本發(fā)明涉及機器人，特別是一種水下雙足步行機器人及運動控制方法。

背景技術(shù)：

1、自然界生物經(jīng)歷了長期的生存競爭和自然選擇，進化出一系列精巧而又性能出眾的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、運動模式和控制策略，一直以來是人造機械的學習對象。生物融合機器人是將生命系統(tǒng)與機械系統(tǒng)有機結(jié)合的新型機器人，既具有生命系統(tǒng)的獨特優(yōu)勢，如能量密度高、能源低廉、本質(zhì)安全性等，又具備機械系統(tǒng)的優(yōu)良特點，如高精準性和可控性等。

2、然而，現(xiàn)有生物融合爬行機器人主要有兩大缺陷：其一，機器人的運動速度較慢。由于生物融合機器人使用肌肉作為自身動力源，而肌肉組織在高頻電刺激下會發(fā)生強直收縮，極大縮短機器人的壽命，因此機器人在只能在低頻刺激信號下工作。而目前常用的低頻脈沖信號下，肌肉收縮時間短，收縮不充分，不能充分發(fā)揮生命驅(qū)動器的運動潛力。此外，機器人的結(jié)構(gòu)設計與刺激信號不能很好的配合，沒有充分發(fā)揮出機器人的仿生學優(yōu)勢；其二，機器人的環(huán)境適應性差。由于生命體的運動性能不穩(wěn)定，且生物融合機器人本身體積小，重量輕，其抗干擾能力較差，容易在微小外界擾動下發(fā)生翻倒等故障。此外，由于肌肉組織在脈沖刺激下僅沿長軸收縮，運動自由度低，因此機器人的運動模態(tài)單一，難以在復雜環(huán)境下進行可控的運動。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種水下雙足步行機器人及運動控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中生物融合爬行機器人運動速度慢，且運動模態(tài)單一的問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明公開了一種水下雙足步行機器人，包括：

4、驅(qū)動單元，所述驅(qū)動單元為解離后肌肉自然收縮呈彎鉤狀的牛蛙肌肉；

5、頭部單元，所述頭部單元和所述驅(qū)動單元的一端連接，且位于導電溶液環(huán)境中時呈漂浮狀態(tài)；

6、行走單元，所述行走單元和所述驅(qū)動單元的彎鉤部位連接，包括分布在所述驅(qū)動單元兩側(cè)的足部，兩所述足部位于導電溶液環(huán)境中時呈和溶液底面接觸的下沉狀態(tài)；

7、控制單元，所述控制單元包括信號發(fā)生器和成對的電極，所述信號發(fā)生器和所述電極連接，用于產(chǎn)生方波信號，所述電極響應于所述方波信號在導電溶液環(huán)境中產(chǎn)生電場，控制所述驅(qū)動單元在不同的彎曲模式下帶動所述行走單元進行直行運動或轉(zhuǎn)向運動。

8、可選地，所述驅(qū)動單元為牛蛙的股后三頭肌，包括沿其長度方向依次設置的前肌肉段、所述彎鉤部位構(gòu)成的下肌肉段，以及長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頭部單元連接，所述下肌肉段的肌肉相對所述前肌肉段的肌肉厚實，且所述下肌肉段外凸的肌肉部位和所述行走單元連接。

9、可選地，所述頭部單元包括外殼和封堵板，所述外殼為仿形子彈頭形狀的錐形結(jié)構(gòu)，在所述外殼的內(nèi)部形成有空腔，并在所述外殼的平面端上設置連通所述空腔的裝載口，所述封堵板位于所述裝載口處和所述外殼的平面端連接，且所述封堵板和所述驅(qū)動單元連接。

10、可選地，所述行走單元還包括基板，所述基板包括位于中部的第一板體，以及位于所述第一板體兩側(cè)的第二板體，所述第一板體的頂板面和所述驅(qū)動單元的所述彎鉤部位連接，兩所述第二板體的長度方向呈夾角設置，且兩所述第二板體的夾角朝向所述頭部單元，兩所述足部一一對應連接在所述第二板體的底板面上。

11、可選地，所述第一板體的頂板面上設置有相對的肌肉擋板，兩所述肌肉擋板之間具有供所述彎鉤部放置連接的肌肉限位間隙；

12、所述第二板體的頂板面上設置有相對的配重擋板，兩所述配重擋板之間具有配重限位間隙，并在兩所述配重擋板之間的配重限位間隙內(nèi)設置有第一配重件。

13、可選地，所述足部包括沿其長度方向依次設置的豎直板體、弧形板體以及水平板體，所述豎直板體垂直于所述第二板體，且所述豎直板體的端部和所述第二板體的底板面連接，所述水平板體平行于所述第二板體，且所述弧形板體的外凸面朝向所述行走單元的行走方向；

