電環(huán)，每個(gè)SMA彈簧的兩端分別通過(guò)該金屬導(dǎo)電環(huán)與電源正極或負(fù)極相連，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。上述運(yùn)動(dòng)方法中，在潛浮運(yùn)動(dòng)中，在IPMC腿部施加交變電壓，使IPMC在初始位置附近小幅擺動(dòng)，可以產(chǎn)生向前的輔助推力。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明不僅具備了已有的仿水母機(jī)器人的噪聲低、運(yùn)動(dòng)靈活等特性，而且驅(qū)動(dòng)力比已有仿水母機(jī)器人大，可以實(shí)現(xiàn)水下游動(dòng)和水底行走的兩棲運(yùn)動(dòng)形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，易于維護(hù)。


圖I是仿水母機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)部分的三維 圖2是仿水母機(jī)器人整體的三維 圖3是仿水母機(jī)器人彈性腿部的三維 圖4是仿水母機(jī)器人單腿彎曲轉(zhuǎn)向示意 圖5是仿水母機(jī)器人雙腿彎曲急轉(zhuǎn)示意 圖6是仿水母機(jī)器人前進(jìn)方向及腿部編號(hào)不意圖；其中Tl代表一號(hào)腿，T2代表二號(hào)腿，T3代表三號(hào)腿，T4代表四號(hào)腿，箭頭代表機(jī)器人前進(jìn)方向；
圖中標(biāo)號(hào)名稱1.外殼,2.傳動(dòng)機(jī)構(gòu),3.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),4.彈性腿,11.柔性半球形外殼，12.擺動(dòng)板，13.支撐桿，21.第一連桿，22.第二連桿，23.第三連桿，31.滑塊，32.第二圓盤(pán),33.第一圓盤(pán),34. SMA彈簧組,35.復(fù)位彈簧，36.中心桿,37.第二固定塊，38.第一固定塊，41.套筒，42. IPMC腿，43.端蓋，44.彈簧。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明
以下是仿水母兩棲機(jī)器人主體的傘狀驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，它使用SMA彈簧驅(qū)動(dòng)。它主要由外殼
I、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3、彈性腿4組成。外殼I主要由柔性半球形外殼11、擺動(dòng)板12、以及支撐桿13組成；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2由十二根連桿組成，連桿之間是利用鉚釘連接的，其中連桿23與擺動(dòng)板12固連。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3由滑塊31、第一圓盤(pán)33、第二圓盤(pán)32、SMA彈簧組34、復(fù)位彈簧35、中心桿36、第一固定塊38、第二固定塊37組成。其中每個(gè)圓盤(pán)內(nèi)部裝有一根金屬環(huán)，圓盤(pán)材料為塑料，兩根金屬環(huán)連接SMA彈簧的兩端作為正負(fù)電極。圓盤(pán)周向小孔可安裝幾十根SMA彈簧和一根電源線。SMA彈簧外層包有防水皮層線。滑塊32中的小孔與中心軸為間隙配合，由于機(jī)構(gòu)處于水下環(huán)境，且滑動(dòng)速度較慢，所以只需在中心軸滑動(dòng)范圍內(nèi)涂上脂來(lái)潤(rùn)滑，便可減小摩擦力。第一圓盤(pán)33通過(guò)中間第一固定塊38與中心桿36連接，第一固定塊38鉆有盲孔，與中心桿36為過(guò)盈配合，中心桿36的底面抵在孔內(nèi)，由于第一圓盤(pán)33只受單向力的作用，所以只需單側(cè)用中心桿36端面固定即可。各個(gè)圓盤(pán)的小孔連接部分都安裝有圓形橡膠圈進(jìn)行防水。腿部包括套筒41、IPMC腿42、端蓋43、彈簧44和滑塊45，IPMC腿42上連接了導(dǎo)線，必須用防水膠布進(jìn)行防水密封。當(dāng)SMA彈簧通上電流時(shí)變形收縮，拉動(dòng)滑塊32在中心桿36上運(yùn)動(dòng)，叢而帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作，連桿上連著塑料板隨之?dāng)[動(dòng)排水；當(dāng)SMA彈簧上撤去電流后，滑塊32依靠另一端連接的復(fù)位彈簧35復(fù)位，連桿機(jī)構(gòu)隨之張開(kāi)，擺動(dòng)板12完成向內(nèi)吸水動(dòng)作。