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专利号: 2024109541853
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-01-08
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种攀爬机器人,其特征在于:包括运动体,所述运动体包括躯干(1)、对称设置在躯干(1)两侧的柔性的驱动臂(2)以及连接在驱动臂(2)另一端的运动足(3),所述驱动臂(2)的内外两侧均设有将电能转换为机械能以提供机器人移动动力、将物理量转换为电信号以感知外部环境变化的第一压电纤维片(4),所述躯干(1)和运动足(3)两边的底部均设有两个用于吸附攀爬面的脚垫(5),所述躯干(1)和运动足(3)均包括两个上下对称设置的柔性梁(6),所述柔性梁(6)的上下两侧均设有将电能转换为机械能以提供机器人抬腿动力、将物理量转换为电信号以感知外部环境变化的第二压电纤维片(7);一个以上所述运动体拼接构成链形构型机器人或矩形构型机器人;

所述躯干(1)和运动足(3)上均设有安装脚垫(5)的安装孔,所述躯干(1)和运动足(3)的底部均设有贯穿的通气孔,且通气孔内安装有通气管,所述通气管的一端与脚垫(5)插接。

2.根据权利要求1所述的攀爬机器人,其特征在于:所述链形构型机器人由多个运动体呈链形分布,相邻两个运动体的躯干(1)之间连接有X型柔性铰链(9)。

3.根据权利要求2所述的攀爬机器人,其特征在于:所述链形构型机器人的首端的躯干(1)上安装有摄像头(10)。

4.根据权利要求1所述的攀爬机器人,其特征在于:所述矩形构型机器人的多个运动体呈矩形分布,位于矩形同一边长的相邻两个运动体的运动足(3)之间连接有X型柔性铰链(9),位于矩形直角相连的两个运动体的运动足(3)上均安装有X型柔性铰链(9),且该相邻两个X型柔性铰链(9)之间连接有铰接连接块(11)。

5.根据权利要求4所述的攀爬机器人,其特征在于:所述矩形构型机器人的四个躯干(1)的外侧均安装有摄像头(10)。

6.一种根据权利要求1 5任一所述的攀爬机器人的控制方法,其特征在于:单个运动体~

前后攀爬、转向和抬腿的步骤如下:

建立二维坐标系,设Y轴正方向为前进方向,设向位于躯干(1)左侧前方的驱动臂(2)的前侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V1、向位于躯干(1)右侧前方的驱动臂(2)的前侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V2、向位于躯干(1)右侧后方的驱动臂(2)的后侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V3、向位于躯干(1)左侧后方的驱动臂(2)的后侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V4;

抽空躯干(1)上脚垫(5)内的气体,使躯干(1)上的两个脚垫(5)吸附在攀爬面上;

控制V1、V2、V3、V4的绝对值相等、V1和V2的极性为正向电压、V3和V4的极性为负向电压,使得V1、V2、V3、V4所对应的第一压电纤维片(4)向前弯曲,并带动四个驱动臂(2)弯曲,另外四个第一压电纤维片(4)分别检测对应的驱动臂(2)弯曲形变的角度是否达到预设角度;位于躯干(1)长度方向同一侧的两个驱动臂(2)带动与之连接的运动足(3)向前运动;

控制V1、V2、V3、V4的绝对值相等、V1和V2的极性为负向电压、V3和V4的极性为正向电压,使得V1、V2、V3、V4所对应的第一压电纤维片(4)向后弯曲,并带动四个驱动臂(2)弯曲,另外四个第一压电纤维片(4)分别检测对应的驱动臂(2)弯曲形变的角度是否达到预设角度;位于躯干(1)长度方向同一侧的两个驱动臂(2)带动与之连接的运动足(3)向后运动;

抽空两个运动足(3)上脚垫(5)内的气体,使运动足(3)的四个脚垫(5)吸附在攀爬面上;

向躯干(1)上脚垫(5)内充气,使躯干(1)上的两个脚垫(5)脱离攀爬面的吸附;

