本发明专利技术公开了一种电磁驱动的微型水陆两栖机器人，由支撑单元、驱动单元、作动单元、张力单元和电源系统组成。支撑单元包括底板、侧板和线圈座，通过插接方式配合并为整体结构提供支撑和定位；驱动单元包括线圈、外伸梁和永磁体，外伸梁中部固定有永磁体，当线圈通交流电后，线圈与永磁体之间产生交变磁场，外伸梁在永磁体带动下受迫振动，从而提供驱动力；作动单元由支撑腿、横驱动腿、划水桨组成，是机器人爬行或游动的动作单元；张力单元由张力腿、防水膜和平衡垫片组成，为机器人提供在水面上运动的支撑力，同时维持机器人的运动平衡。本发明专利技术结构简单，尺寸小，运动状态稳定，传动效率高、爬行和游动速度快。爬行和游动速度快。爬行和游动速度快。
【技术实现步骤摘要】
一种电磁驱动的微型水陆两栖机器人
[0001]本专利技术涉及微型机器人
，具体是微型的水陆两栖机器人。
技术介绍
[0002]微型的水陆两栖机器人对外界环境具有很高的适应性，是一种可集侦查、检测、救援、探测于一体的机器人。因此，开展微型的水陆两栖机器人的研究在军用和民用上具有广阔的应用前景。传统的两栖机器人往往具有很复杂的传动机构，不利于机器人的微型化；传统电机驱动器在微型化后，效率降低，无法正常工作。因此，考虑新型结构是机器人两栖化和微型化的关键一步。
[0003]驱动器方面，传统尺寸的机器人主要使用输出旋转运动的电机作为驱动器，并通过一些传动机构实现预期的运动轨迹，目前此类技术已经发展较为成熟。但对于微型机器人而言，一方面，电机驱动所需的传动机构极为复杂，在狭小的空间内难以实现；另一方面，尺寸效应使得驱动效率急剧下降。因此，微型机器人需要使用更加直接与高效的驱动器。研究发现，当驱动器的尺寸降低到厘米级及以下时，输出往复式振动的直线式驱动器相比旋转式具有更大的优势与潜力。目前发展比较成熟的直线驱动器主要是电磁驱动器、静电驱动器与压电驱动器。其中，静电驱动器易于微型化，但需要很高的驱动电压，且产生的力与位移微小；压电驱动器功率密度高，输出频率高，但也存在驱动电压过高与升压电路复杂的问题。
[0004]传动机构方面，两栖微型机器人结构复杂，为了实现机器人的两栖运动，往往需要复杂的传动方式，传统的齿轮传动、带传动、链传动等方式传动效率低，尺寸大，不利于机器人的微型化。因此，寻找合适的传动方式对两栖机器人的微型化影响巨大。
[0005]过去的几十年来，技术较为成熟的微型机器人，往往因其复杂的传动机构和传统的驱动方式，导致其尺寸无法进一步微型化。美国哈佛大学研制的水陆机器人HAMR采用压电驱动器，具有4个驱动器及8个独立驱动的自由度，复杂的传动机构导致其整机质量与尺寸较大，运动速度慢。中国专利CN109398528所述的仿生爬行机器人采用电磁驱动器，是目前厘米级尺度下运动速度最快的机器人，其爬行速度达到23.2cm/s，具有尺寸小、质量轻的优点；但是由于其采用的是带铁芯线圈的驱动机构，机器人在工作时，线圈及铁芯容易发热，导致机器人的工作效率低，且当机器人在较高的驱动电压下工作时，易出现线圈因发热而烧穿的情况，这就导致该机器人的爬行速度无法进一步提升；同时，该机器人只具备地面爬行功能，无法实现水面的游动。
技术实现思路
[0006]针对上述现有微型机器人的不足，本专利技术提供一种驱动直接、传动机构简单、机动性强、速度快的微型水陆两栖机器人。
[0007]本专利技术采用的技术方案为：一种电磁驱动的微型水陆两栖机器人，该机器人由支撑单元、驱动单元、作动单元、张力单元和电源系统组成。
[0008]其中，支撑单元为整个机器人提供支撑和定位，包括底板、两个侧板、线圈座。侧板上设有小孔和插槽，小孔用于外伸梁的定位，插槽用于侧板和底板、侧板和线圈座的插接配合；底板和线圈座通过插接方式安装于两个侧板之间，底板用于支撑侧板、线圈座用于固定线圈并加固侧板。
[0009]其中，驱动单元由线圈、外伸梁和永磁体组成。线圈安装在线圈座上，两端连接电源；外伸梁由两条金属丝构成；永磁体借助贴片固定在外伸梁的中部；当一定频率的交流电压施加在线圈上后，线圈与永磁体之间产生交变磁场与电磁力，外伸梁在永磁体带动下发生受迫振动，进而为作动单元提供驱动力。
[0010]其中，作动单元是机器人实现水面游动和陆地爬行动作的工作单元，由支撑腿、横驱动腿和划水桨组成。支撑腿包括1对前支撑腿和1对后支撑腿，前支撑腿粘贴在外伸梁两端，后支撑腿粘贴在侧板两侧并与地面成一定角度；横驱动腿水平固定在两条前支撑腿上，在横驱动腿两端粘贴有贴片作为划水桨，划水桨与水面成一定角度。
[0011]其中，张力单元由张力腿、防水膜和平衡垫片组成，用于为机器人提供在水面上运动的支撑力，同时维持机器人的运动平衡。张力腿包括1对前张力腿和1对后张力腿，4条张力腿轴对称固定在底板上，各张力腿末端均粘有贴片作平衡垫片；防水膜一部分粘贴在底板的底面，另一部分包裹住机器人的前端并固定在两侧的侧板上，可提供机器人浮在水面上所需的部分张力，此外考虑外伸梁的往复振动易将水带入机器人体内，导致机器人下沉，防水膜的设置还可以阻断水进入机器人体内，起到防水作用。