這里選用SMA彈簧做驅(qū)動(dòng)的原因是其最大變形量超過(guò)原長(zhǎng)的10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出SMA絲的變形量，雖然其輸出的力不如SMA絲大，但通過(guò)增加其數(shù)量可得到理想的驅(qū)動(dòng)力。在滑塊連接的圓輪上可以安裝幾十根SMA彈簧，大大增加了機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力，以后還可根據(jù)實(shí)際情況增加SMA彈簧的數(shù)量。為了增加水母機(jī)器人的排水效率，在四塊擺動(dòng)板12外側(cè)蒙上了一層柔性半球形外殼
11。柔性半球形外殼11頂部固定在中間的支撐桿13上。柔性半球形外殼11下部安裝有四條可收縮的彈性腿4?？梢栽谥黧w排水時(shí)輔助劃水，也可用于方向控制，還可以在水下行走。在機(jī)器人水下行走時(shí)，腿部會(huì)向內(nèi)收縮，降低重心防止機(jī)器人側(cè)翻。一、仿水母機(jī)器人的游動(dòng)機(jī)理如下
(I)潛浮運(yùn)動(dòng)
本發(fā)明中將SMA彈簧安裝在兩個(gè)圓盤(pán)機(jī)構(gòu)上，在圓盤(pán)周向上安裝的若干根SMA彈簧，大大增強(qiáng)了機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)SMA彈簧通電加熱后，SMA彈簧收縮，拉動(dòng)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2和外殼I共同組成的傘狀機(jī)構(gòu)收縮排水；撤去電流后，在回復(fù)彈簧的作用下，SMA彈簧能快速恢復(fù)原形，傘狀機(jī)構(gòu)也會(huì)張開(kāi)吸水，完成一個(gè)周期的動(dòng)作。傘狀機(jī)構(gòu)以一定的頻率排水、吸水，提供了水母上浮的主要驅(qū)動(dòng)力；下潛時(shí)，可以先使機(jī)器人翻轉(zhuǎn)180°，然后和上浮運(yùn)動(dòng)原理相同。下面的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)中將說(shuō)明機(jī)器人姿態(tài)翻轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)。(2)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)
這里的轉(zhuǎn)向是指機(jī)器人繞圖I所在紙平面法向的轉(zhuǎn)向，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)在一條IPMC腿部通以電流使其向一外側(cè)彎曲，由于流體環(huán)境介質(zhì)對(duì)彎曲的IPMC腿施加了阻力，整個(gè)機(jī)器人受到圖I所在紙平面法向的轉(zhuǎn)矩，從而機(jī)器人向腿部彎曲的方向轉(zhuǎn)動(dòng)(見(jiàn)圖4)；當(dāng)1、3或2、4 (見(jiàn)圖6)兩條對(duì)角IPMC腿同時(shí)同方向彎曲時(shí)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的急轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖5)，通過(guò)急轉(zhuǎn)可以快速的使機(jī)器人繞圖I所在紙平面的法向轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)的180。翻轉(zhuǎn)。(3)速度控制
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度控制比較復(fù)雜，它由SMA彈簧的伸縮頻率和IPMC的擺動(dòng)頻率共同決定。當(dāng)IPMC作為轉(zhuǎn)向尾靜止時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度正比于SMA彈簧的伸縮頻率。通過(guò)機(jī)器人的潛浮、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)可以使機(jī)器人到達(dá)水中的任何位置，機(jī)器人的腿部還可以使機(jī)器人在水底行走。(4)水底行走仿水母機(jī)器人在水底的行走主要依靠IPMC腿的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)控制四條IPMC腿的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，可以使機(jī)器人在水下前進(jìn)、后退。