控制V1=V2=V3=V4=0,四个驱动臂(2)失去第一压电纤维片(4)的作用力并恢复形变,恢复力带动躯干(1)向前或向后运动;

抽空躯干(1)上的两个脚垫内空气,使其吸附在攀爬面上,向运动足(3)上脚垫(5)内充气,使运动足(3)上的四个脚垫(5)脱离攀爬面的吸附,运动体恢复至初始状态;

重复上述步骤,实现单个运动体连续向前或向后运动;通过控制施加在电压纤维片上的电压频率,进而控制单个运动体攀爬的速度,通过控制施加在第一压电纤维片(4)上的电压值,进而控制单个运动体单次攀爬的距离;

控制V1和V4的绝对值相等、电压极性相反,V2和V3的绝对值相等、电压极性相反,V1和V2的绝对值不等,使得V1、V2、V3、V4所对应的第一压电纤维片(4)弯曲,并带动四个驱动臂(2)弯曲,另外四个第一压电纤维片(4)分别检测对应的驱动臂(2)弯曲形变的角度是否达到预设角度,位于躯干(1)长度方向两侧的运动足(3)运动步调不一致,实现转向;

抽空两个运动足(3)上脚垫(5)内的气体,使运动足(3)的四个脚垫(5)吸附在攀爬面上;

向躯干(1)上脚垫(5)内充气,使躯干(1)上的两个脚垫(5)脱离攀爬面的吸附;

控制V1=V2=V3=V4=0,四个驱动臂(2)失去第一压电纤维片(4)的作用力并恢复形变,恢复力带动躯干(1)向前或向后运动;

抽空躯干(1)上的两个脚垫内空气,使其吸附在攀爬面上,向运动足(3)上脚垫(5)内充气,使运动足(3)上的四个脚垫(5)脱离攀爬面的吸附,运动体恢复至初始状态;

重复上述步骤,实现单个运动体连续转向;

抽空躯干(1)上后侧的脚垫(5)内的气体,使躯干(1)后侧的脚垫(5)吸附在攀爬面上,向其余脚垫(5)内充气使其脱离攀爬面的吸附;

向躯干(1)和运动足(3)的柔性梁(6)上的第二压电纤维片(7)施加电压,使第二压电纤维片(7)带着与之对应的柔性梁(6)向上弯曲,并且使躯干(1)和运动足(3)前侧的脚垫(5)向上抬起脱离攀爬面;

控制V1、V2、V3、V4使四个驱动臂(2)向前弯曲并带动两个运动足(3)向前运动;

撤销施加在躯干(1)和运动足(3)的柔性梁(6)上的第二压电纤维片(7)的电压,使第二压电纤维片(7)恢复形变,使得向上抬起的脚垫(5)落到攀爬面;

向躯干(1)上的脚垫(5)充气使其脱离攀爬面的吸附,抽空运动足(3)上脚垫(5)内的气体使其吸附在攀爬面上;

控制V1=V2=V3=V4=0,四个驱动臂(2)失去第一压电纤维片(4)的作用力并恢复形变,恢复力带动躯干(1)向前运动,实现单个运动体向前抬腿。

7.根据权利要求6所述的攀爬机器人的控制方法,其特征在于:所述链形构型机器人前后攀爬、转向和抬腿的步骤如下:建立二维坐标系,设Y轴正方向为前进方向,设向位于躯干(1)左侧前方的驱动臂(2)的前侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V1、向位于躯干(1)右侧前方的驱动臂(2)的前侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V2、向位于躯干(1)右侧后方的驱动臂(2)的后侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V3、向位于躯干(1)左侧后方的驱动臂(2)的后侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V4;

抽空所有躯干(1)上脚垫(5)内的气体,使躯干(1)的脚垫(5)吸附在攀爬面上;

同步控制所有运动体的V1、V2、V3、V4的绝对值相等、V1和V2的极性为正向电压、V3和V4的极性为负向电压,使得V1、V2、V3、V4所对应的第一压电纤维片(4)向前弯曲,并带动所有驱动臂(2)弯曲,躯干(1)上其他的第一压电纤维片(4)分别检测对应的驱动臂(2)弯曲形变的角度是否达到预设角度;位于躯干(1)长度方向同一侧的两个驱动臂(2)带动与之连接的运动足(3)向前运动;

