一种谐振式压电爬行机器人的设计与实验

作     者：何世界 吴医博 周生喜 He Shijie;Wu Yibo;Zhou Shengxi

作者机构：西北工业大学航空学院西安710072 洛阳船舶材料研究所河南洛阳471023 

出 版 物：《力学学报》 (Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics)

年 卷 期：2023年第55卷第9期

页      面：1983-1999页

核心收录：

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：国家重点研发计划(2020YFA0711700) 国家自然科学基金(12072267)资助项目 

主　　题：压电驱动 动力学方程 四足爬行机器人 机器人控制 PID 模型 

摘      要：微小型机器人是近年来智能机器人技术发展研究的重点方向,基于其体积较小、灵敏度高、运动灵活等优点,可以应用于灾后救援搜索、极端环境探测和医疗手术等诸多领域.压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的智能材料,将压电陶瓷与爬行机器人结构相结合,设计出压电驱动和执行结构一体化的机器人,不仅能够使得机器人小型化,传动效率提高,而且能够让它的运动更加平稳可靠.因此,对于复杂环境下的作业,利用逆压电效应和摩擦驱动以及黏滑运动原理设计出的各种新型结构的压电爬行机器人具有非常广的研究前景和实用价值.文章基于逆压电效应设计了一种由双压电片驱动的足腿一体化四足爬行机器人,并设计了几种不同类型摩擦力的驱动足.利用理论力学方法对该机器人的一个单元体建立整体受力方程,利用振动力学知识推导了其动力学模型,将机器人压电驱动腿结构简化为变截面、变角度弯折梁,再用欧拉−伯努利梁理论建立力学方程,最后求解得到其固有频率.制作了四足爬行机器人实物,通过实验测试得到了不同驱动频率、不同负载、不同电压和不同驱动足对机器人单元节运动方向及运动速度的影响,以及不同的接触面和不同的电压与频率信号对四足爬行机器人运动方向及运动速度的影响.最后,通过仿真控制软件连接半物理仿真平台Quancer板卡,利用不同频率和幅值的驱动电压控制四足爬行机器人使其实现了左转、右转、绕圆心自转以及不加导轨的近似直线运动.