[发明专利]一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人及其控制方法

说明书

本发明公开了一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人及其控制方法，机器人包括四层平面PVC薄膜折叠形成的柔性身体和四个压电双晶片足，PVC薄膜层上连接有弹跳腿、止动片、形状记忆合金弹簧和不锈钢弹簧。利用压电双晶片在正余弦电压作用下的振动，机器人能够直线行走；利用形状记忆合金加热收缩的性能，PVC层储存和释放应变能以实现弹跳腿的放开和收回，机器人能够斜向上跳跃并恢复原状以继续行走，实现运动模式的相互转换。本发明机器人结合压电驱动快响应、高精度以及形状记忆合金大变形的优势，实现机器人的直线和跳跃运动，扩大了压电机器人的应用领域和运动范围。

技术领域

本发明涉及超声领域、压电技术领域和跳跃机器人领域，尤其涉及一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人及其控制方法。

背景技术

压电移动机器人具有精度高、响应快、质量轻、尺寸小等优点，在精密仪器、航空航天、武器装备、生物医学等领域都有广阔的应用前景和市场潜力。压电机器人的运动基于压电陶瓷逆压电效应产生的高频振动，应变小，局限于平面内的运动。但是，在实际应用场合，机器人需要适应复杂地形，灵活转换运动方式，具备越过障碍的能力，因而跳跃机器人能够扩大机器人的运动和应用范围。

传统的跳跃机器人采用基于直流电机驱动的弹射机构，利用丝杠、齿轮、弹簧等机械元件实现能量的存储和释放。类似的机械传动装置结构复杂，为满足小型化的要求，采用化学能、气动能驱动或者利用智能材料的变形特性来简化弹射机构。形状记忆合金加热相变，刚度增加，无需附加机械传动元件，常用作跳跃机器人的触发装置。形状记忆合金跳跃机器人存在的挑战在于无翻转的平稳着陆和跳跃后的状态恢复，不影响后续的前进或二次跳跃运动。

发明内容

发明目的：针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人及其控制方法，利用形状记忆合金智能材料和柔性基体材料设计弹射机构，能够完成储能，跳跃，恢复，再跳跃的连续性运动；结合压电驱动技术，实现多运动方式的转换，扩大机器人的运动范围和应用领域，适应复杂地形内的行走。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人，包括第一至第四驱动足、第一至第四PVC薄膜层、第一和第二形状记忆合金弹簧、第一和第二弹跳腿、第三弹簧和止动片，其中：

第一至第四PVC薄膜层由上至下依次设置，两两之间有空隙，且其两端相互粘结，第二PVC薄膜层两端粘结端预留第一延伸部用来安装第一至第四驱动足；

第一和第四PVC薄膜层呈“Z”字形状，用来使第三PVC薄膜层变形，中间分别设有第一开口和第二开口；第一形状记忆合金弹簧穿过第一开口，两端固定在第一PVC薄膜层上；第二形状记忆合金弹簧穿过第二开口，两端固定在第四PVC薄膜层上；

第二PVC薄膜层呈“工”字形状，中间窄处用来给第一和第三PVC薄膜提供变形空间，同时安装止动片；

第三PVC薄膜层用来储存和释放应变能，中间设有第三开口，以使第三PVC薄膜层穿过第二PVC薄膜层的中间窄处，折叠呈“V”字形状，且第三PVC薄膜层的横向两侧预留第二延伸部用来安装第一和第二弹跳腿；第三弹簧跨过第三开口，两端固定在第三PVC薄膜层上。

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、另一端与第二PVC薄膜层纵向两端第一延伸部固定连接。

可选的，止动片呈梯形，一端固定在第二PVC薄膜层中间窄处。

可选的，所述第三弹簧为不锈钢弹簧。

本发明另一实施例中，一种基于压电驱动的腿式跳跃机器人的控制方法，该机器人包括第一至第四驱动足、第一至第四PVC薄膜层、第一和第二形状记忆合金弹簧、第一和第二弹跳腿、第三弹簧和止动片，其中：