多模式柔性机器人及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多模式柔性机器人及其控制方法，机器人由四个压电双晶片和两根形状记忆合金弹簧连接在PVC柔性基体上构成。利用形状记忆合金驱动，柔性基体变形带动PVC弹性带储存和释放弯曲应变能，机器人实现跳跃运动和跳跃后回复原状的功能；利用压电双晶片驱动，机器人实现直线、转弯运动和跳跃后姿态调整的功能。机器人对称的基体结构、反对称的压电双晶片布置以及自适应侧边弹性带设计，机器人能够实现无翻转的定向的连续运动。本发明专利技术结合压电驱动高精度快响应、形状记忆合金高柔性大变形的优势，实现机器人的直线、转弯、跳跃、姿态调整的自适应多运动模式。

Multi-mode Flexible Robot and Its Control Method

The invention discloses a multi-mode flexible robot and its control method. The robot consists of four piezoelectric bimorphs and two shape memory alloy springs connected on a flexible PVC substrate. Driven by shape memory alloy, flexible matrix deformation drives PVC elastic belt to store and release bending strain energy. Robot realizes jumping motion and restoring the original state after jumping. Robot realizes straight line, turning motion and posture adjustment after jumping by piezoelectric bimorph drive. The symmetrical structure of the robot, the antisymmetrical arrangement of piezoelectric bimorphs and the design of adaptive lateral elastic bands enable the robot to achieve a directional and continuous motion without flipping. The invention combines the advantages of piezoelectric driving, high precision, fast response, high flexibility and large deformation of shape memory alloy, and realizes the adaptive multi-motion mode of linear, turning, jumping and attitude adjustment of the robot.

【技术实现步骤摘要】
多模式柔性机器人及其控制方法
：本专利技术涉及压电
、智能材料领域和柔性机器人领域，尤其涉及一种多模式柔性机器人及其控制方法。
技术介绍
：为适应复杂的地形环境，满足实际的应用要求，具备越障能力的跳跃机器人发展迅速。传统的跳跃机器人利用直流电机驱动，依靠机械传动元件，实现能量的储存和释放，从而产生跳跃运动，但存在制造、控制和小型化上的困难。同时考虑到刚性基体着陆的冲击力对机器人的损伤，跳跃机器人结合柔性基体材料，采用化学能、气动能驱动或者利用智能材料驱动器来简化结构，其中形状记忆合金驱动器兼具传动和驱动功能，作为微型跳跃机器人的弹射机构，具有尺寸小，质量轻、结构简单、跳跃性能优越的优点，能够在狭窄空间内完成搜索和救援，监视和环境监测等任务。由于形状记忆合金加热相变的特性，响应时间缓慢，回复原状困难。形状记忆合金跳跃机器人存在的问题在于机器人的定向的连续运动，即跳跃后无翻转的平稳着陆、姿态自适应调整以实现机器人的连续跳跃运动，以及机器人的跳跃加行走多模式运动以实现机器人的定向运动。而压电驱动具有精度高、响应快的优势，压电机器人能够实现平面内的直线和转弯运动，因而可以考虑驱动器的相互结合来实现机器人的多模式运动。
技术实现思路
