可在流沙中行走的仿生机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种可在流沙中行走的仿生机器人，包括前定位装置、后定位装置和推杆，前定位装置和后定位装置分别包括定位浆片、舵机和固定框架，舵机安装在固定框架上，定位浆片安装在舵机上，前定位装置和后定位装置的固定框架分别与推杆两端固定，所述舵机和推杆外接电源。本发明设计的机器人装置巧妙地借鉴了眼虫藻在液体中依靠两个“锚”的交替定位和自身伸缩变形这一独特行进方式，模仿了眼虫藻的前定位锚和后定位锚的功能以及前进的功能，解决了装置平衡和运动控制问题，制作了可在流沙中自由运动的仿生机器人装置。
【专利说明】可在流沙中行走的仿生机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人【技术领域】，具体涉及一种可在流沙中行走的仿生机器人。
【背景技术】
[0002]2003年6月10日，美国国家航空航天局(简称NASA)向火星成功发射了“勇气号”火星车，历时209天后，“勇气号”于2004年I月4日在火星南半球成功着陆。在执行探测任务1000个火星天后，2009年5月，六轮驱动的“勇气号”五个车轮陷入了火星松软的沙地中，而剩下的右前轮三年前已损坏无法工作。NASA随后采取了一系列的解救行动但均告失败，2010年I月26日，NASA正式宣布放弃对“勇气号”的解救。“勇气号”从此转为静止观测平台。
[0003]看到这则新闻时，发明人很纳闷:为什么一个耗资数亿美元的火星车竟然会由于陷入沙中而终结了呢？带着这样的疑问，发明人开始关注机器人在沙地中自由行动的问题。目前大多数机器人的运动方式与“勇气号”类似，主要依靠轮子转动来实现。轮子在沙子中行走时由于沙子是一个个小颗粒，所以轮子的滚动不但无法产生足够的摩擦力使机器人向前运动，而且还会由于沙子的流动性使机器人陷入流沙中。
[0004]为有效解决轮式机器人容易陷入沙中的问题，国内外相关学者从仿生视角展开了研究，如李斌等设计出了一种具有自动变换运动方式的蛇形机器人，能在硬地面、软土、沙地上通过自动变换步态运动而行进；丁希仑等开发出模拟骆驼足机械装置，改善腿式机械人在在沙漠、软土等地行走时的下凹固沙、旋转蹬沙、旋转出沙等问题；美国佐治亚理工学院戈德曼等模仿沙漠中生活的蜥蜴和蟑螂等动物在行走时四肢在与沙地接触过程中的运动非常缓慢，而在四肢腾空至再次触地之前的运动则非常迅速这一特点设计出了“六肢”机器人。这些机器人的设计目的都是为了模仿在沙漠中生活的某种动物的运动方式，解决机器人在沙漠中行走的问题。
[0005]目前，轮式机器人、旋叶爪式机器人、履带式机器人都不能有效通过流沙地带。
[0006]有一天发明人在科普频道里看到眼虫藻(Euglena)在液体中通过身体前后变形定位和伸缩而前行的独特行进方式，并由此想到能否模仿眼虫藻的前进方式设计开发出一款能在流沙中行走的仿生机器人。
[0007]眼虫藻是单细胞生物，属于裸藻纲。在液体中运动时，眼虫藻首先利用自身较大的球体与液体的摩擦力作为后定位“锚”，并以此位置为基础向前推出一个尖端。随着体内物质的不断向前推出，尖端部分随之不断变大，逐渐使原来的尖端部分变形为一个拥有较大摩擦力的球体作为前定位“锚”。这个“锚”形成后，眼虫藻将其尾部收回，回归初始状态完成一个运动周期，从而眼虫藻向前运动了一个身位。
[0008]眼虫藻运动依靠的是前后两个“锚”的交替定位和自身的伸缩变形，实现在液体中的运动。
[0009]流沙和液体在外力的驱动下都可以流动，两者性质具有一定的相似性。液体在受到一个力时，会带动周边分子运动。而流沙受到力时，周边的沙粒也会被带动，但是撤去施加在液体上的力后，液体分子还会做一段时间运动后因摩擦力而停下。但是流沙在撤去施加在沙中的力后会很快静止。沙子可以粗略地看作是一种没有惯性的流体，当外力的停止驱动时，沙子自身的流动也立刻停止，类似于粘稠的液体。美国佐治亚理工学院戈德曼等人也已证明流沙和粘稠流体可以用类似的力学公式描述。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于模仿眼虫藻依靠两个“锚”的交替定位和自身的伸缩变形这一独特行进方式，设计一款能够在流沙中行走的仿生机器人。
[0011]装置设计需要解决以下几个关键问题:(I)如何模拟眼虫藻的前定位锚和后定位锚的功能；(2)如何模拟眼虫藻身体向前运动的功能；(3)如何实现装置平衡和运动控制问题。
[0012]为此，本发明的技术方案如下:
