[發明專利]復合驅動的仿水母兩棲機器人的運動方法

有效

• 申請號: 201210273750.7
• 申請日: 2012-08-03
• 公開（公告）號: CN102795069A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 蔣素榮;陳柏;馮安洋;夏欣一;吳洪濤;崔靜
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B60F3/00
• 分類號: B60F3/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

技術領域

本發明涉及的是一種仿生、復合運動的機器人，具體的說仿水母兩棲機器人的運動方法。

背景技術

隨著海洋開發需求的增長及技術的進步，具備各種特定功能的水下機器人得到迅猛的發展。其中仿水母機器人具有獨特的發展潛力，水母體的噴水式推進方式簡單可靠，易于用復合材料實現，并且仿水母機器人具有效率高、機動性能好、噪聲低、對環境擾動小的特點，在海洋考察、環境檢測以及軍事領域具有重要的應用前景。目前已有的一些仿水母機器人已經能夠降低噪聲，并取得較好的運動靈活性，但在適應復雜的海洋環境，特別是同時能夠在水中和水底環境中進行運動的能力還有待進一步改善。

目前國內外科研人員已經在仿水母機器人上取得了很多成果。例如專利號為200810064358.5的專利中提出了一種水下微型仿生機器魚。它提供了一種體積小，運動靈活，超低噪聲的仿生機器魚，但其小推力的特性限制了它的運動局限于靜水環境。其中IEEE在2010年7月13卷15期277至281頁發表了一篇“A?Novel?Jellyfish-like?Biomimetic?Microrobot”的論文，該論文提出了一種用形狀記憶合金（SMA）驅動的仿水母機器人，但作為動力的SMA是單根的，驅動力有限，易受外界環境干擾，驅動力的不足限制了機器人的運動靈活性，并且整體結構不夠穩定，在水中容易側翻。

發明內容

本發明的目的在于提供一種由SMA和高分子離子聚合物（IPMC）驅動的仿水母兩棲機器人的運動方法，該方法運動模式多、運動中整體結構穩定不易側翻。

一種復合驅動的仿水母兩棲機器人的運動方法，其特征在于包括以下過程：

所述復合驅動的仿水母兩棲機器人由驅動機構、傳動機構、外殼、彈性腿組成，具體結構如下：上述驅動機構包括第一圓盤、第二圓盤、第二固定塊、中心桿、SMA彈簧組、復位彈簧；其中第一圓盤通過其中心的第一固定塊固定于中心桿下端，第二圓盤通過其中心的滑塊沿中心桿滑動，第二固定塊固定于中心桿的頂端；第一圓盤和第二圓盤之間通過SMA彈簧組相連，其中每個SMA彈簧的兩端分別與電源正極或負極相連；滑塊與第二固定塊之間通過復位彈簧相連；上述傳動機構由N組連桿機構組成，其中每組連桿機構均由第一連桿、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個擺動板和一個柔性半球形外殼組成；其中每塊擺動板分別與對應的第三連桿固定；上述柔性半球狀外殼固定并貼合于N個擺動板的外表面；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板的套筒、安裝于套筒頂部的端蓋、安裝于套筒內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腿由兩片并聯的IPMC膜組成；IPMC膜的兩端分別與電源正極或負極相連；IPMC膜垂直于第一圓盤的半徑方向。

??上述運動方法包括潛浮運動、轉向運動、速度控制、水底或陸地行走，具體過程如下：

潛浮運動：當SMA彈簧通電加熱后，SMA彈簧收縮，拉動由傳動機構和外殼共同組成的傘狀機構收縮排水，撤去電流后，在回復彈簧的作用下，SMA彈簧能快速恢復原形，傘狀機構會張開吸水，完成一個周期的動作；上浮時使機器人頭部朝上，下潛時使機器人頭部朝下，傘狀機構以一定的頻率排水、吸水，提供了水母上浮或下潛的主要驅動力；

轉向運動：這里的轉向是指機器人在中心桿所在平面內的轉向，在機器人運動過程中通過在一條IPMC腿部通以電流使其向一側彎曲，由于流體環境介質對彎曲的IPMC腿施加了阻力，整個機器人受垂直于中心桿方向的轉矩，從而機器人向腿部彎曲的方向轉動；當兩條對角IPMC腿同時同方向彎曲時可以實現機器人的急轉，通過急轉可以快速的使機器人在中心桿所在平面內轉動，最終實現機器人姿態的調整；

速度控制：由SMA彈簧的伸縮頻率和IPMC的擺動頻率共同決定；

水底行走:?每個彈性腿的IPMC腿由兩片并聯的IPMC膜組成，使腿部可以雙向對稱彎曲；當向一片IPMC膜厚度方向，施加電壓時，IPMC膜會向陽極方向彎曲；彈性腿接觸水底時，由于受壓力作用彈性腿內部的彈簧被壓縮一段長度，IPMC腿也會隨之向套筒內收起相同長度，從而降低了機器人的整體重心；按前進方向將機器人的四條腿順時針編號為一號腿、二號腿、三號腿、四號腿，其中一號腿為位于最前方的腿；