：专利技术目的：针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种多模式柔性机器人及其控制方法，结合形状记忆合金驱动器高柔性、大变形和压电驱动高精度、快响应的优势，实现机器人的跳跃、直线和转弯运动，利用不同柔性的基体材料和对称/反对称结构实现机器人的无翻倒的连续运动的功能。机器人能够根据复杂地形的要求变换运动模式，调整运动姿态和方向。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：多模式柔性机器人，包括“8”字形PVC基体、第一至第二弹跳足、第一至第二形状记忆合金弹簧、第一至第四半圆PVC弹性带、第五PVC弹性带、第一至第四“L”形PVC支撑梁、以及第一至第四驱动足，其中：“8”字形PVC基体是由带开口的PVC薄膜折叠成的两个共棱边的三棱柱组成，两个三棱柱可绕中间的折叠关节自由旋转；第一至第二形状记忆合金弹簧的两端分别固定在“8”字形PVC基体上下表面的棱边上、呈拉伸状态，且第一、第二形状记忆合金弹簧相互平行；第五PVC弹性带由平直状在弹性范围内弯成弧状，穿过“8”字形PVC基体中部的矩形开口，两端固定在“8”字形PVC基体的前后端面中部，第一至第二弹性足粘结在第五PVC弹性带偏后侧的上下表面；第一至第四半圆PVC弹性带由平直状在弹性范围内弯成半圆弧状，通过第一至第四“L”形PVC支撑梁，与“8”字形PVC基体固连，位于“8”字形PVC基体的两侧，用来实现机器人跳跃后的姿态自调整；第一至第二驱动足安装在第一至第二半圆PVC弹性带上半部，第三至第四驱动足安装在第三至第四半圆PVC弹性带下半部，即第一至第二驱动足与第三至第四驱动足的位置关于折叠关节反对称；所述第一至第四驱动足的自由振动端位于第一至第四半圆PVC弹性带的外侧，与地面形成小于90度的倾角；可选的，第一至第四半圆PVC弹性带的柔性相对较大，目的使实现着地姿态迅速自调整，可通过降低PVC材料的厚度实现。“8”字形PVC基体、第一至第二弹跳足、第五PVC弹性带、第一至第四“L”形PVC支撑梁的PVC材料厚度为0.5mm，第一至第四半圆PVC弹性带的PVC材料厚度为0.25mm，以增加第一至第四半圆PVC弹性带的柔性；可选的，第一至第四驱动足均采用压电双晶片，一端为自由振动端、另一端为引线端与第一至第四半圆PVC弹性带固定连接；可选的，第一至第四“L”形PVC支撑梁是作为第一至第四半圆PVC弹性带与“8”字形PVC基体的连接部件，第一至第四“L”形PVC支撑梁粘结在“8”字形PVC基体的前后端面，增大机器人的高度以使第一至第二形状记忆合金弹簧位于基体内部，目的是实现机器人的稳定站定、行走、跳跃以及着陆，防止第一至第二形状记忆合金弹簧触地影响稳定性。本专利技术另一实施例中，多模式柔性机器人，包括“8”字形PVC基体、第一至第二弹跳足、第一至第二形状记忆合金弹簧、第一至第四半圆PVC弹性带、第五PVC弹性带、第一至第四“L”形PVC支撑梁、以及第一至第四驱动足，其中：“8”字形PVC基体是由带开口的PVC薄膜折叠成的两个共棱边的三棱柱组成，两个三棱柱可绕中间的折叠关节自由旋转；第一至第二形状记忆合金弹簧的两端分别固定在“8”字形PVC基体上下表面的棱边上、呈拉伸状态，且第一、第二形状记忆合金弹簧相互平行；第五PVC弹性带由平直状在弹性范围内弯成弧状，穿过“8”字形PVC基体中部的矩形开口，两端固定在“8”字形PVC基体的前后端面中部，第一至第二弹性足粘结在第五PVC弹性带偏后侧的上下表面；第一至第四半圆PVC弹性带由平直状在弹性范围内弯成半圆弧状，通过第一至第四“L”形PVC支撑梁，与“8”字形PVC基体固连，位于“8”字形PVC基体的两侧，用来实现机器人跳跃后的姿态自调整；第一至第二驱动足安装在第一至第二半圆PVC弹性带上半部，第三至第四驱动足安装在第三至第四半圆PVC弹性带下半部，即第一至第二驱动足与第三至第四驱动足的位置关于折叠关节反对称；所述第一至第四驱动足的自由振动端位于第一至第四半圆PVC弹性带的外侧，与地面形成小于90度的倾角；控制方法包括机器人直线运动控制方法、机器人转弯运动控制方法、机器人跳跃运动控制方法和机器人姿态调整控制方法。其中，机器人直线运动控制方法包括：第一至第二驱动足的自由振动端触地时，对第一至第二驱动足施加同幅同频的正余弦电压，第三至第四驱动足不施加激励信号；第三至第四驱动足的自由振动端触地时，对第三至第四驱动足施加同幅同频的正余弦电压，第一至第二驱动足不施加激励信号。其中，机器人转弯运动控制方法包括：第一至第二驱动足的自由振动端触地时，对第一驱动足施加正余弦电压，第二至第四驱动足不施加激励信号，机器人向左转弯；对第二驱动足施加正余弦电压，第一、三、四驱动足不施加激励信号，机器人向右转弯；第三至第四驱动足的自由振动端触地时，对第三驱动足施加正余弦电压，第一、二、四驱动足不施加激励信号，机器人向左转弯；对第四驱动足施加正余弦电压，第一至第三驱动足不施加激励信号，机器人向右转弯。