14、所述弧形板體的內(nèi)凹面處設置有第二配重件，以使所述足部的重心位于所述弧形板體處。

15、本發(fā)明還公開了一種運動控制方法，采用上述的水下雙足步行機器人，包括：

16、選取導電溶液，將連接好的所述驅(qū)動單元、所述頭部單元以及所述行走單元放置于所述導電溶液內(nèi)，同時連接所述信號發(fā)生器和所述電極，并根據(jù)需求調(diào)整所述電極位于所述導電溶液內(nèi)的位置，并由所述信號發(fā)生器產(chǎn)生50％占空比的方波信號；

17、當兩所述電極位于所述驅(qū)動單元的兩側(cè)時，響應于方波信號的上升沿和下降沿，兩所述電極在導電溶液環(huán)境中產(chǎn)生電場，控制所述驅(qū)動單元向兩側(cè)交替彎曲，并驅(qū)動所述行走單元進行直行運動；

18、當兩所述電極均位于所述驅(qū)動單元的單側(cè)時，響應于方波信號，兩所述電極在導電溶液環(huán)境中產(chǎn)生電場，控制所述驅(qū)動單元向單側(cè)彎曲，并驅(qū)動所述行走單元進行轉(zhuǎn)向運動。

19、可選地，所述驅(qū)動所述水下雙足步行機器人進行直行運動的方法包括：

20、響應于方波信號的上升沿，所述驅(qū)動單元受電場刺激彎曲呈“c”形，并帶動所述驅(qū)動單元彎曲內(nèi)側(cè)的所述足部產(chǎn)生定軸旋轉(zhuǎn)，并向所述頭部單元所在的前端移動，而所述驅(qū)動單元彎曲外側(cè)的所述足部固定不動；

21、響應于方波信號的下降沿，所述驅(qū)動單元受電場刺激反向彎曲呈“c”形，并帶動所述驅(qū)動單元反向彎曲前的外側(cè)所述足部產(chǎn)生定軸旋轉(zhuǎn)，并向所述頭部單元所在的前端移動，而所述驅(qū)動單元反向彎曲前的內(nèi)側(cè)的所述足部固定不動。

22、可選地，所述驅(qū)動所述水下雙足步行機器人進行轉(zhuǎn)向運動的方法包括：

23、響應于方波信號的輸入，所述驅(qū)動單元受電場刺激彎曲呈“c”形，并帶動所述驅(qū)動單元彎曲內(nèi)側(cè)的所述足部產(chǎn)生定軸旋轉(zhuǎn)，而所述驅(qū)動單元彎曲外側(cè)的所述足部固定不動；

24、響應于方波信號的斷開，所述驅(qū)動單元彎曲內(nèi)側(cè)和外側(cè)的所述足部均固定不動，所述驅(qū)動單元自然收縮并帶動所述頭部單元回擺至直線形。

25、可選地，還包括運動速度的控制方法：

26、當頻率一定時，通過調(diào)節(jié)電場強度大小，控制所述水下雙足步行機器人的運動速度隨所述電場強度的變化進行正響應變化，并在所述電場強度超過預設閥值后，所述水下雙足步行機器人的運動速度達到勻速；

27、當電場強度一定時，通過調(diào)節(jié)頻率大小，控制所述水下雙足步行機器人的運動速度隨所述頻率的變化進行正響應變化，并在所述頻率超過預設閥值后，所述水下雙足步行機器人的運動速度隨所述頻率的變化進行負響應變化。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例提供的水下雙足步行機器人及運動控制方法有益效果在于：

29、通過采用牛蛙肌肉作為驅(qū)動源，相較于其它生物動力源，具有驅(qū)動力強，環(huán)境適應性強的特定。在此基礎上，設置頭部單元、行走單元以及控制單元，利用頭部單元漂浮在導電溶液中，行走單元沉于導電溶液底部與地面接觸，使整個水下雙足步行機器人處于前端在液面附近、尾端在溶液底部的狀態(tài)，使重力與浮力形成了一種穩(wěn)定平衡，有助于保證水下雙足步行機器人在導電溶液中穩(wěn)定行走。同時，利用信號發(fā)生器產(chǎn)生控制機器人所需的方波信號，通過電極在導電溶液中形成電場，以刺激控制牛蛙肌肉的收縮狀態(tài)，從而控制兩個足部的運動，從而實現(xiàn)由一塊肌肉驅(qū)動，但可以同時執(zhí)行前進、轉(zhuǎn)向的兩種運動模態(tài)，且運動的速度、運動的模態(tài)可控，相較于傳統(tǒng)的脈沖驅(qū)動，方波驅(qū)動下的機器人具有更高的運動速度。