一种水下双足步行机器人及运动控制方法

本发明涉及机器人，特别是一种水下双足步行机器人及运动控制方法。

背景技术：

1、自然界生物经历了长期的生存竞争和自然选择，进化出一系列精巧而又性能出众的结构、形态、运动模式和控制策略，一直以来是人造机械的学习对象。生物融合机器人是将生命系统与机械系统有机结合的新型机器人，既具有生命系统的独特优势，如能量密度高、能源低廉、本质安全性等，又具备机械系统的优良特点，如高精准性和可控性等。

2、然而，现有生物融合爬行机器人主要有两大缺陷：其一，机器人的运动速度较慢。由于生物融合机器人使用肌肉作为自身动力源，而肌肉组织在高频电刺激下会发生强直收缩，极大缩短机器人的寿命，因此机器人在只能在低频刺激信号下工作。而目前常用的低频脉冲信号下，肌肉收缩时间短，收缩不充分，不能充分发挥生命驱动器的运动潜力。此外，机器人的结构设计与刺激信号不能很好的配合，没有充分发挥出机器人的仿生学优势；其二，机器人的环境适应性差。由于生命体的运动性能不稳定，且生物融合机器人本身体积小，重量轻，其抗干扰能力较差，容易在微小外界扰动下发生翻倒等故障。此外，由于肌肉组织在脉冲刺激下仅沿长轴收缩，运动自由度低，因此机器人的运动模态单一，难以在复杂环境下进行可控的运动。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种水下双足步行机器人及运动控制方法，以解决现有技术中生物融合爬行机器人运动速度慢，且运动模态单一的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明公开了一种水下双足步行机器人，包括：

4、驱动单元，所述驱动单元为解离后肌肉自然收缩呈弯钩状的牛蛙肌肉；

5、头部单元，所述头部单元和所述驱动单元的一端连接，且位于导电溶液环境中时呈漂浮状态；

6、行走单元，所述行走单元和所述驱动单元的弯钩部位连接，包括分布在所述驱动单元两侧的足部，两所述足部位于导电溶液环境中时呈和溶液底面接触的下沉状态；

7、控制单元，所述控制单元包括信号发生器和成对的电极，所述信号发生器和所述电极连接，用于产生方波信号，所述电极响应于所述方波信号在导电溶液环境中产生电场，控制所述驱动单元在不同的弯曲模式下带动所述行走单元进行直行运动或转向运动。

8、可选地，所述驱动单元为牛蛙的股后三头肌，包括沿其长度方向依次设置的前肌肉段、所述弯钩部位构成的下肌肉段，以及长度小于所述前肌肉段的尾肌肉段，所述前肌肉段的端部和所述头部单元连接，所述下肌肉段的肌肉相对所述前肌肉段的肌肉厚实，且所述下肌肉段外凸的肌肉部位和所述行走单元连接。

9、可选地，所述头部单元包括外壳和封堵板，所述外壳为仿形子弹头形状的锥形结构，在所述外壳的内部形成有空腔，并在所述外壳的平面端上设置连通所述空腔的装载口，所述封堵板位于所述装载口处和所述外壳的平面端连接，且所述封堵板和所述驱动单元连接。

10、可选地，所述行走单元还包括基板，所述基板包括位于中部的第一板体，以及位于所述第一板体两侧的第二板体，所述第一板体的顶板面和所述驱动单元的所述弯钩部位连接，两所述第二板体的长度方向呈夹角设置，且两所述第二板体的夹角朝向所述头部单元，两所述足部一一对应连接在所述第二板体的底板面上。

11、可选地，所述第一板体的顶板面上设置有相对的肌肉挡板，两所述肌肉挡板之间具有供所述弯钩部放置连接的肌肉限位间隙；

12、所述第二板体的顶板面上设置有相对的配重挡板，两所述配重挡板之间具有配重限位间隙，并在两所述配重挡板之间的配重限位间隙内设置有第一配重件。

13、可选地，所述足部包括沿其长度方向依次设置的竖直板体、弧形板体以及水平板体，所述竖直板体垂直于所述第二板体，且所述竖直板体的端部和所述第二板体的底板面连接，所述水平板体平行于所述第二板体，且所述弧形板体的外凸面朝向所述行走单元的行走方向；

14、所述弧形板体的内凹面处设置有第二配重件，以使所述足部的重心位于所述弧形板体处。

15、本发明还公开了一种运动控制方法，采用上述的水下双足步行机器人，包括：

16、选取导电溶液，将连接好的所述驱动单元、所述头部单元以及所述行走单元放置于所述导电溶液内，同时连接所述信号发生器和所述电极，并根据需求调整所述电极位于所述导电溶液内的位置，并由所述信号发生器产生50％占空比的方波信号；

17、当两所述电极位于所述驱动单元的两侧时，响应于方波信号的上升沿和下降沿，两所述电极在导电溶液环境中产生电场，控制所述驱动单元向两侧交替弯曲，并驱动所述行走单元进行直行运动；

18、当两所述电极均位于所述驱动单元的单侧时，响应于方波信号，两所述电极在导电溶液环境中产生电场，控制所述驱动单元向单侧弯曲，并驱动所述行走单元进行转向运动。

19、可选地，所述驱动所述水下双足步行机器人进行直行运动的方法包括：

20、响应于方波信号的上升沿，所述驱动单元受电场刺激弯曲呈“c”形，并带动所述驱动单元弯曲内侧的所述足部产生定轴旋转，并向所述头部单元所在的前端移动，而所述驱动单元弯曲外侧的所述足部固定不动；