其中，机器人跳跃运动控制方法包括：加热第一形状记忆合金弹簧，第一形状记忆合金弹簧收缩，“8”字形PVC基体的两个共棱边的三棱柱绕中间折叠关节旋转而导致上端相互靠近，通过矩形开口对第五PVC弹性带施加压力，第五PVC弹性带发生弯曲变形并储存能量，在超过弯曲极限时发生反转而释放能量，即由上凸状变为下凹状，第二弹跳足触地弹跳，机器人向斜上方跳跃。其中，机器人跳跃姿态控制方法包括：若机器人跳跃后，上下面未发生翻转，即第五PVC弹性带处于下凹状，机器人可以进行直线和转弯运动。加热第二形状记忆合金弹簧，第一形状记忆合金弹簧收缩，“8”字形PVC基体的两个共棱边的三棱柱绕中间折叠关节旋转而导致下端相互靠近，通过矩形开口对第五PVC弹性带施加压力，第五PVC弹性带发生弯曲变形，在超过弯曲极限时发生反转，即由下凹状变为上凸状，机器人可以进行连续跳跃运动；若机器人跳跃后，上下面发生翻转，即第五PVC弹性带处于上凸状，即机器人已经回复初始状态，机器人可以进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多模式柔性机器人，其特征在于，包括“8”字形基体、弹跳足、形状记忆合金弹簧、弹性带、“L”形支撑梁、以及驱动足，其中：所述“8”字形基体是由带开口的弹性薄片折叠成的两个共棱边的三棱柱组成，两个三棱柱可绕中间的折叠关节自由旋转；所述弹性薄片的中间位置开口，用于安装弹性带及弹跳足；在所述“8”字形基体的两个端部对称设有采用弹性材质做成的环形弹性体，所述环形弹性体与两个三棱柱的底边通过“L”形P支撑梁连接，所述“L”形支撑梁通过弧形的弹性带连接，形成整个环形弹性体；所述“8”字形PVC基体的上下两端分别设有形状记忆合金弹簧，两端分别固定在“8”字形基体上下表面的棱边上，呈拉伸状态，且所述形状记忆合金弹簧相互平行；所述柔性机器人包含若干驱动足，所述驱动足安装在弧形的弹性带上，其中，位于“8”字形PVC基体同一侧的驱动足安装在同一侧弹性带上，“8”字形PVC基体两侧的驱动足安装方向相反；所述驱动足的自由振动端位于弧形弹性带的外侧，与地面形成小于90度的倾角。

【技术特征摘要】
1.多模式柔性机器人，其特征在于，包括“8”字形基体、弹跳足、形状记忆合金弹簧、弹性带、“L”形支撑梁、以及驱动足，其中：所述“8”字形基体是由带开口的弹性薄片折叠成的两个共棱边的三棱柱组成，两个三棱柱可绕中间的折叠关节自由旋转；所述弹性薄片的中间位置开口，用于安装弹性带及弹跳足；在所述“8”字形基体的两个端部对称设有采用弹性材质做成的环形弹性体，所述环形弹性体与两个三棱柱的底边通过“L”形P支撑梁连接，所述“L”形支撑梁通过弧形的弹性带连接，形成整个环形弹性体；所述“8”字形PVC基体的上下两端分别设有形状记忆合金弹簧，两端分别固定在“8”字形基体上下表面的棱边上，呈拉伸状态，且所述形状记忆合金弹簧相互平行；所述柔性机器人包含若干驱动足，所述驱动足安装在弧形的弹性带上，其中，位于“8”字形PVC基体同一侧的驱动足安装在同一侧弹性带上，“8”字形PVC基体两侧的驱动足安装方向相反；所述驱动足的自由振动端位于弧形弹性带的外侧，与地面形成小于90度的倾角。2.根据权利要求1所述的多模式柔性机器人，其特征在于，所述弧形弹性带由平直状在弹性范围内弯成半圆弧状，其两端分别与上、下“L”形PVC支撑梁同侧的端部连接；所述驱动足有四个，其中，在“8”字形PVC基体一侧的两个驱动足安装于半圆弹性带上半部，另一侧的两个驱动足安装于半圆的弹性带下半部，即第一至第二驱动足与第三至第四驱动足的位置关于折叠关节反对称。3.根据权利要求1所述的多模式柔性机器人，其特征在于，所述“8”字形基体、弹跳足、位于开口内的第五弹性带、“L”形PVC支撑梁、以及半圆弹性带均采用PVC材料制成，其中半圆弹性带厚度小于第五PVC弹性带的厚度。4.根据权利要求9所述的多模式柔性机器人，其特征在于，所述驱动足均采用压电双晶片，一端为自由振动端、另一端为引线端与半圆PVC弹性带固定连接；所述第五弹性带由平直状在弹性范围内弯成弧状，穿过“8”字形基体中部的矩形开口，两端固定在“8”字形PVC基体的前后端面中部，所述弹跳足粘结在第五弹性带的上下表面。5.根据权利要求1所述的多模式柔性机器人，其特征在于，第一至第四“L”形支撑梁粘结在“8”字形基体的前后端面，增大机器人的高度以使形状记忆合金弹簧位于所述“8”字形基体内部，目的是实现机器人的稳定站定、行走、跳跃以及着陆，防止形状记忆合金弹簧触地影响稳定性。6.如权利要求1所的多模式柔性机器人的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括机器人直线运动控制方法、机器人...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛婷，彭瀚旻，冒林丽，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32