同步控制所有运动体的V1、V2、V3、V4的绝对值相等、V1和V2的极性为负向电压、V3和V4的极性为正向电压,使得V1、V2、V3、V4所对应的第一压电纤维片(4)向后弯曲,并带动所有驱动臂(2)弯曲,躯干(1)上其他的第一压电纤维片(4)分别检测对应的驱动臂(2)弯曲形变的角度是否达到预设角度;位于躯干(1)长度方向同一侧的两个驱动臂(2)带动与之连接的运动足(3)向后运动;

抽空所有运动足(3)上脚垫(5)内的气体,使运动足(3)的脚垫(5)吸附在攀爬面上;

向所有躯干(1)上脚垫(5)内充气,使躯干(1)上的脚垫(5)脱离攀爬面的吸附;

同步控制所有运动体的V1=V2=V3=V4=0,驱动臂(2)失去第一压电纤维片(4)的作用力并恢复形变,恢复力带动躯干(1)向前或向后运动;

抽空所有躯干(1)上的两个脚垫内空气,使其吸附在攀爬面上,向所有运动足(3)上脚垫(5)内充气,使运动足(3)上的脚垫(5)脱离攀爬面的吸附,链形构型机器人恢复至初始状态;

重复上述步骤,实现链形构型机器人连续向前或向后运动;通过控制施加在电压纤维片上的电压频率,进而控制链形构型机器人攀爬的速度,通过控制施加在第一压电纤维片(4)上的电压值,进而控制链形构型机器人单次攀爬的距离;

同步控制所有运动体的V1和V4的绝对值相等、电压极性相反,V2和V3的绝对值相等、电压极性相反,V1和V2的绝对值不等,使得V1、V2、V3、V4所对应的第一压电纤维片(4)弯曲,并带动驱动臂(2)弯曲,躯干(1)上其他的第一压电纤维片(4)分别检测对应的驱动臂(2)弯曲形变的角度是否达到预设角度,位于躯干(1)长度方向两侧的运动足(3)运动步调不一致,实现转向;

抽空所有运动足(3)上脚垫(5)内的气体,使运动足(3)的脚垫(5)吸附在攀爬面上;

向所有躯干(1)上脚垫(5)内充气,使躯干(1)上的脚垫(5)脱离攀爬面的吸附;

同步控制所有运动体的V1=V2=V3=V4=0,驱动臂(2)失去第一压电纤维片(4)的作用力并恢复形变,恢复力带动躯干(1)转动预设角度;

向所有运动足(3)上脚垫(5)内充气,使运动足(3)上的脚垫(5)脱离攀爬面的吸附,链形构型机器人恢复至初始状态;

重复上述步骤,实现链形构型机器人连续转向;

抽空前进方向第一个运动体的躯干(1)上后侧的脚垫(5)和其余运动体的躯干(1)上所有脚垫(5)内的气体,使前进方向第一个运动体的躯干(1)上后侧的脚垫(5)和其余运动体的躯干(1)上所有脚垫(5)吸附在攀爬面上,向其余所有脚垫(5)内充气使其脱离攀爬面的吸附;

向前进方向第一个运动体的躯干(1)和运动足(3)的柔性梁(6)上的第二压电纤维片(7)施加电压,使第二压电纤维片(7)带着与之对应的柔性梁(6)向上弯曲,并且使前进方向第一个运动体的躯干(1)和运动足(3)前侧的脚垫(5)向上抬起脱离攀爬面;

控制前进方向所有运动体的V1、V2、V3、V4使驱动臂(2)向前弯曲并带动运动足(3)向前运动;

撤销施加在前进方向第一个运动体的柔性梁(6)上的第二压电纤维片(7)的电压,使第二压电纤维片(7)恢复形变,使得向上抬起的脚垫(5)落到攀爬面;