[0012]其中电源系统包括电源及配套电路，为线圈提供可调交流电压。
[0013]进一步的，所述底板、侧板、线圈座、划水桨、平衡垫片均采用双层碳纤维垂直叠加而成的复合材料，经激光切割方法加工成形。
[0014]进一步的，所述外伸梁、支撑腿、横驱动腿、张力腿的材料均为具备一定弹性及支撑能力的金属丝，包括Ti
‑
Ni记忆合金丝、铜丝或铁丝。
[0015]进一步的，所述防水膜的材料为聚酰亚胺膜或塑料膜，采用激光切割方法加工。
[0016]进一步的，所述的侧板有左右两个，结构完全相同，相对而置，每个侧板上开有2个小孔与3个槽，小孔为外伸梁的定位孔，槽用于侧板与底板、侧板与线圈座的连接。
[0017]进一步的，所述线圈座两端设有1对插片，用于与侧板上的斜槽配合；线圈座中部开有1个大孔和2个小孔，用于线圈的定位和固定。
[0018]进一步的，所述后支撑腿与地面的角度为60
°
～80
°
；所述划水桨与水面的角度为30
°
～70
°
。
[0019]进一步的，所述电源为频率及幅值可调的交流信号发生器，通过导电性好、较为柔软的导线如细铜导线与线圈相连，线圈工作电流小于0.7A，工作电压小于6V。
[0020]进一步的，由于驱动原理和结构十分简单，本专利技术的水陆两栖机器人的各向尺寸均小于3cm，质量低于140mg。
[0021]本专利技术提供一种微型水陆两栖机器人的驱动方法，当线圈上施加交流电压后，线圈与永磁体之间产生交变磁场与电磁力，外伸梁在永磁体带动下发生受迫振动，进而带动前支撑腿发生摆动，为机器人运动提供驱动力。陆地爬行时，电磁驱动和摩擦驱动共同作用，一方面，由于机身的倾斜使得前支撑腿向后摆动冲击地面时，地面对机器人向前的反作用力；另一方面，前支撑腿向前摆动时，地面和前支撑腿之间、地面和后支撑腿之间两处的
摩擦力不同，使得地面对整个机构的静摩擦力向前。水面游动时，机器人仅依靠电磁驱动，横驱动腿跟随前支撑腿前后摆动，划水桨在横驱动腿带动下做周期性向后拨水运动，产生的反作用力推动机构向前游动。
[0022]经过试验研究，外伸梁采用两根水平排列的、长度为18mm的直径为0.1mm的Ti
‑
Ni记忆合金丝，将半径为2mm、高度为2mm的柱状永磁体粘贴于外伸梁的中部时，外伸梁能在210Hz～300Hz的交流电信号驱动下，产生受迫振动。其原因主要是通交流电的线圈产生了交变磁场，对永磁体产生了一定频率的交变电磁力，从而带动外伸梁产生受迫振动，交流电频率接近外伸梁本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种电磁驱动的微型水陆两栖机器人，由支撑单元、驱动单元、作动单元、张力单元和电源系统组成；其特征在于：所述支撑单元包括底板、两个侧板和线圈座；其中，侧板上设有小孔和插槽，小孔用于外伸梁的定位，插槽用于底板、线圈座的固定；底板和线圈座通过插接方式安装于两个侧板之间，底板用于支撑侧板，线圈座用于固定线圈并加固侧板；所述驱动单元包括线圈、外伸梁和永磁体；其中，线圈安装在线圈座上并连接电源，外伸梁由两条金属丝构成，永磁体固定在外伸梁的中部；所述作动单元由支撑腿、横驱动腿、划水桨组成；支撑腿包括1对前支撑腿和1对后支撑腿，前支撑腿粘贴在外伸梁两端，后支撑腿粘贴在侧板两侧；横驱动腿水平固定在两条前支撑腿上，划水桨粘贴在横驱动腿两端；所述张力单元由张力腿、防水膜和平衡垫片组成；张力腿包括1对前张力腿和1对后张力腿，4条张力腿轴对称固定在底板上，各张力腿末端均粘有平衡垫片；防水膜粘贴在底板和机器人前端；所述电源系统包括电源及配套电路，为线圈提供可调交流电压。2.根据权利要求1所述的微型水陆两栖机器人，其特征在于：所述底板、侧板、线圈座、划水桨、平衡垫片采用双层碳纤维垂直叠加而成的复合材料，经激光切割方法加工成形。3.根据权利要求1所述的微型水陆两栖机器人，其特征在于：所述外伸梁、支撑腿、横驱动腿、张力腿的材料均为具备一定弹性及支撑能力的金属丝，包括Ti
‑
Ni记忆合金丝、铜丝或铁丝。4.根据权利要求1所述的微型水陆两栖机器人，其特征在于：所述防水膜的材料为聚酰亚胺膜或塑料膜，采用激光切割方法加工。5.根据权利要求1所述的微型水陆两栖机器人，其特征在于：所述侧板有左右两个，结构...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘志伟，闫晓军，黄德兰，漆明净，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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