彈性腿的IPMC腿由兩片IPMC膜組成，保證了腿部可以雙向?qū)ΨQ彎曲。當(dāng)向IPMC材料厚度方向施加電壓時(shí)，IPMC會(huì)向陽(yáng)極方向彎曲。在水底行走時(shí)，為了防止水流的沖擊導(dǎo)致機(jī)器人的側(cè)翻，本發(fā)明把機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)成彈性的。彈性腿接觸水底時(shí)，由于受壓力作用彈性腿內(nèi)部的彈簧被壓縮一段長(zhǎng)度，IPMC腿也會(huì)隨之向套筒內(nèi)收起一定長(zhǎng)度，機(jī)器人重心具有一定程度的下降，從而提高了其在水中行走的平穩(wěn)性。按前進(jìn)方向?qū)C(jī)器人的四條腿順時(shí)針編號(hào)為一號(hào)腿、二號(hào)腿、三號(hào)腿、四號(hào)腿，其中一號(hào)腿為位于最前方的腿。圖6中Tl代表一號(hào)腿,T2代表二號(hào)腿,T3代表三號(hào)腿,T4代表四號(hào)腿，箭頭代表機(jī)器人前進(jìn)方向。機(jī)器人可以在一號(hào)腿和三號(hào)腿，或二號(hào)腿和三號(hào)腿連線方向上行走。根據(jù)水底或陸地的平坦程度，機(jī)器人可以選擇快速和慢速步行兩種方式?？焖俨叫袝r(shí)機(jī)器人兩腿支撐兩腿擺動(dòng)行走；慢速步行時(shí)機(jī)器人三腿支撐一腿擺動(dòng)行走。適用于平坦水底或陸地的快速行走方式，包括以下步驟
步驟I、一號(hào)腿、二號(hào)腿、三號(hào)腿、四號(hào)腿均未施加電壓保持豎直狀態(tài)，均為主支撐腿，機(jī)器人穩(wěn)定；
步驟2、使一號(hào)腿、三號(hào)腿同時(shí)向前進(jìn)方向彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用，一號(hào)腿、三號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；此時(shí)雖然一號(hào)腿、三號(hào)腿觸地，但由于一號(hào)腿、三號(hào)腿與地面作用力小所以它們?yōu)檩o支撐腿，二號(hào)腿、四號(hào)腿仍為主支撐腿；此時(shí)重心落在二號(hào)腿、四號(hào)腿組成的矩形區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人穩(wěn)定；
步驟3、使二號(hào)腿、四號(hào)腿向內(nèi)彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用，二號(hào)腿、四號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；此時(shí)雖然二號(hào)腿、四號(hào)腿觸地，但由于二號(hào)腿、四號(hào)腿與地面作用力小所以它們?yōu)檩o支撐腿，一號(hào)腿、三號(hào)腿為主支撐腿；此時(shí)重心落在一號(hào)腿、三號(hào)腿組成的矩形區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人穩(wěn)定;
步驟4、使一號(hào)腿、三號(hào)腿同時(shí)向前進(jìn)方向的反方向彎曲至豎直狀態(tài)，機(jī)器人身體隨即向前移動(dòng)了一個(gè)步長(zhǎng)；此時(shí)二號(hào)腿、四號(hào)腿仍為輔支撐腿，一號(hào)腿、三號(hào)腿仍為主支撐腿；此時(shí)重心落在一號(hào)腿、三號(hào)腿組成的矩形區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人穩(wěn)定；
步驟5、使二號(hào)腿、四號(hào)腿同時(shí)向外側(cè)彎曲至豎直狀態(tài)，此時(shí)一號(hào)腿、二號(hào)腿、三號(hào)腿、四號(hào)腿均未施加電壓保持豎直狀態(tài)，均為主支撐腿，機(jī)器人穩(wěn)定；機(jī)器人完成一個(gè)周期的快速步行動(dòng)作。適用于崎嶇水底或陸地的慢速行走方式，包括以下步驟
步驟I、一號(hào)腿、二號(hào)腿、三號(hào)腿、四號(hào)腿均未施加電壓保持豎直狀態(tài)，均為主支撐腿，機(jī)器人穩(wěn)定；
步驟2、使三號(hào)腿向前進(jìn)方向彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用三號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；