抽空所有运动体的运动足(3)上脚垫(5)内的气体使其吸附在攀爬面上,向所有运动体的躯干(1)上的脚垫(5)充气使其脱离攀爬面的吸附;

控制所有运动体的V1=V2=V3=V4=0,驱动臂(2)失去第一压电纤维片(4)的作用力并恢复形变,恢复力带动躯干(1)向前运动,实现链形构型机器人的前进方向第一个运动体的向前抬腿;

链形构型机器人运动到前进方向第一个运动体与第二个运动体过渡处时,控制前进方向第二个运动体向前抬腿;

抽空前进方向第一个运动体的躯干(1)的前侧脚垫(5)、前进方向第二个运动体躯干(1)的后侧脚垫(5)内的气体,使第一个运动体的躯干(1)的前侧脚垫(5)、第二个运动体躯干(1)的后侧脚垫(5)吸附在攀爬面上;

向前进方向第二个运动体的躯干(1)和运动足(3)的柔性梁(6)上的第二压电纤维片(7)施加电压,使第二压电纤维片(7)带着与之对应的柔性梁(6)向上弯曲,并且使前进方向第二个运动体的躯干(1)前侧脚垫(5)、X型柔性铰链(9)和运动足(3)前侧的脚垫(5)向上抬起脱离攀爬面;

控制所有运动体的的V1、V2、V3、V4使驱动臂(2)向前弯曲并带动运动足(3)向前运动;

撤销施加在前进方向第二个运动体上的第二压电纤维片(7)的电压,使第二压电纤维片(7)恢复形变,使得前进方向第二个运动体的向上抬起的脚垫(5)落到攀爬面;

抽空所有运动体的运动足(3)上脚垫(5)内的气体使其吸附在攀爬面上,向所有运动体的躯干(1)上的脚垫(5)充气使其脱离攀爬面的吸附;

控制所有运动体的V1=V2=V3=V4=0,驱动臂(2)失去第一压电纤维片(4)的作用力并恢复形变,恢复力带动躯干(1)向前运动,实现链形构型机器人两个运动体之间的过渡抬腿前进;

重复上述步骤,实现链形构型机器人向前抬腿。

8.根据权利要求6所述的攀爬机器人的控制方法,其特征在于:所述矩形构型机器人前后攀爬、左右攀爬和转向步骤如下:建立二维坐标系,设Y轴正方向为前进方向,设躯干(1)长度方向与Y轴平行的运动体为第一运动体、躯干(1)长度方向与X轴平行的运动体为第二运动体,设向第一运动体中位于躯干(1)左侧前方的驱动臂(2)的前侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V1、位于躯干(1)右侧前方的驱动臂(2)的前侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V2、位于躯干(1)右侧后方的驱动臂(2)的后侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V3、位于躯干(1)左侧后方的驱动臂(2)的后侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V4,设向第二运动体中位于躯干(1)前侧右方的驱动臂(2)的右侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V1、位于躯干(1)后侧右方的驱动臂(2)的右侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V2、位于躯干(1)后侧左方的驱动臂(2)的左侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V3、位于躯干(1)前侧左方的驱动臂(2)的左侧的第一压电纤维片(4)上施加的电压为V4;

抽空所有第一运动体的躯干(1)上的脚垫(5)内的气体,使所有第一运动体的躯干(1)上的脚垫(5)吸附在攀爬面上;

同步控制所有第一运动体的V1、V2、V3、V4的绝对值相等、V1和V2的极性为正向电压、V3和V4的极性为负向电压,使得V1、V2、V3、V4所对应的第一压电纤维片(4)向前弯曲,并带动所有驱动臂(2)弯曲,躯干(1)上其他的第一压电纤维片(4)分别检测对应的驱动臂(2)弯曲形变的角度是否达到预设角度;位于躯干(1)长度方向同一侧的两个驱动臂(2)带动与之连接的运动足(3)向前运动;

