具有极简结构的大载重比压电惯性式爬行机器人及其驱动方法

本发明属于爬行机器人，具体涉及一种具有极简结构的大载重比压电惯性式爬行机器人及其驱动方法。

背景技术：

1、随着科学技术的不断发展，在国防、航天航空、农业、通讯、管道运输等各领域和其他特殊环境中对微型机器人的需求显著增加。如太空站局部区域灭火和紧急修补任务，这些环境常常极端狭窄且不易接近，对微型机器人提出了更高的要求。其中微型爬行机器人因其结构简单，驱动方法简单而得到了大量的关注，在管道探测等方面取得了广泛的应用，并发挥着日益重要的作用。但大多数的微型爬行机器人速度慢，灵活度低，增加负重仅会增加摩擦阻力，导致能源损耗大、载重能力偏低，同时结构复杂，难以适应空间站等零重力环境，无法满足突发状况下的紧急修补等任务需求。

2、因此亟需开发出一种设计紧凑，具有结构简单、灵活性高、大载重比，适用零重力环境，能够进入空间站或卫星仓内部狭小区域进行快速巡查、紧灭火或结构修补，在极限环境下执行复杂任务的新型微型机器人。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的技术问题，本发明旨在提供一种具有极简结构的大载重比压电惯性式爬行机器人及其驱动方法，该机器人为微型机器人，通过在机器人中央主体的两侧布置四个压电驱动机构作为主要动力源，能够实现平面内的高速直线及旋转运动，具有速度快、能效高、载重比大、驱动精度高，响应快的特点。

2、为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种具有极简结构的大载重比压电惯性式爬行机器人，包括底盘1，底盘1底部安装有基座3，底盘1一侧平行安装两个压电惯性冲击式驱动机构，能够精准调控机器人完成直线运动及旋转运动，通过合成运动实现平面内各方向的高精度位移输出；第一压电惯性冲击式驱动机构由第一菱形环2-1和内嵌于第一菱形环2-1内的第一压电堆4-1组成，第二压电惯性冲击式驱动机构由第二菱形环2-2和内嵌于第二菱形环2-2内的第二压电堆4-2组成，在第一压电惯性冲击式驱动机构和第二压电惯性冲击式驱动机构上方分别安装一个与底盘1固定连接的第一载物台5-1和第二载物台5-2，磁吸支脚6粘结在基座3底部。

4、所述基座3的支腿沿面内呈“h”形设置，每个支腿外端底部粘结磁吸支脚6，可使机器人在零重力环境下吸附特定表面，实现平面内大范围爬行。

5、所述第一载物台5-1和第二载物台5-2采用长方形，使得两个载物台整体围合成方形，可使负载质量均匀分布，可使机器人在移动时保持稳定，不易倾斜及失衡。

6、所述第一压电堆4-1和第二压电堆4-2采用压电陶瓷，压电陶瓷有耐高温、耐腐蚀以及抗氧化等优良性能，能够在恶劣环境下长期工作，并且输入电压变化时迅速产生形变，从而使驱动机构实现快速响应及高精控制。

7、所述的一种具有极简结构的大载重比压电惯性式爬行机器人的驱动方法，初始状态时，机器人中的两个压电堆均处于断电状态，通过给两个压电堆施加不同的周期性电压，实现该机器人平面内各方向高精度位移输出，若两个压电堆沿x轴方向内嵌于对应的菱形环内，当机器人沿y轴正方向运动时，其驱动方法如下：

8、步骤1：未向第一压电惯性冲击式驱动机构施加电压时，第一压电堆4-1不带电，此时第一压电堆4-1处于最短状态；

9、步骤2：向第一压电惯性冲击式驱动机构施加幅值为u1，对称性为100％的锯齿波电压信号，随着电压的升高，第一压电堆4-1缓慢延伸，使得第一菱形环2-1沿y轴正方向缩短；由于地面摩擦力的作用，底盘1不作任何运动，而载物台5则随着第一菱形环2-1的缩短沿y轴正方向移动；

10、步骤3：施加的锯齿波电压在t1时刻急剧降低为0，此时第一压电堆4-1突然失去动力，并迅速缩回到与步骤1相同的最小长度，第一菱形环2-1沿y轴方向迅速膨胀，此时由于惯性作用，第一载物台5-1产生的沿y轴正方向的惯性力f1大于地面的摩擦力，带动底盘沿y轴正方向移动步长s；向第二压电惯性冲击式驱动机构施加幅值为u1，对称性为100％的锯齿波电压信号时，运动状态与第一压电惯性冲击式驱动机构相同，产生的惯性力为f2；通过重复上述步骤，能够获得大的工作行程；