然后使一號(hào)腿向前進(jìn)方向彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用一號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；
該步驟中任意時(shí)候機(jī)器人至少有三條腿觸地支撐，因此機(jī)器人穩(wěn)定；
步驟3、使四號(hào)腿向內(nèi)彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用四號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；
然后使二號(hào)腿向內(nèi)彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用二號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；
該步驟中任意時(shí)候機(jī)器人至少有三條腿觸地支撐，因此機(jī)器人穩(wěn)定；
步驟4、使一號(hào)腿、三號(hào)腿同時(shí)向前進(jìn)方向的反方向彎曲至豎直狀態(tài)，機(jī)器人身體隨即向前移動(dòng)了一個(gè)步長(zhǎng)；
步驟5、使二號(hào)腿向外側(cè)彎曲彎曲至豎直狀態(tài)；
然后使四號(hào)腿向外側(cè)彎曲彎曲至豎直狀態(tài)；
該步驟中任意時(shí)候機(jī)器人至少有三條腿觸地支撐，因此機(jī)器人穩(wěn)定。利用同樣的方法，機(jī)器人也可沿二、四號(hào)腿方向步 行。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合驅(qū)動(dòng)的仿水母兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方法，其特征在于包括以下過(guò)程 所述復(fù)合驅(qū)動(dòng)的仿水母兩棲機(jī)器人由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)、外殼(I)、彈性腿(4)組成，具體結(jié)構(gòu)如下 上述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一圓盤(pán)(33)、第二圓盤(pán)(32)、第二固定塊(37)、中心桿(36)、SMA彈簧組(34)、復(fù)位彈簧(35);其中第一圓盤(pán)(33)通過(guò)其中心的第一固定塊(38)固定于中心桿(36)下端，第二圓盤(pán)(32)通過(guò)其中心的滑塊(31)沿中心桿滑動(dòng)，第二固定塊(37)固定于中心桿(36)的頂端；第一圓盤(pán)(33)和第二圓盤(pán)(32)之間通過(guò)SMA彈簧組(34)相連，其中每個(gè)SM彈簧的兩端分別與電源正極或負(fù)極相連；滑塊(31)與第二固定塊(37)之間通過(guò)復(fù)位彈簧(35)相連； 上述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由N組連桿機(jī)構(gòu)組成，其中每組連桿機(jī)構(gòu)均由第一連桿(21 )、第二連桿(22 )、第三連桿(23 )組成；其中第一連桿(21)的一端與滑塊(31)鉸接，第一連桿(21)的另一端與第三連桿(23)鉸接，第二連桿(22)—端與第二固定塊(37)鉸接，第二連桿(22)的另一端與第一連桿(21)的中部鉸接； 上述外殼由N個(gè)擺動(dòng)板(12)和一個(gè)柔性半球形外殼(11)組成；其中每塊擺動(dòng)板(12)分別與對(duì)應(yīng)的第三連桿(23)固定；上述柔性半球狀外殼(11)固定并貼合于N個(gè)擺動(dòng)板(12)的外表面；上述外殼(I)還包括安裝于第二固定塊上(37)的與柔性半球狀外殼頂部相連的支撐桿(13)； 上述彈性腿(4)包括固定于擺動(dòng)板(12)的套筒(41)、安裝于套筒(41)頂部的端蓋(43)、安裝于套筒(41)內(nèi)且上端與端蓋(43)相連的彈簧(44)、與彈簧下端相連的滑塊(45)、與滑塊相連的IPMC腿(42);其中IPMC腿(42)由兩片并聯(lián)的IPMC膜組成；IPMC膜的兩端分別與電源正極或負(fù)極相連；IPMC膜平面垂直魚(yú)第一圓盤(pán)(33)的半徑方向； 上述運(yùn)動(dòng)方法包括潛浮運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)、速度控制、水底或陸地行走，具體過(guò)程如下 