一种基于碳纤维折纸技术构建的微型仿蜥蜴机器人

本发明属于折纸机器人技术领域，具体涉及一种基于碳纤维折纸技术构建的微型仿蜥蜴机器人。

背景技术：

凭借对恶劣地形的强适应性，四足机器人已经成为当今移动机器人研究的热点，其研究深具社会意义和实用价值。在松软地面或崎岖不平的地形上行驶时，轮式机器人的移动效率大大降低甚至无法移动，而足式机器人可以在非结构化和恶劣的环境中工作。四足机器人因其稳定性和适用性可以在野外环境下执行运输任务，复杂危险环境下的侦察任务，推进对动物的仿生研究等任务。目前，波士顿动力的四足仿生机器人和mit的各系列四足仿生机器人在平衡能力，跳跃和奔跑能力上优异，并拥有一定的负重能力。

微型机器人具有体积小、质量轻、推重比大、灵活度高等优点，按照尺寸可分为两类：第一类是纳米至微米尺寸的机器人，一般由外力驱动，主要用于生物医疗等领域；第二类是微米至厘米尺寸的机器人，这类机器人尺寸稍大，可搭载通信、控制、监测等负载，能按照预编程的路线点前进，并在人工监督下完成任务。微型机器人能够完成类似昆虫的爬行、滑动、滚动、跳跃或飞行等动作，可躲避障碍，投掷、举起、拉动物体，并爬上斜坡，尤其适合在中大型机器人和无人平台难以部署的环境中工作，例如，大规模分布式隐秘监测网络构建、狭窄缝隙环境侦察、精密制造过程监控、基础设施检查、火星表面探索、设备维护等。

“许多机器如果制造得更小，就可以实现更高的性能和经济性。然而，当缩小到毫米和微米尺寸时，新的挑战出现在它们的结构中。”，论文《pop-upbookmems》于2011年中如此写道。实际上说，现阶段人类在大型或中型尺寸机械设计已经取得了极其辉煌的成就，而当视野缩放到毫米或者说是微米级别的机械设计，传统工艺已经不再适用于这些结构设计。如何能够高效构建具有优良机械性能的微尺度机械结构成了构建微系统的一大挑战。

立体书mems技术主要受微电子技术以及折纸的思想影响，通过碳纤维以及聚酰亚胺薄膜构建出微小的立体机械结构。其优势在于能够实现低成本，低质量，高强度，高频率的微小机械结构。为诸多微系统结构提供了机械方面的支撑。

综上所述，现有的微小机器人设计仍存在很多发展的可能，例如尺寸改进，驱动器优化与以及材质创新等方向。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于碳纤维折纸技术构建的微型仿蜥蜴机器人，可以实现两个自由度运动。

一种基于碳纤维折纸技术构建的微型仿蜥蜴机器，包括腿关节(1)、运动合成器(2)、运动基座(3)、压电陶瓷芯片(4)、躯干结构(5)，运动基座(3)固定在躯干结构(5)上，腿关节(1)通过运动基座(3)连接在躯干结构(5)上；

运动基座(3)外侧设置有3个连接点，上端为第二连接点(32)，下端两侧分别设置第一连接点(31)和第三连接点(33)；

运动合成器(2)包括第一压电陶瓷连接机构(21)、第一放大连杆(22)、第一放大端头(23)、第一放大输出(231)、第一运动合成输出结构(24)、第二运动合成输出结构(25)、第二放大端头(26)、第二放大输出结构(261)、第二放大连杆(27)、第三放大连杆(28)以及第二压电陶瓷连接机构(29)；

第一压电陶瓷连接机构(21)与第一放大连杆(22)铰接，第一放大连杆(22)与第一放大端头(23)铰接，第一放大端头(23)与第一连接点(31)铰接；第二压电陶瓷连接机构(29)与第三放大连杆(28)铰接，第二放大连杆(27)与第三放大连杆(28)铰接，第二放大连杆(27)与第二放大端头(26)铰接，第二放大端头(26)与第二连接点(32)铰接；第一放大端头(23)与第一放大输出(231)固连，第一放大输出(231)与第一运动合成输出结构(24)铰接、第一运动合成输出结构(24)与第二运动合成输出结构(25)铰接，第二运动合成输出结构(25)与第二放大输出结构(261)铰接，第二放大端头(26)与第二放大输出结构(261)固连，构成球面五杆机构；

所述压电陶瓷芯片(4)包括第一压电陶瓷(41)和第二压电陶瓷(42)，平行固定在躯干结构(5)上；第一压电陶瓷连接机构(21)连接第一压电陶瓷(41),第二压电陶瓷连接器29自由端固定连接第二压电陶瓷(42)；

所述腿关节(1)包括支腿连接结构(11)、支腿(12)、支腿运动连接结构(13)以及四个运动关节；支腿连接结构(11)通过第一运动关节(14)与运动基座(3)的第三接头(33)铰接，支腿(12)内侧的两端分别通过第二运动关节(15)和第三运动关节(16)与支腿连接结构(11)铰接；第一、第二以及第三运动关节均与y轴平行，三个运动关节与第二放大连杆(27)构成四连杆结构；

