本发明专利技术公开了一种基于电磁驱动原理的可控脱线爬行机器人，包括支撑框架、驱动系统、支撑腿和电源系统；支撑框架为驱动系统、支撑腿和电源系统提供定位和支撑；驱动系统设有两套，两套驱动系统结构相同并独立工作，分别由悬臂梁结构、永磁体、空心线圈和一体式传动结构等组成，一体式传动结构包括传动铰链和作动腿；空心线圈上施加交流电压后，在空心线圈的交变电磁力和悬臂梁结构的弹性回复力的共同作用下，永磁体受迫振动，传动铰链将永磁体的振动转化为作动腿的摆动，从而驱动机器人运动。通过控制两套驱动系统上所施加的交变电压可实现对机器人运动方向、轨迹和速度的控制。本发明专利技术结构简单，控制效果好，适应能力强，质量轻，载重能力强。载重能力强。载重能力强。
【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁驱动原理的可控脱线爬行机器人
[0001]本专利技术涉及微型爬行机器人
，具体涉及一种电磁驱动的爬行机器人。
技术介绍
[0002]昆虫尺寸下的爬行机器人具有体积小、机动性高、隐蔽性好等优点，适合在废墟、管道等狭小区域执行特定任务，因此受到广泛关注。然而，微小尺寸也同样为爬行机器人的控制与脱线设计带来了巨大挑战。控制意味着爬行机器人需要设计多个驱动系统合作实现前进、转弯等复杂动作，脱线意味着爬行机器人需要集成电源与配套电路，这些均无法避免地增加了爬行机器人的尺寸和负荷。在尺寸和载重能力的双重限制下，爬行机器人的驱动系统设计和控制方案选择尤为重要。
[0003]驱动系统一般由驱动器、传动机构和作动腿构成，其中高功率密度的驱动器有利于减小驱动系统尺寸和增大机器人载重能力。传统尺寸的机器人主要使用技术成熟的电机作为驱动器。然而在昆虫尺寸下，电机面临着驱动效率急剧下降和传动机构难以微型化的难题。研究发现，当驱动器的尺寸降低到厘米级及以下时，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有静电驱动器、压电驱动器、介电弹性体驱动器和电磁驱动器。其中，静电驱动器易于微型化，但功率密度低，载重能力有限。北京航空航天大学研制的一种静电驱动爬行机器人实现了短暂脱线(专利号：CN106143671B)，但无法进一步集成控制电路完成自主爬行。压电驱动器和介电弹性体驱动器功率密度高，但需要高压交流电，这增大了配套电路的复杂性。加州大学伯克利分校研制的一种压电驱动爬行机器人集成了电源和简化的控制电路，借助外部激光的导引实现了自助爬行，但由于体积和质量方面的限制，无法采用更为复杂高效的控制电路，使得该机器人应用范围受限。电磁驱动器功率密度大，并且驱动电压低，已经应用在了昆虫尺寸的机器人上，但还未实现高效控制。
[0004]控制方案的选择影响驱动系统的数量需求。瑞士联邦理工学院研制的一种介电弹性体驱动爬行机器人采用了前一后二的三点支撑方案，三个支撑腿分别连接一个驱动器主动作动。三个驱动器同时工作时，机器人向前移动；仅前驱动器和一个后驱动器工作时，机器人原地转弯。哈佛大学研制的一种压电驱动爬行机器人采用了前二后二的四点支撑方案，四个支撑腿均可在2个自由度上主动作动，共采用了8个驱动器。该爬行机器人控制效果好，但驱动系统繁多，配套电路复杂，整体尺寸偏大。在微小尺寸的限制下，控制方案的选择在于使用最少的驱动系统完成预定的控制功能。
技术实现思路
[0005]本专利技术要解决的技术问题为：针对现有的昆虫尺寸爬行机器人驱动系统复杂、尺寸偏大、控制效率低、爬行速度慢的问题，提供一种基于电磁驱动原理、仅采用两套驱动系统驱动的仿生爬行机器人，其结构简单、尺寸小、载重能力强，能够通过遥控或程序控制爬行。
[0006]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于电磁驱动原理的可控脱线爬机器人，其包括支撑框架、驱动系统、支撑腿和电源系统四个部分。
[0007]其中，支撑框架由多个支撑板结构连接组成，具体包括上支撑板、下支撑板、电路支撑板、侧支撑板、前支撑板和后支撑板，支撑框架为驱动系统、支撑腿和电源系统提供定位和支撑。
[0008]其中，驱动系统设有两套，左右对称布置，两套驱动系统结构相同，均由悬臂梁结构、永磁体、线圈固定板、空心线圈和一体式传动结构组成。悬臂梁结构的固定端连接在后支撑板上，自由端连接永磁体和一体式传动机构；永磁体与固定在线圈固定板上的空心线圈相对；线圈固定板支撑在前支撑板上；一体式传动机构包括传动铰链和作动腿两部分，传动铰链一端与永磁体、悬臂梁结构连接，另一端固定在前支撑板上。
[0009]其中，支撑腿固定在悬臂梁结构固定端的外伸段上。
[0010]其中，电源系统包括电源及配套电路，可为空心线圈提供可调交流电压。
[0011]空心线圈通电后，永磁体在空心线圈交变电磁力和悬臂梁结构弹性回复力的共同作用下产生稳定振动，传动铰链进一步将永磁体的振动转化为作动腿的摆动，即传动铰链将永磁体的线性位移转化成了作动腿绕轴线的角位移，从而驱动机器人运动。
[0012]进一步地，所述的支撑板结构、悬臂梁结构、线圈固定板、一体式传动机构和支撑腿均采用轻质高强度的碳纤维、聚酰亚胺膜或玻璃纤维堆叠层压后经过激光切割制成，增大了机构的抗压能力。
