[发明专利]一种蛇怪蜥蜴仿生机器人及其设计方法

权利要求书

1.一种运用新型运动机理的蛇怪蜥蜴机器人及其设计方法，其特征在于，模仿一种能够在水面以上快速奔跑的动物，即蛇怪蜥蜴，通过借鉴蛇怪蜥蜴的运动方式和原理，实现人造机器人在水面以上利用运动产生的与水相互作用力而非浮力进行运动的功能。所述蛇怪蜥蜴机器人主要包括供电系统、腿部运动机构、姿态传感器、旋转编码器、尾舵和控制系统几部分。所述蛇怪蜥蜴机器人采用300mAh 3S聚合物锂电池供电，电池通过杜邦线对驱动腿部运动的电机、姿态传感器、旋转编码器和用于控制机器人的单片机供电。腿部运动机构由2750KV 740W直流无刷电机驱动，电机输出轴通过一组1：0.32减速比的齿轮减速器向腿部机构曲柄传动。所述蛇怪蜥蜴机器人采用双足式运动原理，腿部机构为单自由度六杆机构，以曲柄为原动件，曲柄做整周转动带动摇杆摆动，实现脚掌以闭环轨迹运动，且在周期内处于水面以下的部分进行一定角度转动，以实现向后拨水的动作，将水体提供的作用力最大化，保证所述蛇怪蜥蜴机器人处于水面以上进行正常运动。

2.所述蛇怪蜥蜴机器人的运动控制采用负反馈控制策略，即通过姿态传感器监测机器人在各方向上的运动速度、加速度、转动角速度、角加速度，将以上数据传输给机器人机身上安装的单片机，单片机通过计算得出维持平衡状态或纠正偏转所需的电机转速和腿部机构运动频率，同时通过ESC电调向电机发送控制信号，以调节电机转速。将一个测速齿轮与腿部机构曲柄齿轮以1：1传动比啮合，旋转编码器可以通过监测该测速齿轮的转速获取腿部机构的实际转速信息，并将数据回传给单片机，与给定转速值进行比较，实现反馈调节，直至腿部机构实际运动频率达到单片机给定运动频率。该过程完成后继续监测机器人的姿态数据，如此反复，保持机器人正常运动。

3.尾舵包括水平舵和垂直舵两部分，与机器人机身完全固连，位置保持在水面以下。在机器人运动过程中，随着机器人机身的摆动，尾舵与周围水体存在相对运动，利用水体对尾舵的阻力，起到阻碍机器人向某一方向偏转或倾覆的作用。其中水平舵舵面与水面接近平行，作用是提高机器人在横滚方向的稳定性，垂直舵舵面与水面垂直，与机器人前进方向平行，起到提高机器人左右偏摆稳定性的作用。

4.所述蛇怪蜥蜴机器人的创新点在于：1.现有在水面以上运动或作业的机器人均为利用浮力保持在水面以上，所述蛇怪蜥蜴机器人则不借助浮力，保持在水面以上的升力完全由机器人腿部机构踩水产生的相互作用力提供，实现了一个重力远大于浮力的物体，利用自身运动，从水体获得保持在水面以上并向前运动所需的力，且不发生倾覆的功能。2.现有在水面以上运动或作业的机器人多为四足或六足运动方式，机器人所受外力的合力始终经过机器人质心。所述蛇怪蜥蜴机器人则采用双足运动方式，受到来自水体的外力始终不通过机器人质心，对机器人平衡控制提出了较大挑战。机器人在运动过程中的平衡控制，采用机器人姿态-姿态与腿部机构运动动力学关系-电机转速的闭环控制策略，通过调整电机转速和腿部机构运动速度，影响水体对机器人腿部机构的作用力，进而实现了一种双足机器人在水面以上的平衡控制，对水上机器人的平衡控制提出了一种新的策略和方法。