支腿运动连接结构(13)一端通过第四运动关节(17)与支腿连接结构(11)铰接，第四运动关节(17)平行于x-z平面；支腿运动连接结构(13)的另一端连接运动合成器(2)的第一运动合成输出结构(24)；

其中，定义直角坐标系xyz，原点位置任意，x轴沿躯干结构(5)的对称轴方向，z轴垂直x轴，在水平面内，y轴垂直xz所在平面。

进一步的，支腿连接结构(11)在第一运动关节(14)和第二运动关节(16)之间的结构上设置有一个平行连杆机构(18)，平行连杆机构(18)中的四个连杆平行于x-z平面，可允许支腿(12)沿y轴上下运动。

较佳的，第一放大输出(231)围绕y轴旋转使得第一运动合成输出结构(24)围绕y轴旋转，第二放大输出结构(261)围绕z轴旋转牵连第二运动合成输出结构(25)围绕z轴旋转从而驱动第一运动合成输出结构(24)围绕z轴旋转。由此始得第一运动合成输出结构(24)具有围绕y轴旋转和z轴旋转的两个自由度，并分别由第一放大端头(23)和第二放大端头(26)驱动运动。

较佳的，第一压电陶瓷连接机构(21)、第一放大连杆(22)、第一放大端头(23)、第一放大输出(231)以及运动基座上的第一连接点(31)构成第一滑块连杆机构；第一压电陶瓷(41)驱动第一滑块连杆结构，使其最终输出沿y轴方向的往复运动。

较佳的，第二压电陶瓷连接机构(29)、第二放大连杆(27)、第二放大端头(26)、第二放大输出结构(261)以及第三连接点(33)构成第二滑块连杆机构；第二压电陶瓷(42)驱动第二滑块连杆机构，使其最终输出x轴方向的往复运动。

本发明具有如下有益效果：

本发明的一种基于碳纤维折纸技术构建的微型仿蜥蜴机器人，依靠运动合成机构可以合成两片压电陶瓷的运动，获得具有两自由度运动效果的腿部结构；依靠腿关节连杆结构，提高了整体结构的运动行程；依靠腿关节连杆结构，适当调节腿关节尺寸，可以规划出不同的运动轨迹；依靠碳纤维折纸结构，始得整体结构极其小巧且轻盈。

附图说明

图1为本发明的微型仿蜥蜴机器人的整体结构示意图；

图2为本发明的微型仿蜥蜴机器人的局部结构示意图；

图3为本发明的微型仿蜥蜴机器人运动基座与躯干结构连接示意图；

图4(a)为本发明的微型仿蜥蜴机器人的运动合成器的结构示意图；

图4(b)为本发明的微型仿蜥蜴机器人的运动合成器的结构示意图；

图4(c)本发明的微型仿蜥蜴机器人的运动合成器的局部结构示意图；

图4(d)为运动合成器简化成球面五杆机构的局部示意图；

图4(e)为运动合成器简化成球面五杆机构的局部示意图；

图5为腿关节的结构示意图；

图6(a)为压电陶瓷安装的位置关系示意图；

图6(b)为两套运动放大器的结构示意图；

图6(c)为其中一套运动放大器的结构示意图；

图6(d)为运动放大器的局部放大图；

图6(e)为简化后运动放大器的原理图；

图6(f)为运动放大器的动作原理图；

1-腿关节；2-运动合成器；3-运动基座；41-第一压电陶瓷；42-第二压电陶瓷；5-躯干结构；11-支腿连接结构；12-支腿；13-支腿运动连接结构；14-第一运动关节；15-第二运动关节；16-第三运动关节；17-第四运动关节17；18-平行连杆机构；21-第一压电陶瓷连接机构；22-第一放大连杆；23-第一放大端头；231-第一放大输出结构；24-第一运动合成输出结构；25-第二运动合成输出结构；26-第二放大端头；261-第二放大输出结构；27-第二放大连杆；28-第三放大连杆；29-第二压电陶瓷连接器；31-第一连接点，32-第二连接点，33-第三连接点；41-第一压电陶瓷，42-第二压电陶瓷。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提出了一种基于碳纤维折纸技术构建的微型仿蜥蜴机器人，通过pc-mems工艺，使用碳纤维、丙烯酸、聚酰亚胺材料构建碳纤维折纸结构，通过皮秒激光加工设备对片材材料进行加工，并通过立体成型并组装至电路板上，构建微小型仿生机器人，解决现阶段腿足式机器人体型笨重、运动缓慢不稳定、生产成本高等问题。

如图1和2所示，本发明的机器人包括腿关节1、运动合成器2、运动基座3、压电陶瓷芯片4、躯干结构5；定义直角坐标系xyz，原点位置任意，x轴沿躯干结构5的对称轴方向，z轴垂直x轴，在水平面内，y轴垂直xz所在平面。