潛浮運(yùn)動(dòng)當(dāng)SMA彈簧通電加熱后，SMA彈簧收縮，拉動(dòng)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)和外殼(I)共同組成的傘狀機(jī)構(gòu)收縮排水，撤去電流后，在回復(fù)彈簧的作用下，SMA彈簧能快速恢復(fù)原形，傘狀機(jī)構(gòu)會(huì)張開(kāi)吸水，完成一個(gè)周期的動(dòng)作；上浮時(shí)使機(jī)器人頭部朝上，下潛時(shí)使機(jī)器人頭部朝下，傘狀機(jī)構(gòu)以一定的頻率排水、吸水，提供了水母上浮或下潛的主要驅(qū)動(dòng)力； 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)這里的轉(zhuǎn)向是指機(jī)器人在中心桿所在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)向，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)在一條IPMC腿部通以電流使其向一側(cè)彎曲，由于流體環(huán)境介質(zhì)對(duì)彎曲的IPMC腿施加了阻力，整個(gè)機(jī)器人受垂直于中心桿方向的轉(zhuǎn)矩，從而機(jī)器人向腿部彎曲的方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)兩條對(duì)角IPMC腿同時(shí)同方向彎曲時(shí)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的急轉(zhuǎn)，通過(guò)急轉(zhuǎn)可以快速的使機(jī)器人在中心桿所在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)的調(diào)整； 速度控制由SMA彈簧的伸縮頻率和IPMC的擺動(dòng)頻率共同決定； 水底或陸地行走每個(gè)彈性腿的IPMC腿由兩片并聯(lián)的IPMC膜組成，使腿部可以雙向?qū)ΨQ彎曲；當(dāng)向一片IPMC膜厚度方向，施加電壓時(shí)，IPMC膜會(huì)向陽(yáng)極方向彎曲；彈性腿接觸水底時(shí)，由于受壓力作用彈性腿內(nèi)部的彈簧被壓縮一段長(zhǎng)度，IPMC腿也會(huì)隨之向套筒內(nèi)收起相同長(zhǎng)度，從而降低了機(jī)器人的整體重心；按前進(jìn)方向?qū)C(jī)器人的四條腿順時(shí)針編號(hào)為一號(hào)腿、二號(hào)腿、三號(hào)腿、四號(hào)腿，其中一號(hào)腿為位于最前方的腿； 適用于平坦水底或陸地的快速行走方式，包括以下步驟 步驟I、一號(hào)腿、二號(hào)腿、三號(hào)腿、四號(hào)腿均未施加電壓保持豎直狀態(tài)，均為主支撐腿，機(jī)器人穩(wěn)定； 步驟2、使一號(hào)腿、三號(hào)腿同時(shí)向前進(jìn)方向彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用，一號(hào)腿、三號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；此時(shí)雖然一號(hào)腿、三號(hào)腿觸地，但由于一號(hào)腿、三號(hào)腿與地面作用力小所以它們?yōu)檩o支撐腿，二號(hào)腿、四號(hào)腿仍為主支撐腿；此時(shí)重心落在二號(hào)腿、四號(hào)腿組成的矩形區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人穩(wěn)定； 步驟3、使二號(hào)腿、四號(hào)腿向內(nèi)彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用，二號(hào)腿、四號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地；此時(shí)雖然二號(hào)腿、四號(hào)腿觸地，但由于二號(hào)腿、四號(hào)腿與地面作用力小所以它們?yōu)檩o支撐腿，一號(hào)腿、三號(hào)腿為主支撐腿；此時(shí)重心落在一號(hào)腿、三號(hào)腿組成的矩形區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人穩(wěn)定; 步驟4、使一號(hào)腿、三號(hào)腿同時(shí)向前進(jìn)方向的反方向彎曲至豎直狀態(tài)，機(jī)器人身體隨即向前移動(dòng)了一個(gè)步長(zhǎng)；此時(shí)二號(hào)腿、四號(hào)腿仍為輔支撐腿，一號(hào)腿、三號(hào)腿仍為主支撐腿；此時(shí)重心落在一號(hào)腿、三號(hào)腿組成的矩形區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人穩(wěn)定； 