[0013]一种可在流沙中行走的仿生机器人，其特征在于，包括前定位装置、后定位装置和推杆，前定位装置和后定位装置分别包括定位浆片、舵机和固定框架，舵机安装在固定框架上，定位浆片安装在舵机上，前定位装置和后定位装置的固定框架分别与推杆两端固定，所述舵机和推杆外接电源。
[0014]进一步，所述前定位装置和后定位装置上的定位浆片和舵机均为两个，且平行设置在所述固定框架上。这么做的目的主要是为了防止装置受力不均衡而侧翻。
[0015]本发明中定位功能的实现是利用定位桨片打入沙中受到的前进方向静摩擦力远大于整个装置的滑动摩擦力的原理而实现；运动功能的实现则是通过后定位装置的定位桨片打入沙中形成后定位锚，前桨片抬起，推杆伸长到最大值后，前桨片打下形成前定位锚，后奖片抬起，推杆收缩，从而完成向如的运动。
[0016]另外，为了实现装置的平衡，本发明设计成了对称形状。其运动过程的控制则可以通过编程实现。
[0017]本发明设计的机器人装置巧妙地借鉴了眼虫藻在液体中依靠两个“锚”的交替定位和自身伸缩变形这一独特行进方式，模仿了眼虫藻的前定位锚和后定位锚的功能以及前进的功能，解决了装置平衡和运动控制问题，制作了可在流沙中自由运动的仿生机器人装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为桨片插入沙中深度与静摩擦力关系图。
[0019]图2为本发明的可在流沙中行走的仿生机器人的右视示意图。
[0020]图3为本发明的可在流沙中行走的仿生机器人的俯视示意图。
[0021]图4为本发明的可在流沙中行走的仿生机器人的前进周期示意图。
[0022]图5为本发明的可在流沙中行走的仿生机器人的转弯周期示意图。
[0023]图6为本发明的可在流沙中行走的仿生机器人的硬件控制图。
[0024]图7为本发明的可在流沙中行走的仿生机器人的软件控制图。
[0025]图8本发明的可在流沙中行走的仿生机器人的舵机角度与装置负重位移关系图。
[0026]图9本发明的可在流沙中行走的仿生机器人的舵机角度与装置负重转动角度关系图。
【具体实施方式】
[0027]下面通过一个具体实施例证明本装置的实用性。
[0028]实验器材:
[0029]推杆——购买L12线性螺线管一个，额定电压12V、最大行程10cm、重量56g。
[0030]舵机——M-S2213M型舵机四个:额定电压6V、转动角度±60°、重量13.2g。
[0031]桨片——根据特殊设计的需要，用3D打印机制作四个(扇形，圆心角约33度，半径约5cm,厚度约3mm材质:塑料)。
[0032]固定框架——根据特殊设计的需要，用3D打印机制作一个，接口根据推杆、舵机尺寸设计。(材质:塑料)
[0033]推力计算:
[0034]利用数字式测力仪测试单个桨片插入不同深度(h)沙中刚能推动时产生的静摩擦力见图1。在装置设计时还测试过厚度相近(~3mm)的不同形状桨片，发现对摩擦力影响最大的是桨片插入沙中的面积，桨片几何形状对摩擦力影响较小，因此装置采用形状简单且对称的扇形桨片。
[0035]装置总重量150g (见公式I)。在直径3mm的小球组成的“沙子”中，经过测量整个装置在沙子里运动时的摩擦力大约是I牛顿。由于在实际运行时有一半的装置是固定住不动的，因此装置运动时的摩擦力大约是0.5牛顿(见公式2，其中由于沙子不同，摩擦系数大概在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:推杆质量，m2:舵机质量，(m3+m4):固定框架加桨片质量
[0040]F = G= (m/1000) Xg
[0041]= (108.99/1000) X9.80 (2)
[0042]= 1.07N
[0043]
【权利要求】
1.一种可在流沙中行走的仿生机器人，其特征在于，包括前定位装置、后定位装置和推杆，前定位装置和后定位装置分别包括定位浆片、舵机和固定框架，舵机安装在固定框架上，定位浆片安装在舵机上，前定位装置和后定位装置的固定框架分别与推杆两端固定，所述舵机和推杆外接电源。
2.根据权利要求1所述的可在流沙中行走的仿生机器人，其特征在于，所述前定位装置和后定位装置上的定位浆片和舵机均为两个，且平行设置在所述固定框架上。
【文档编号】B25J11/00GK104044144SQ201310080306
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】周天宇, 张何朋 申请人:上海市南洋模范中学