如图3所示，运动基座3固定在躯干结构5上，腿关节1通过运动基座3连接在躯干结构5上。

运动基座3外侧设置有3个连接点，上端为第二连接点32，下端两侧分别设置第一连接点31和第三连接点33。

如图4(a)、4(b)和4(c)所示，采用现有的运动合成器2，其承担运动合成功能，包括第一压电陶瓷连接机构21、第一放大连杆22、第一放大端头23、第一放大输出231、第一运动合成输出结构24、第二运动合成输出结构25、第二放大端头26、第二放大输出结构261、第二放大连杆27、第三放大连杆28以及第二压电陶瓷连接机构29。

如图4(a)、图4(b)所示，第一压电陶瓷连接机构21与第一放大连杆22铰接，第一放大连杆22与第一放大端头23铰接，第一放大端头23与第一连接点31铰接。第二压电陶瓷连接机构29与第三放大连杆28铰接，第二放大连杆27与第三放大连杆28铰接，第二放大连杆27与第二放大端头26铰接，第二放大端头26与第二连接点32铰接。第一放大端头23与第一放大输出231固连，第一放大输出231与第一运动合成输出结构24铰接、第一运动合成输出结构24与第二运动合成输出结构25铰接，第二运动合成输出结构25与第二放大输出结构261铰接，第二放大端头26与第二放大输出结构261固连，构成球面五杆机构。

如图4(d)和4(e)所述，第一放大输出231围绕y轴旋转使得第一运动合成输出结构24围绕y轴旋转，第二放大输出结构261围绕z轴旋转牵连第二运动合成输出结构25围绕z轴旋转从而驱动第一运动合成输出结构24围绕z轴旋转。由此始得第一运动合成输出结构24具有围绕y轴旋转和z轴旋转的两个自由度，并分别由第一放大端头23和第二放大端头26驱动运动。

如图5所示，腿关节1包括支腿连接结构11、支腿12、支腿运动连接结构13、四个运动关节；支腿连接结构11通过第一运动关节14与运动基座3的第三接头33铰接，支腿12内侧的两端分别通过第二运动关节15和第三运动关16与支腿连接结构11铰接；第一、第二以及第三运动关节均与y轴平行，三个运动关节与第二放大连杆27构成四连杆结构，由于第一运动关节14和第二放大连杆27连接在运动基座3上，相对躯干结构5不动，当运动通过支腿运动连接结构13传递到支腿关节时，第二运动关节15、第三运动关节16前后摆动，最终使得支腿12前后摆动。

支腿运动连接结构13一端通过第四运动关节17与支腿连接结构11铰接，第四运动关节17平行于x-z平面；支腿运动连接结构13的另一端连接运动合成器2的第一运动合成输出结构24；支腿连接结构11在第一运动关节14和第二运动关节16之间的结构上设置有一个平行连杆机构18，四个连杆平行于x-z平面，可允许支腿12沿y轴上下运动。

如图6(a)、6(b)所示，压电陶瓷芯片4包括第一压电陶瓷41和第二压电陶瓷42，平行固定在躯干结构5上。

如图6(c)、6(d)所示，第一压电陶瓷连接机构21、第一放大连杆22、第一放大端头23、第一放大输出231以及运动基座上的第一连接点31构成第一滑块连杆机构；第二压电陶瓷连接机构29、第二放大连杆27、第二放大端头26、第二放大输出结构261以及第三连接点33构成第二滑块连杆机构；第一压电陶瓷41驱动第一滑块连杆结构，使其最终输出沿y轴方向的往复运动，第二压电陶瓷42驱动第二滑块连杆机构，使其最终输出x轴方向的往复运动。

如图6(e)和6(f)所示，由于第一压电陶瓷连接机构21连接第一压电陶瓷41,第一放大端头23铰接运动基座3上的第一连接点31；当压电陶瓷41前端摆动，带动第一压电陶瓷连接机构21和第一放大连杆22前后移动，导致第一放大端头23摆动，最终带动第一放大端头23上的第一放大输出231摆动；第一放大输出231与第一运动合成输出结构24的一端铰接；第一运动合成输出结构24与第一放大输出231连接的一端再与支腿运动连接结构13连接；支腿运动连接结构13带动支腿12沿x轴前、后运动。

第二压电陶瓷连接器29自由端固定连接第二压电陶瓷42，第二压电陶瓷连接器29、第三放大连杆28、第二放大连杆27、第二放大输出结构261顺次铰接；第二放大输出结构261另一端连接第二运动合成输出结构25；第一运动合成输出结构24和第二运动合成输出结构25铰接；第二放大输出结构261固定连接第二放大输出端口26；第二压电陶瓷42前端摆动，依次传递，带动第二放大输出结构261摆动，运动再由第二运动合成输出结构25传递到第一运动合成输出结构24，最终带动支腿运动连接结构13在沿y轴上、下运动。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。