可在流沙中行走的仿生機器人的製作方法
2023-05-19 18:25:46 2
可在流沙中行走的仿生機器人的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種可在流沙中行走的仿生機器人，包括前定位裝置、後定位裝置和推桿，前定位裝置和後定位裝置分別包括定位漿片、舵機和固定框架，舵機安裝在固定框架上，定位漿片安裝在舵機上，前定位裝置和後定位裝置的固定框架分別與推桿兩端固定，所述舵機和推桿外接電源。本發明設計的機器人裝置巧妙地借鑑了眼蟲藻在液體中依靠兩個「錨」的交替定位和自身伸縮變形這一獨特行進方式，模仿了眼蟲藻的前定位錨和後定位錨的功能以及前進的功能，解決了裝置平衡和運動控制問題，製作了可在流沙中自由運動的仿生機器人裝置。
【專利說明】可在流沙中行走的仿生機器人
【技術領域】
[0001]本發明涉及機器人【技術領域】，具體涉及一種可在流沙中行走的仿生機器人。
【背景技術】
[0002]2003年6月10日，美國國家航空航天局(簡稱NASA)向火星成功發射了「勇氣號」火星車，歷時209天後，「勇氣號」於2004年I月4日在火星南半球成功著陸。在執行探測任務1000個火星天后，2009年5月，六輪驅動的「勇氣號」五個車輪陷入了火星鬆軟的沙地中，而剩下的右前輪三年前已損壞無法工作。NASA隨後採取了一系列的解救行動但均告失敗，2010年I月26日，NASA正式宣布放棄對「勇氣號」的解救。「勇氣號」從此轉為靜止觀測平臺。
[0003]看到這則新聞時，發明人很納悶:為什麼一個耗資數億美元的火星車竟然會由於陷入沙中而終結了呢？帶著這樣的疑問，發明人開始關注機器人在沙地中自由行動的問題。目前大多數機器人的運動方式與「勇氣號」類似，主要依靠輪子轉動來實現。輪子在沙子中行走時由於沙子是一個個小顆粒，所以輪子的滾動不但無法產生足夠的摩擦力使機器人向前運動，而且還會由於沙子的流動性使機器人陷入流沙中。
[0004]為有效解決輪式機器人容易陷入沙中的問題，國內外相關學者從仿生視角展開了研究，如李斌等設計出了一種具有自動變換運動方式的蛇形機器人，能在硬地面、軟土、沙地上通過自動變換步態運動而行進；丁希侖等開發出模擬駱駝足機械裝置，改善腿式機械人在在沙漠、軟土等地行走時的下凹固沙、旋轉蹬沙、旋轉出沙等問題；美國喬治亞理工學院戈德曼等模仿沙漠中生活的蜥蜴和蟑螂等動物在行走時四肢在與沙地接觸過程中的運動非常緩慢，而在四肢騰空至再次觸地之前的運動則非常迅速這一特點設計出了「六肢」機器人。這些機器人的設計目的都是為了模仿在沙漠中生活的某種動物的運動方式，解決機器人在沙漠中行走的問題。
[0005]目前，輪式機器人、旋葉爪式機器人、履帶式機器人都不能有效通過流沙地帶。
[0006]有一天發明人在科普頻道裡看到眼蟲藻(Euglena)在液體中通過身體前後變形定位和伸縮而前行的獨特行進方式，並由此想到能否模仿眼蟲藻的前進方式設計開發出一款能在流沙中行走的仿生機器人。
[0007]眼蟲藻是單細胞生物，屬於裸藻綱。在液體中運動時，眼蟲藻首先利用自身較大的球體與液體的摩擦力作為後定位「錨」，並以此位置為基礎向前推出一個尖端。隨著體內物質的不斷向前推出，尖端部分隨之不斷變大，逐漸使原來的尖端部分變形為一個擁有較大摩擦力的球體作為前定位「錨」。這個「錨」形成後，眼蟲藻將其尾部收回，回歸初始狀態完成一個運動周期，從而眼蟲藻向前運動了一個身位。
[0008]眼蟲藻運動依靠的是前後兩個「錨」的交替定位和自身的伸縮變形，實現在液體中的運動。
[0009]流沙和液體在外力的驅動下都可以流動，兩者性質具有一定的相似性。液體在受到一個力時，會帶動周邊分子運動。而流沙受到力時，周邊的沙粒也會被帶動，但是撤去施加在液體上的力後，液體分子還會做一段時間運動後因摩擦力而停下。但是流沙在撤去施加在沙中的力後會很快靜止。沙子可以粗略地看作是一種沒有慣性的流體，當外力的停止驅動時，沙子自身的流動也立刻停止，類似於粘稠的液體。美國喬治亞理工學院戈德曼等人也已證明流沙和粘稠流體可以用類似的力學公式描述。
【發明內容】
[0010]本發明的目的在於模仿眼蟲藻依靠兩個「錨」的交替定位和自身的伸縮變形這一獨特行進方式，設計一款能夠在流沙中行走的仿生機器人。
[0011]裝置設計需要解決以下幾個關鍵問題:(I)如何模擬眼蟲藻的前定位錨和後定位錨的功能；(2)如何模擬眼蟲藻身體向前運動的功能；(3)如何實現裝置平衡和運動控制問題。
[0012]為此，本發明的技術方案如下:
[0013]一種可在流沙中行走的仿生機器人，其特徵在於，包括前定位裝置、後定位裝置和推桿，前定位裝置和後定位裝置分別包括定位漿片、舵機和固定框架，舵機安裝在固定框架上，定位漿片安裝在舵機上，前定位裝置和後定位裝置的固定框架分別與推桿兩端固定，所述舵機和推桿外接電源。
[0014]進一步，所述前定位裝置和後定位裝置上的定位漿片和舵機均為兩個，且平行設置在所述固定框架上。這麼做的目的主要是為了防止裝置受力不均衡而側翻。
[0015]本發明中定位功能的實現是利用定位槳片打入沙中受到的前進方向靜摩擦力遠大於整個裝置的滑動摩擦力的原理而實現；運動功能的實現則是通過後定位裝置的定位槳片打入沙中形成後定位錨，前槳片抬起，推桿伸長到最大值後，前槳片打下形成前定位錨，後獎片抬起，推桿收縮，從而完成向如的運動。
[0016]另外，為了實現裝置的平衡，本發明設計成了對稱形狀。其運動過程的控制則可以通過編程實現。
[0017]本發明設計的機器人裝置巧妙地借鑑了眼蟲藻在液體中依靠兩個「錨」的交替定位和自身伸縮變形這一獨特行進方式，模仿了眼蟲藻的前定位錨和後定位錨的功能以及前進的功能，解決了裝置平衡和運動控制問題，製作了可在流沙中自由運動的仿生機器人裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為槳片插入沙中深度與靜摩擦力關係圖。
[0019]圖2為本發明的可在流沙中行走的仿生機器人的右視示意圖。
[0020]圖3為本發明的可在流沙中行走的仿生機器人的俯視示意圖。
[0021]圖4為本發明的可在流沙中行走的仿生機器人的前進周期示意圖。
[0022]圖5為本發明的可在流沙中行走的仿生機器人的轉彎周期示意圖。
[0023]圖6為本發明的可在流沙中行走的仿生機器人的硬體控制圖。
[0024]圖7為本發明的可在流沙中行走的仿生機器人的軟體控制圖。
[0025]圖8本發明的可在流沙中行走的仿生機器人的舵機角度與裝置負重位移關係圖。
[0026]圖9本發明的可在流沙中行走的仿生機器人的舵機角度與裝置負重轉動角度關係圖。
【具體實施方式】
[0027]下面通過一個具體實施例證明本裝置的實用性。
[0028]實驗器材:
[0029]推桿——購買L12線性螺線管一個，額定電壓12V、最大行程10cm、重量56g。
[0030]舵機——M-S2213M型舵機四個:額定電壓6V、轉動角度±60°、重量13.2g。
[0031]槳片——根據特殊設計的需要，用3D印表機製作四個(扇形，圓心角約33度，半徑約5cm,厚度約3mm材質:塑料)。
[0032]固定框架——根據特殊設計的需要，用3D印表機製作一個，接口根據推桿、舵機尺寸設計。(材質:塑料)
[0033]推力計算:
[0034]利用數字式測力儀測試單個槳片插入不同深度(h)沙中剛能推動時產生的靜摩擦力見圖1。在裝置設計時還測試過厚度相近(~3mm)的不同形狀槳片，發現對摩擦力影響最大的是槳片插入沙中的面積，槳片幾何形狀對摩擦力影響較小，因此裝置採用形狀簡單且對稱的扇形槳片。
[0035]裝置總重量150g (見公式I)。在直徑3mm的小球組成的「沙子」中，經過測量整個裝置在沙子裡運動時的摩擦力大約是I牛頓。由於在實際運行時有一半的裝置是固定住不動的，因此裝置運動時的摩擦力大約是0.5牛頓(見公式2，其中由於沙子不同，摩擦係數大概在0.2~0.7左右)。
[0036]M = m1+4 X m2+ (m3+m4)
[0037]= 56g+4X 13.2g+41.2g
[0038]= 150g = 0.15kg (I)
[0039]In1:推桿質量，m2:舵機質量，(m3+m4):固定框架加槳片質量
[0040]F = G= (m/1000) Xg
[0041]= (108.99/1000) X9.80 (2)
[0042]= 1.07N
[0043]
【權利要求】
1.一種可在流沙中行走的仿生機器人，其特徵在於，包括前定位裝置、後定位裝置和推桿，前定位裝置和後定位裝置分別包括定位漿片、舵機和固定框架，舵機安裝在固定框架上，定位漿片安裝在舵機上，前定位裝置和後定位裝置的固定框架分別與推桿兩端固定，所述舵機和推桿外接電源。
2.根據權利要求1所述的可在流沙中行走的仿生機器人，其特徵在於，所述前定位裝置和後定位裝置上的定位漿片和舵機均為兩個，且平行設置在所述固定框架上。
【文檔編號】B25J11/00GK104044144SQ201310080306
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月13日 優先權日:2013年3月13日
【發明者】周天宇, 張何朋 申請人:上海市南洋模範中學