[0013]进一步地，所述的一体式传动机构是在一块层压复合材料上整体切出传动铰链和作动腿，消除了两者之间的安装误差。
[0014]进一步地，所述两套驱动系统，分别控制两条作动腿进行独立作动；作动腿可选择前腿或后腿，作动腿是前腿时，后腿为支撑腿；作动腿是后腿时，前腿为支撑腿。
[0015]进一步地，所述电源及配套电路选择成熟的现有技术，并集成在机体上作为机载电源，从而机器人能够脱线自主爬行。
[0016]进一步地，所述前腿及后腿的末端可选择粘贴不同材料及形状的小贴片以适应不同的地面，防止机器人爬行时打滑。例如粘贴表面粗糙材料的圆片增加腿部与玻璃地面的摩擦系数，以确保机器人在玻璃表面上的爬行速度。
[0017]此外，可以理解，本专利技术机器人根据实际使用需要，也可以采用外置电源，外置电源连接在空心线圈上，为其提供可调的交流电压，从而实现机器人带线可控爬行。
[0018]本专利技术通过控制两套驱动系统上所施加的交变电压来实现对机器人运动方向、轨迹和速度的控制。单个驱动系统通电工作时，仅对应的一条作动腿主动作动，其他三条腿均作为支点，机器人可实现原地转弯；两个驱动系统同时通电工作时，两条作动腿均主动作动，两条支撑腿作为支点，可实现机器人直线前进和不同曲率半径下的曲线移动。机器人的爬行速度则通过交变电压的频率进行控制，当永磁体的振动频率接近系统的固有频率时，机器人的爬行速度最快。
[0019]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0020](1)结构简单，尺寸小。本专利技术的爬行机器人，一是采用了结构简单、易于微型化的电磁驱动器；二是电磁驱动器所需的工作电压低，相应的配套电路的结构得到简化；三是仅采用了两套独立的驱动系统即可实现预定的控制需求，机器人的整体结构得到了简化；机
器人的长、宽、高各向尺寸均小于3cm。
[0021](2)爬行速度快。本专利技术采用的线性电磁驱动器，通过通交流电的线圈产生变化的电磁场，使永磁体在交变力的作用下受迫振动。传动铰链进一步将永磁体的线性振动放大为前腿的高幅度摆动，加之两套驱动系统同时工作，即使集成了电源和配套电路，机器人仍能够产生较快的运动速度。
[0022](3)控制效果好。本专利技术通过两个独立的驱动系统分别控制两条前腿与地面之间的相对运动。通过控制施加在两个驱动器上的交变电压的幅值和频率即可实现机器人的定点转弯、直行和不同曲率半径下的曲线移动。
[0023](4)适应能力强。本专利技术在支撑腿的末端附加不同形状的贴片后，机器人可在玻璃、打印纸、塑料板和木质等多种材质的地面上快速爬行，环境适应能力强。
[0024](5)机体质量轻，载重本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于电磁驱动原理的可控脱线爬行机器人，其特征在于，包括支撑框架、驱动系统、支撑腿和电源系统；其中，支撑框架由多个支撑板结构连接组成，包括上支撑板(1)、下支撑板(2)、电路支撑板(3)、侧支撑板(4，5)、前支撑板(6)和后支撑板(7)，支撑框架为驱动系统、支撑腿和电源系统提供定位和支撑；驱动系统由悬臂梁结构(8)、永磁体(9)、线圈固定板(10)、空心线圈(11)和一体式传动结构(12)组成；悬臂梁结构(8)的固定端连接在后支撑板(7)上，自由端连接永磁体(9)和一体式传动机构(12)；永磁体(9)与固定在线圈固定板(10)上的空心线圈(11)相对；线圈固定板(10)支撑在前支撑板(6)上；一体式传动机构(12)包括传动铰链和作动腿两部分，传动铰链一端与永磁体(9)、悬臂梁结构(8)连接，另一端固定在前支撑板(6)上；支撑腿固定在悬臂梁结构(8)固定端的外伸段上；电源系统包括电源及配套电路，可为空心线圈(11)提供可调交流电压；当空心线圈(11)通电后，永磁体(9)在空心线圈(11)的交变电磁力和悬臂梁结构(8)的弹性回复力的共同作用下产生稳定振动，传动铰链进一步将永磁体(9)的振动转化为作动腿的摆动，从而驱动机器人运动。2.根据权利要求1所述的基于电磁驱动原理的可控脱线爬行机器人，其特征在于：所述驱动系统设有两套，两套驱动系统结构相同，左右对称布置，并各自独立工作。3.根据权利要求2所述的基于电磁驱动原理的可控脱线爬行机器人，其特征在于：所述两套驱动系统，分别控制两条作动腿进行独立作动；作动腿为前腿或后腿，若作动腿是前腿，则后腿为支撑腿；若作动腿是后腿，则前腿为支撑腿。4.根据权利要求1所述的基于电磁驱动原理的可控脱线爬行机器人，其特征在于：所述电源系统为集成在机体上的电源与配套电路，或连接在空心线圈(11)上的外置电源及配套电路。5.根据权利要求1
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4任一项所述的基于电磁驱动原理的可控脱线爬行机器人，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘志伟，闫晓军，詹文成，漆明净，冷佳明，
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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