[發明專利]一種雙場協同驅動的全向運動機器人及其驅動方法

有效

• 申請號: 202110149476.1
• 申請日: 2021-02-02
• 公開（公告）號: CN112965483B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 孫洪波;韓冰;張永來
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純

本發明公開了一種雙場協同驅動的全向運動機器人及其驅動方法，屬于柔性機器人技術領域，所述全向運動機器人由具有磁響應的主體結構和具有光響應的次級結構構成，主體結構為邊緣包含多個足部結構的雙層薄膜；主體結構在外界磁場作用下會產生宏觀變形，內部應力定向積累，決定機器人的行走方向；次級結構為設置在足部結構上的多個雙層驅動器；次級結構在外界光場驅動下會發生彎曲，實現邁步過程；在外部磁場與光場的協同驅動下，機器人同時實現重心偏移和行進的過程，從而使機器人沿主體結構的應力方向行走。本發明利用兩個能量場同時對機器人進行驅動，實現機器人的宏觀總體變形以及精細局部變形相結合的操控過程。

技術領域

本發明屬于柔性機器人技術領域，具體涉及一種雙場協同驅動的全向運動機器人及其驅動方法。

背景技術

機器人是一類能夠自動執行預設工作的機器裝置，具有多種運動功能。其中，移動功能拓寬了機器人的活動空間，是其工作所需的重要功能之一。機器人移動方式包括滾動、蠕動、步行、跳躍、游動等，步行的移動方式可以很好地應對未知形貌表面運動過程，對表面粗糙度要求低。步行過程由腿部、足部協同運動實現，邁步方式有助于實現障礙物跨越，還能降低機器人在運動過程中與周圍環境產生的摩擦磕碰，是一種普適性強、魯棒性好的移動方式，在醫療、軍事、生活方面都具有重要的研究意義。目前步行機器人普遍基于對現實生物運動過程的模仿，大多數步行機器人的研究思路仍延續宏觀尺度機器人的制造方法和操控技術：在結構方面，通過逐一制備各種功能部件(包括支撐結構、彎曲部件，轉動部件等)，再進行后續集成裝配；在控制方面，需要精確設計信號傳輸通道，運用預設的操控邏輯實現多個運動關節以及足部的動力學控制。然而，這種制造方式和操控邏輯在微小型機器人設計方面面臨諸多問題。

微小型機器人對比于傳統宏觀機器人，特征尺寸大大降低(通常小于幾個厘米)，不僅在加工工藝上要求更精密，在零件組裝時的空間對準技術要求也更精準，這樣才能保證控制信號在各個零件之間有效傳遞。此外，微小型機器人實現有效運動，必須采用小尺寸、大轉角的致動結構。這些要求大大增加微小型機器人的制造難度，降低成品率。為了簡化控制邏輯，同時解決驅動力小的問題，人們在制造成型過程中直接引入“非對稱”結構，預先調控機器人內部應力分布，降低行走時所需的最低驅動能量。然而這種解決方案導致機器人運動方向的可控性降低、主動避障能力變差，很難實現全平面空間的有效探索，在全向運動方面更顯不足，利用現有技術難以解決。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的是：提供一種雙場協同驅動的全向運動機器人及其驅動方法，該機器人通過兩種外場協同控制機器人運動，外部磁場和光場對機器人步行擺動相和支撐相分別進行控制，當兩種外場協同作用于機器人時，實現其沿任意方向的行走過程(即全向運動)。外部磁場宏觀操控機器人主體結構的應力分布，調控機器人步行支撐相的重心偏移。外部光場能夠在三維空間實現精準聚焦，具備優異的三維空間定位能力，從而對各個次級關節進行獨立操控，達到步行擺動相的自由控制。磁場具有整體控制以及方向即時可調的特點，是實現宏觀非接觸方向操控的最佳選擇；再結合光場三維空間精準聚焦的特性，實現對機器人指定關節部位的快速驅動，將磁場誘導機器人變形時定向積累的彈性勢能進行釋放。兩種外場協同作用時，最終達到對機器人步行運動的控制和全向行走的目標。

本發明通過如下技術方案實現：

一種雙場協同驅動的全向運動機器人，由具有磁響應的主體結構1和具有光響應的次級結構2構成，主體結構1為邊緣包含多個足部結構的雙層薄膜，其中，所述雙層薄膜的上層為磁響應材料，下層為柔性材料；主體結構1在外界磁場作用下會產生宏觀變形，內部應力定向積累，決定機器人的行走方向；次級結構2為設置在足部結構上的多個雙層驅動器，所述雙層驅動器的上層為兼具光響應和磁響應的材料，下層為柔性材料；次級結構2在外界光場驅動下會發生彎曲，實現邁步過程；在外部磁場與光場的協同驅動下，機器人同時實現重心偏移和行進的過程，從而使機器人沿主體結構1的應力方向行走。