[发明专利]一种蛇怪蜥蜴仿生机器人及其设计方法

说明书

本发明提供一种可在水面运动的仿生双足机器人，能够携带设备进入危险有害水域，完成水域环境监测、搜救救灾等任务，或利用自身噪声接近自然声的特点，应用于军事侦察等场景。

技术领域

本发明涉及一种可在水面运动的仿生双足机器人，能够携带设备进入危险有害水域，完成水域环境监测、搜救救灾等任务，或利用自身噪声接近自然声的特点，应用于军事侦察等场景。

背景技术

仿生机器人已经成为全世界机器人领域的研究热点，而双足机器人又是机器人领域中的重点和难点。仿生双足机器人的研究发展至今，对仿生对象的研究方法和分析理解水平已经达到较高水平。就蛇怪蜥蜴而言，目前已经较深层次地分析了蛇怪蜥蜴在水面以上的运动方式和平衡机理，对于蛇怪蜥蜴运动过程中的各关节运动轨迹、速度加速度等参数有丰富的实验数据记录，为研制蛇怪蜥蜴机器人准备了充分的参考资料。

在全世界范围内，水上机器人的研究已经取得较多成果，使用四足、六足等行进方式的足式机器人技术已趋成熟。但受限于电机功率和能量密度，以及平衡控制策略方面的不足，不依靠浮力的水上双足机器人至今没有出现。

随着电机、电池技术的进步，以及平衡控制理论不断取得新的进展，以蛇怪蜥蜴为仿生对象研制仿生双足水上机器人的条件已经成熟。

发明内容

本发明为解决现有技术不能有效解决的问题而提供一种使用新型工作原理的水上机器人及其设计方法，通过模仿蛇怪蜥蜴的运动方式和平衡机理，来为水上机器人提供一种新的运动方式和控制策略。

为实现本发明目的而采用的技术方案是：

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。

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。

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。