[发明专利]复合驱动的仿水母两栖机器人的运动方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种仿生、复合运动的机器人，具体的说仿水母两栖机器人的运动方法。

背景技术

随着海洋开发需求的增长及技术的进步，具备各种特定功能的水下机器人得到迅猛的发展。其中仿水母机器人具有独特的发展潜力，水母体的喷水式推进方式简单可靠，易于用复合材料实现，并且仿水母机器人具有效率高、机动性能好、噪声低、对环境扰动小的特点，在海洋考察、环境检测以及军事领域具有重要的应用前景。目前已有的一些仿水母机器人已经能够降低噪声，并取得较好的运动灵活性，但在适应复杂的海洋环境，特别是同时能够在水中和水底环境中进行运动的能力还有待进一步改善。

目前国内外科研人员已经在仿水母机器人上取得了很多成果。例如专利号为200810064358.5的专利中提出了一种水下微型仿生机器鱼。它提供了一种体积小，运动灵活，超低噪声的仿生机器鱼，但其小推力的特性限制了它的运动局限于静水环境。其中IEEE在2010年7月13卷15期277至281页发表了一篇“A Novel Jellyfish-like Biomimetic Microrobot”的论文，该论文提出了一种用形状记忆合金（SMA）驱动的仿水母机器人，但作为动力的SMA是单根的，驱动力有限，易受外界环境干扰，驱动力的不足限制了机器人的运动灵活性，并且整体结构不够稳定，在水中容易侧翻。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由SMA和高分子离子聚合物（IPMC）驱动的仿水母两栖机器人的运动方法，该方法运动模式多、运动中整体结构稳定不易侧翻。

一种复合驱动的仿水母两栖机器人的运动方法，其特征在于包括以下过程：

所述复合驱动的仿水母两栖机器人由驱动机构、传动机构、外壳、弹性腿组成，具体结构如下：上述驱动机构包括第一圆盘、第二圆盘、第二固定块、中心杆、SMA弹簧组、复位弹簧；其中第一圆盘通过其中心的第一固定块固定于中心杆下端，第二圆盘通过其中心的滑块沿中心杆滑动，第二固定块固定于中心杆的顶端；第一圆盘和第二圆盘之间通过SMA弹簧组相连，其中每个SMA弹簧的两端分别与电源正极或负极相连；滑块与第二固定块之间通过复位弹簧相连；上述传动机构由N组连杆机构组成，其中每组连杆机构均由第一连杆、第二连杆、第三连杆组成；其中第一连杆的一端与滑块铰接，第一连杆的另一端与第三连杆铰接，第二连杆一端与第二固定块铰接，第二连杆的另一端与第一连杆的中部铰接；上述外壳由N个摆动板和一个柔性半球形外壳组成；其中每块摆动板分别与对应的第三连杆固定；上述柔性半球状外壳固定并贴合于N个摆动板的外表面；上述外壳还包括安装于第二固定块上的与柔性半球状外壳顶部相连的支撑杆；上述弹性腿包括固定于摆动板的套筒、安装于套筒顶部的端盖、安装于套筒内且上端与端盖相连的弹簧、与弹簧下端相连的滑块、与滑块相连的IPMC腿；其中IPMC腿由两片并联的IPMC膜组成；IPMC膜的两端分别与电源正极或负极相连；IPMC膜垂直于第一圆盘的半径方向。

  上述运动方法包括潜浮运动、转向运动、速度控制、水底或陆地行走，具体过程如下：

潜浮运动：当SMA弹簧通电加热后，SMA弹簧收缩，拉动由传动机构和外壳共同组成的伞状机构收缩排水，撤去电流后，在回复弹簧的作用下，SMA弹簧能快速恢复原形，伞状机构会张开吸水，完成一个周期的动作；上浮时使机器人头部朝上，下潜时使机器人头部朝下，伞状机构以一定的频率排水、吸水，提供了水母上浮或下潜的主要驱动力；

转向运动：这里的转向是指机器人在中心杆所在平面内的转向，在机器人运动过程中通过在一条IPMC腿部通以电流使其向一侧弯曲，由于流体环境介质对弯曲的IPMC腿施加了阻力，整个机器人受垂直于中心杆方向的转矩，从而机器人向腿部弯曲的方向转动；当两条对角IPMC腿同时同方向弯曲时可以实现机器人的急转，通过急转可以快速的使机器人在中心杆所在平面内转动，最终实现机器人姿态的调整；

速度控制：由SMA弹簧的伸缩频率和IPMC的摆动频率共同决定；

水底行走: 每个弹性腿的IPMC腿由两片并联的IPMC膜组成，使腿部可以双向对称弯曲；当向一片IPMC膜厚度方向，施加电压时，IPMC膜会向阳极方向弯曲；弹性腿接触水底时，由于受压力作用弹性腿内部的弹簧被压缩一段长度，IPMC腿也会随之向套筒内收起相同长度，从而降低了机器人的整体重心；按前进方向将机器人的四条腿顺时针编号为一号腿、二号腿、三号腿、四号腿，其中一号腿为位于最前方的腿；