21、响应于方波信号的下降沿，所述驱动单元受电场刺激反向弯曲呈“c”形，并带动所述驱动单元反向弯曲前的外侧所述足部产生定轴旋转，并向所述头部单元所在的前端移动，而所述驱动单元反向弯曲前的内侧的所述足部固定不动。

22、可选地，所述驱动所述水下双足步行机器人进行转向运动的方法包括：

23、响应于方波信号的输入，所述驱动单元受电场刺激弯曲呈“c”形，并带动所述驱动单元弯曲内侧的所述足部产生定轴旋转，而所述驱动单元弯曲外侧的所述足部固定不动；

24、响应于方波信号的断开，所述驱动单元弯曲内侧和外侧的所述足部均固定不动，所述驱动单元自然收缩并带动所述头部单元回摆至直线形。

25、可选地，还包括运动速度的控制方法：

26、当频率一定时，通过调节电场强度大小，控制所述水下双足步行机器人的运动速度随所述电场强度的变化进行正响应变化，并在所述电场强度超过预设阀值后，所述水下双足步行机器人的运动速度达到匀速；

27、当电场强度一定时，通过调节频率大小，控制所述水下双足步行机器人的运动速度随所述频率的变化进行正响应变化，并在所述频率超过预设阀值后，所述水下双足步行机器人的运动速度随所述频率的变化进行负响应变化。

28、与现有技术相比，本发明实施例提供的水下双足步行机器人及运动控制方法有益效果在于：

29、通过采用牛蛙肌肉作为驱动源，相较于其它生物动力源，具有驱动力强，环境适应性强的特定。在此基础上，设置头部单元、行走单元以及控制单元，利用头部单元漂浮在导电溶液中，行走单元沉于导电溶液底部与地面接触，使整个水下双足步行机器人处于前端在液面附近、尾端在溶液底部的状态，使重力与浮力形成了一种稳定平衡，有助于保证水下双足步行机器人在导电溶液中稳定行走。同时，利用信号发生器产生控制机器人所需的方波信号，通过电极在导电溶液中形成电场，以刺激控制牛蛙肌肉的收缩状态，从而控制两个足部的运动，从而实现由一块肌肉驱动，但可以同时执行前进、转向的两种运动模态，且运动的速度、运动的模态可控，相较于传统的脉冲驱动，方波驱动下的机器人具有更高的运动速度。

技术特征：

1.一种水下双足步行机器人，其特征在于，所述水下双足步行机器人包括：

2.根据权利要求1所述的水下双足步行机器人，其特征在于：所述驱动单元为牛蛙的股后三头肌，包括沿其长度方向依次设置的前肌肉段、所述弯钩部位构成的下肌肉段，以及长度小于所述前肌肉段的尾肌肉段，所述前肌肉段的端部和所述头部单元连接，所述下肌肉段的肌肉相对所述前肌肉段的肌肉厚实，且所述下肌肉段外凸的肌肉部位和所述行走单元连接。

3.根据权利要求1所述的水下双足步行机器人，其特征在于：所述头部单元包括外壳和封堵板，所述外壳为仿形子弹头形状的锥形结构，在所述外壳的内部形成有空腔，并在所述外壳的平面端上设置连通所述空腔的装载口，所述封堵板位于所述装载口处和所述外壳的平面端连接，且所述封堵板和所述驱动单元连接。

4.根据权利要求1所述的水下双足步行机器人，其特征在于：所述行走单元还包括基板，所述基板包括位于中部的第一板体，以及位于所述第一板体两侧的第二板体，所述第一板体的顶板面和所述驱动单元的所述弯钩部位连接，两所述第二板体的长度方向呈夹角设置，且两所述第二板体的夹角朝向所述头部单元，两所述足部一一对应连接在所述第二板体的底板面上。

5.根据权利要求4所述的水下双足步行机器人，其特征在于：所述第一板体的顶板面上设置有相对的肌肉挡板，两所述肌肉挡板之间具有供所述弯钩部放置连接的肌肉限位间隙；

6.根据权利要求4所述的水下双足步行机器人，其特征在于：所述足部包括沿其长度方向依次设置的竖直板体、弧形板体以及水平板体，所述竖直板体垂直于所述第二板体，且所述竖直板体的端部和所述第二板体的底板面连接，所述水平板体平行于所述第二板体，且所述弧形板体的外凸面朝向所述行走单元的行走方向；

7.一种运动控制方法，其特征在于，采用权利要求1-6任意一项所述的水下双足步行机器人，所述运动控制方法包括：

8.根据权利要求7所述的运动控制方法，其特征在于，所述驱动所述水下双足步行机器人进行直行运动的方法包括：

9.根据权利要求7所述的运动控制方法，其特征在于，所述驱动所述水下双足步行机器人进行转向运动的方法包括：

10.根据权利要求8所述的运动控制方法，其特征在于，还包括运动速度的控制方法：

技术总结
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种水下双足步行机器人及运动控制方法。水下双足步行机器人包括驱动单元、头部单元、行走单元以及控制单元，驱动单元为解离后肌肉自然收缩呈弯钩状的牛蛙肌肉，头部单元和驱动单元的一端连接，行走单元和驱动单元的弯钩部位连接，包括分布在驱动单元两侧的足部，控制单元包括信号发生器和电极，用于响应方波信号在导电溶液环境中产生电场，控制驱动单元在不同的弯曲模式下带动行走单元进行直行运动或转向运动。本发明利用方波信号刺激控制牛蛙肌肉的收缩状态，能够实现由一块牛蛙肌肉，但可以同时执行前进、转向的两种运动模态，且运动的速度、运动的模态可控，具有更高的运动速度。

技术研发人员：高琳,陈文瑜,武文泽,李涤尘,雷沁霖
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5