步驟5、使二號(hào)腿、四號(hào)腿同時(shí)向外側(cè)彎曲至豎直狀態(tài)，此時(shí)一號(hào)腿、二號(hào)腿、三號(hào)腿、四號(hào)腿均未施加電壓保持豎直狀態(tài)，均為主支撐腿，機(jī)器人穩(wěn)定；機(jī)器人完成一個(gè)周期的快速步行動(dòng)作； 適用于崎嶇水底或陸地的慢速行走方式，包括以下步驟 步驟I、一號(hào)腿、二號(hào)腿、三號(hào)腿、四號(hào)腿均未施加電壓保持豎直狀態(tài)，均為主支撐腿，機(jī)器人穩(wěn)定； 步驟2、使三號(hào)腿向前進(jìn)方向彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用三號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地； 然后使一號(hào)腿向前進(jìn)方向彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用一號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地； 該步驟中任意時(shí)候機(jī)器人至少有三條腿觸地支撐，因此機(jī)器人穩(wěn)定； 步驟3、使四號(hào)腿向內(nèi)彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用四號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地； 然后使二號(hào)腿向內(nèi)彎曲，由于彈簧的伸長(zhǎng)作用二號(hào)腿伸長(zhǎng)觸地； 該步驟中任意時(shí)候機(jī)器人至少有三條腿觸地支撐，因此機(jī)器人穩(wěn)定； 步驟4、使一號(hào)腿、三號(hào)腿同時(shí)向前進(jìn)方向的反方向彎曲至豎直狀態(tài)，機(jī)器人身體隨即向前移動(dòng)了一個(gè)步長(zhǎng)； 步驟5、使二號(hào)腿向外側(cè)彎曲彎曲至豎直狀態(tài)； 然后使四號(hào)腿向外側(cè)彎曲彎曲至豎直狀態(tài)； 該步驟中任意時(shí)候機(jī)器人至少有三條腿觸地支撐，因此機(jī)器人穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利I所述復(fù)合驅(qū)動(dòng)的仿水母兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方法，其特征在于在潛浮運(yùn)動(dòng)中，在IPMC腿部施加交變電壓，使IPMC在初始位置附近小幅擺動(dòng)，從而產(chǎn)生向前的輔助推力。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合驅(qū)動(dòng)的仿水母兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方法，其特征在于上述第一圓盤(pán)(33)和第二圓盤(pán)(32)分別嵌有一根金屬導(dǎo)電環(huán)，每個(gè)SMA彈簧的兩端分別通過(guò)該金屬導(dǎo)電環(huán)與電源正極或負(fù)極相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合驅(qū)動(dòng)的仿水母兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方法，屬于仿生、復(fù)合運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。該機(jī)器人由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)、外殼(1)、彈性腿(4)組成。上述運(yùn)動(dòng)方法包括潛浮運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)、速度控制、水底或陸地行走。該方法運(yùn)動(dòng)模式多、運(yùn)動(dòng)中整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易側(cè)翻。
文檔編號(hào)B60F3/00GK102795069SQ201210273750
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者蔣素榮, 陳柏, 馮安洋, 夏欣一, 吳洪濤, 崔靜 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)