同步控制所有第一运动体的V1、V2、V3、V4的绝对值相等、V1和V2的极性为负向电压、V3和V4的极性为正向电压,使得V1、V2、V3、V4所对应的第一压电纤维片(4)向后弯曲,并带动所有驱动臂(2)弯曲,躯干(1)上其他的第一压电纤维片(4)分别检测对应的驱动臂(2)弯曲形变的角度是否达到预设角度;位于躯干(1)长度方向同一侧的两个驱动臂(2)带动与之连接的运动足(3)向后运动;

抽空第一运动体的所有运动足(3)上脚垫(5)和所有第二运动体上的脚垫(5)内的气体,使第一运动体的所有运动足(3)的脚垫(5)和所有第二运动体上的脚垫(5)吸附在攀爬面上;

向第一运动体躯干(1)上脚垫(5)充气,使第一运动体躯干(1)上脚垫(5)脱离攀爬面的吸附;

同步控制所有第一运动体的V1=V2=V3=V4=0,驱动臂(2)失去第一压电纤维片(4)的作用力并恢复形变,恢复力带动第一运动体的躯干(1)向前或向后运动;

抽空所有第一运动体躯干(1)内气体,使其吸附在攀爬面上,向所有第一运动体的运动足(3)和第二运动体上的脚垫(5)内充气,使第一运动体的运动足(3)和第二运动体上的脚垫(5)脱离攀爬面的吸附,矩形构型机器人恢复至初始状态;

重复上述步骤,实现矩形构型机器人连续向前或向后运动;通过控制施加在电压纤维片上的电压频率,进而控制矩形构型机器人攀爬的速度,通过控制施加在第一压电纤维片(4)上的电压值,进而控制矩形构型机器人单次攀爬的距离;

抽空所有第二运动体的躯干(1)上的脚垫(5)内的气体,使所有第二运动体的躯干(1)上的脚垫吸附在攀爬面上;

同步控制所有第二运动体的V1、V2、V3、V4的绝对值相等、V1和V2的极性为正向电压、V3和V4的极性为负向电压,使得V1、V2、V3、V4所对应的第一压电纤维片(4)向右弯曲,并带动所有驱动臂(2)弯曲,躯干(1)上其他的第一压电纤维片(4)分别检测对应的驱动臂(2)弯曲形变的角度是否达到预设角度;位于躯干(1)长度方向同一侧的两个驱动臂(2)带动与之连接的运动足(3)向右运动;

同步控制所有第二运动体的V1、V2、V3、V4的绝对值相等、V1和V2的极性为负向电压、V3和V4的极性为正向电压,使得V1、V2、V3、V4所对应的第一压电纤维片(4)向左弯曲,并带动所有驱动臂(2)弯曲,躯干(1)上其他的第一压电纤维片(4)分别检测对应的驱动臂(2)弯曲形变的角度是否达到预设角度;位于躯干(1)长度方向同一侧的两个驱动臂(2)带动与之连接的运动足(3)向左运动;

抽空第二运动体的所有运动足(3)上脚垫(5)和第一运动体所有脚垫(5)内的气体,使第二运动体的所有运动足(3)的脚垫(5)和第一运动体所有脚垫(5)吸附在攀爬面上;

向第二运动体躯干(1)上脚垫(5)充气,使第二运动体躯干(1)上脚垫(5)脱离攀爬面的吸附;

同步控制所有第二运动体的V1=V2=V3=V4=0,驱动臂(2)失去第一压电纤维片(4)的作用力并恢复形变,恢复力带动第二运动体的躯干(1)向右或向左运动;

抽空第一运动体躯干(1)内脚垫(5)气体,使其吸附在攀爬面上,向所有第一运动体的运动足(3)和所有第二运动体的运动足(3)上脚垫(5)内充气,使运动足(3)上的脚垫(5)脱离攀爬面的吸附,矩形构型机器人恢复至初始状态;

重复上述步骤,实现矩形构型机器人连续向右或向左运动;通过控制施加在电压纤维片上的电压频率,进而控制矩形构型机器人攀爬的速度,通过控制施加在第一压电纤维片(4)上的电压值,进而控制矩形构型机器人单次攀爬的距离;

交替重复上述矩形构型机器人前后攀爬和左右攀爬的步骤,实现矩形构型机器人转向。