基于电磁驱动的爬行机器人设计.pdf

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1、Academic学术基于电磁驱动的爬行机器人设计100044公安部第一研究所北京一韩忠华摘要：介绍了一种基于电磁驱动结构的爬行机器人的研究与设计，系统的研究详细的讨论了其行走原理。研究证明该爬行机器人具有结构简单、易于控制、稳定性好等优点。引言i．结构组成与驱动原理速度快、功率密度高等优点，但需要外置高压爬行机器人是机器人领域重要的发展分支。i．1结构组成气源，难以去除拖尾和实现小型化；SMA驱动是近年来，国内外学者对尺蠖、蛇、蚯蚓等生物爬行机器人是一个具有应用价值的行走平利用形状记忆合金的特性，通过控制S

2、MA弹簧在复杂环境下有效运动机制展开了大量研究，台，整体设计应满足扩展功能和运动功能的需上电流的通断来实现伸缩变形，功率密度高、根据其运动原理设计出尺蠖式、蛇形、蠕动式求，所以其总体设计应兼顾扩展应用接口和运驱动力大，但其响应速度慢、效率低，并且易等多种类型仿生爬行机器人。除了传统的刚性动平台Ⅲ。于老化。结构，自由度更高、适应性更强的软体柔性结该爬行机器人由头部、中间部和尾部三部基于现有研究，本文提出一种基于电磁铁构也不断被尝试应用，并取得了良好的效果。分构成，典型结构如图i所示。头部、中间部磁力的驱动方式

3、，其驱动器是机器人本体每个爬行机器人的驱动方式较多，如常规的电和尾部三个单元内都并列安装两个电磁模块，单元都并排安装的、总体串联分布的电磁模块。机驱动、记忆合金驱动(SMA)、气动、电活性相互配合、协调动作进行驱动。头部、尾部单电磁模块采用常规的铁芯漆包线结构，上电后聚合物驱动和化学驱动等。借助以上驱动方式，元结构类似，分别位于机器人的两端，其中头周围会产生有极性的磁场分布。将一组两个电仿生爬行机器人可以完成蜿蜒或伸缩等基本动部搭载应用模块(如摄像头)和控制电路，尾磁铁串联在一起，通过改变上电电流方向，可作

4、，实现本身的行走。部搭载电池为机器人提供能源。中间部由一至以使电磁模块极性呈现Ns—Ns或NSSN形式排值得指出的是，对仿生类爬行机器人的研多个可拆装的驱动单元组成。每个单元都设计列，相互间产生电磁引力或斥力来实现吸合或究紧密结合了其实际应用需求。如：针对狭小、有与爬行表面接触的足部，提供爬行所需的摩分离的动作，完成爬行所需的伸缩运动。粗糙、陡峭、崎岖的复杂环境下(如灾难废墟内)擦力。所有单元之间采用软弹簧式柔性连接，2．运动步态分析探寻、搜救等应用，研发了稳定性好、横截面小、可完成任意角度的转弯动作。将该

5、爬行机器人的头部、中间部和尾部自由度高的蛇形机器人“；针对工业管道的监1．2驱动方式三个单元分别编号为1、2、3，未上电时，由测、检修等应用，研发了简单紧凑、运行平稳、爬行机器人常用的驱动方式有电机驱动、于三个单元质量及与地面接触面积的差别，可靠性高的尺蠖式机器人；而在医疗领域，气动、SMA驱动三种。电机驱动利用各种电机产可设定此时三个单元与地面的最大静摩擦力适合柔软、弯曲环境下的运动蠕动式机器人得生的力或转矩，经过传动机构直接驱动负载，f⋯：f⋯。>f。各个单元之间的柔性弹簧仅起到了良好的应用与发展。获得

6、要求的机器人运动，运动精度高、响应快、连接作用，在运动过程中产生的变形反弹力可本文针对狭小的平面使用环境，设计了一易于控制，是应用最普遍的驱动方式，但也设定为忽略不计。种基于电磁驱动的爬行机器人，结构简单，控存在机械结构过于复杂、成本高、维护难度大2．1直线行走制简便，横截面积小，行走效率高，适合在缝等缺点；气动方式则通过对机器人柔性腔体充系统上电时，机器人三个单元吸合在一起，隙中穿行。放气，致使其发生发杂的变形运动，具有反应定义为初始状态。直线行走时，可以将每个单元中并排的两个电磁模块极性同步变化。从图2

7、不难看出，其运动机理可分为以下三步：(1)改变单元1电磁模块电流方向使其磁极反向，此时单元1受单元2、3的电磁斥力F，，同时单元2、3受反向电磁斥力=F。当ffm~~3>F>f时，单元1开始向前运动，单元2、3仍吸合在一起保持静止。此步骤完成后，机器人实现状态1；(2)改变单元2电磁模块电流方向使其磁厂__-极反向，此时单元2受单元l的电磁引力’和单元3的电磁斥力F，’，即其所受合力F2=F，+F2；同时单元1受反向电磁引力F=F’单元3受反向电磁斥力F。=。当F>f⋯、＼>L—<—慨×Fl

8、元2开始向前运动与单元1吸合，单元1、3保持静止。此步骤完成后，机器人实现状态2；(3)改变单元3电磁模块电流方向使其图1电磁驱动爬行机器人基本结构磁极反向，此时单元3受单元1、2的电磁引力94MachineChina中国机械