11、通过改变锯齿波电压信号的电压幅值及对称性，重复上述步骤即实现微型机器人沿某一方向的连续运动；

12、当需要实现旋转运动时，向第一压电惯性冲击式驱动机构施加幅值为u1，对称性为100％的锯齿波电压信号，向第二压电惯性冲击式驱动机构施加幅值为u2，对称性为0％的锯齿波电压信号，此时两个压电惯性冲击式驱动机构产生的惯性力分别为f1和f2＇，惯性力f1对机器人中心o点产生顺时针力矩m1，惯性力f2＇对机器人中心o点产生顺时针力矩m2，使机器人发生高速旋转运动，通过控制两个压电惯性冲击式驱动机构施加的锯齿波电压信号的幅值及对称性即可完成机器人平面内旋转角度的调控，旋转运动与直线运动相配合即可完成平面内各方向大范围高速爬行运动。

13、与现有技术相比，本发明具有下述优点：

14、1.本发明所述的爬行机器人可通过改变压电堆的锯齿波信号进而改变两个载物台产生的惯性力大小及方向，可实现平面内的高速旋转运动以及直线运动，具有高灵活性和稳定性，二者配合能够帮助微型机器人实现平面内的任意方向大范围爬行运动；

15、2.本发明所述的爬行机器人设置两个压电惯性冲击式驱动机构为机器人直线运动和旋转运动提供直接动力，无能量损耗及冗余结构，极大提高了机器人的效能，能源损耗小的同时可实现高速运动；

16、3.不同于传统惯性驱动机器人增加负重仅会增加摩擦阻力，其爬行速度会随负重增加而降低的现状，本发明将负重固定于载物台上方方形区域，增加负重同时也增加了惯性驱动力，在很大的负重范围内，该机器人爬行速度会随负重增加保持不变甚至有所提升，从而具备更大的负载能力，显著地提升了微型机器人的载重比；

17、4.相比于传统微型机器人，本发明所述的机器人采用磁吸支脚可使机器人在零重力环境下吸附特定表面，实现平面内大范围爬行，并具有结构简单紧凑，质量轻，便于携带，体积小巧等特点，扩大了该机器人的应用场景；

18、5.本发明采用压电陶瓷作为驱动单元，采用惯性冲击式驱动方法，具有大行程、高精度、双向运动的特点。

技术特征：

1.一种具有极简结构的大载重比压电惯性式爬行机器人，其特征在于：包括底盘(1)，底盘(1)底部安装有基座(3)，底盘(1)一侧平行安装两个压电惯性冲击式驱动机构，能够精准调控机器人完成直线运动及旋转运动，通过合成运动实现平面内各方向的高精度位移输出；第一压电惯性冲击式驱动机构由第一菱形环(2-1)和内嵌于第一菱形环(2-1)内的第一压电堆(4-1)组成，第二压电惯性冲击式驱动机构由第二菱形环(2-2)和内嵌于第二菱形环(2-2)内的第二压电堆(4-2)组成，在第一压电惯性冲击式驱动机构和第二压电惯性冲击式驱动机构上方分别安装一个与底盘(1)固定连接的第一载物台(5-1)和第二载物台(5-2)，磁吸支脚(6)粘结在基座(3)底部。

2.根据权利要求1所述的一种具有极简结构的大载重比压电惯性式爬行机器人，其特征在于：所述基座(3)的支腿沿面内呈“h”形设置，每个支腿外端底部粘结磁吸支脚(6)。

3.根据权利要求1所述的一种具有极简结构的大载重比压电惯性式爬行机器人，其特征在于：所述第一载物台(5-1)和第二载物台(5-2)采用长方形，使得两个载物台整体围合成方形。

4.根据权利要求1所述的一种具有极简结构的大载重比压电惯性式爬行机器人，其特征在于：所述第一压电堆(4-1)和第二压电堆(4-2)采用压电陶瓷。

5.权利要求1至4任一项所述的一种具有极简结构的大载重比压电惯性式爬行机器人的驱动方法，其特征在于：初始状态时，机器人中的两个压电堆均处于断电状态，通过给两个压电堆施加不同的周期性电压，实现该机器人平面内各方向高精度位移输出，若两个压电堆沿x轴方向内嵌于对应的菱形环内，当机器人沿y轴正方向运动时，其驱动方法如下：

技术总结
一种具有极简结构的大载重比压电惯性式爬行机器人及其驱动方法，该机器人通过在一侧布置两个压电惯性冲击式驱动机构作为主要动力源，为机器人直线运动和旋转运动提供直接动力，结构极简，无能量损耗及冗余结构，使其能够实现平面内的高速直线及旋转运动，同时将负载重量设计为惯性质量，使负重变为动力，显著提高机器人负载能力；本发明还提供了作动方法，通过对各压电堆施加电压，两个压电惯性冲击式驱动机构产生惯性力，进而通过调整各压电堆输入电压就可改变各驱动机构产生的惯性力大小及方向，实现平面内的直线运动及旋转运动，二者配合从而实现平面内任意方向大范围快速爬行。

技术研发人员：梁世超,徐明龙,邵恕宝
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23