[發明專利]一種基于壓電驅動的腿式跳躍機器人及其控制方法

有效

• 申請號: 201811087537.0
• 申請日: 2018-09-17
• 公開（公告）號: CN109353424B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 毛婷;彭瀚旻;冒林麗
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 徐紅梅

本發明公開了一種基于壓電驅動的腿式跳躍機器人及其控制方法，機器人包括四層平面PVC薄膜折疊形成的柔性身體和四個壓電雙晶片足，PVC薄膜層上連接有彈跳腿、止動片、形狀記憶合金彈簧和不銹鋼彈簧。利用壓電雙晶片在正余弦電壓作用下的振動，機器人能夠直線行走；利用形狀記憶合金加熱收縮的性能，PVC層儲存和釋放應變能以實現彈跳腿的放開和收回，機器人能夠斜向上跳躍并恢復原狀以繼續行走，實現運動模式的相互轉換。本發明機器人結合壓電驅動快響應、高精度以及形狀記憶合金大變形的優勢，實現機器人的直線和跳躍運動，擴大了壓電機器人的應用領域和運動范圍。

技術領域

本發明涉及超聲領域、壓電技術領域和跳躍機器人領域，尤其涉及一種基于壓電驅動的腿式跳躍機器人及其控制方法。

背景技術

壓電移動機器人具有精度高、響應快、質量輕、尺寸小等優點，在精密儀器、航空航天、武器裝備、生物醫學等領域都有廣闊的應用前景和市場潛力。壓電機器人的運動基于壓電陶瓷逆壓電效應產生的高頻振動，應變小，局限于平面內的運動。但是，在實際應用場合，機器人需要適應復雜地形，靈活轉換運動方式，具備越過障礙的能力，因而跳躍機器人能夠擴大機器人的運動和應用范圍。

傳統的跳躍機器人采用基于直流電機驅動的彈射機構，利用絲杠、齒輪、彈簧等機械元件實現能量的存儲和釋放。類似的機械傳動裝置結構復雜，為滿足小型化的要求，采用化學能、氣動能驅動或者利用智能材料的變形特性來簡化彈射機構。形狀記憶合金加熱相變，剛度增加，無需附加機械傳動元件，常用作跳躍機器人的觸發裝置。形狀記憶合金跳躍機器人存在的挑戰在于無翻轉的平穩著陸和跳躍后的狀態恢復，不影響后續的前進或二次跳躍運動。

發明內容

發明目的：針對背景技術中所涉及到的缺陷，提供一種基于壓電驅動的腿式跳躍機器人及其控制方法，利用形狀記憶合金智能材料和柔性基體材料設計彈射機構，能夠完成儲能，跳躍，恢復，再跳躍的連續性運動；結合壓電驅動技術，實現多運動方式的轉換，擴大機器人的運動范圍和應用領域，適應復雜地形內的行走。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于壓電驅動的腿式跳躍機器人，包括第一至第四驅動足、第一至第四PVC薄膜層、第一和第二形狀記憶合金彈簧、第一和第二彈跳腿、第三彈簧和止動片，其中：

第一至第四PVC薄膜層由上至下依次設置，兩兩之間有空隙，且其兩端相互粘結，第二PVC薄膜層兩端粘結端預留第一延伸部用來安裝第一至第四驅動足；

第一和第四PVC薄膜層呈“Z”字形狀，用來使第三PVC薄膜層變形，中間分別設有第一開口和第二開口；第一形狀記憶合金彈簧穿過第一開口，兩端固定在第一PVC薄膜層上；第二形狀記憶合金彈簧穿過第二開口，兩端固定在第四PVC薄膜層上；

第二PVC薄膜層呈“工”字形狀，中間窄處用來給第一和第三PVC薄膜提供變形空間，同時安裝止動片；

第三PVC薄膜層用來儲存和釋放應變能，中間設有第三開口，以使第三PVC薄膜層穿過第二PVC薄膜層的中間窄處，折疊呈“V”字形狀，且第三PVC薄膜層的橫向兩側預留第二延伸部用來安裝第一和第二彈跳腿；第三彈簧跨過第三開口，兩端固定在第三PVC薄膜層上。

可選的，第一至第四驅動足均采用壓電雙晶片，一端為自由振動端、另一端與第二PVC薄膜層縱向兩端第一延伸部固定連接。

可選的，止動片呈梯形，一端固定在第二PVC薄膜層中間窄處。

可選的，所述第三彈簧為不銹鋼彈簧。

本發明另一實施例中，一種基于壓電驅動的腿式跳躍機器人的控制方法，該機器人包括第一至第四驅動足、第一至第四PVC薄膜層、第一和第二形狀記憶合金彈簧、第一和第二彈跳腿、第三彈簧和止動片，其中：