CN105500380A - 串并融合伪足软体机器人 - Google Patents

Abstract

一种串并融合伪足软体机器人，包括基节、前端盖和后端盖，所述基节的前端使用前端盖封闭，所述基节的尾端使用后端盖封闭，所述基节包含弹性基体和韧性芯轴，所述弹性基体开有多个轴向孔，中心部位为圆形通孔，所述圆形通孔塞入韧性轴芯，所述弹性基体与韧性芯轴相互连接；所述弹性基体的轴向孔外壁嵌入约束弹簧所述韧性芯轴前端开有中心微型孔洞，所述中心微型孔洞延伸到与并联微型孔、串联微型孔相接，微型气管会分别插入中心微型孔、并联微型孔和串联微型孔中。本发明提出了一种有效实现多角度、多姿态的运动、适用性良好的串并融合伪足软体机器人。

Description

串并融合伪足软体机器人

技术领域

本发明涉及一种应用于废墟搜救、微型管道内的检测和操作等非结构工作环境中作业的软体机器人。

背景技术

软体机器人是在研究人员为了解决现有工业机器人高度依赖结构化的工作环境、高精度的数学建模等缺陷上提出的一种新概念。软体机器人是生物仿生的延续，其设计灵感来源于自然界结构奇异的生物，即：研究某一种生物特有的运动特点、生物结构进行数学上的建模、运动学和动力学的分析、机械形式的转化和步态的研究，以此为基础来进行软体机器人的研制和开发，例如蛇形机器人、象鼻机器人、章鱼机器人、蚯蚓机器人、海星机器人、仿毛虫机器人、尺蠖机器人、鱼型机器人、海豚型机器人，等。

软体机器人本身由柔性材料构成，其驱动方式一般采用高压气体驱动-气体具有压缩性能好，便于控制的特点。因而软体机器人可以具有普通刚性机器人所不具有的特性-超冗余自由度甚至无限自由度、极大的伸缩性、柔顺行和可弯曲性。这使得软体机器人可以在绝大部分传统机器人所不能胜任的领域进行作业-非结构化的工作环境。

发生的灾难性事件如山体滑坡，可能会造成受灾群众被掩埋在废墟之下。而且很多被掩埋者并不是发生滑坡当时就遇难的，而是由于在废墟之中无法得到新鲜的氧气、水分或者食物，因为得不到必要生存物资而不幸遇难。这种情况下传统机器人没法做到输送生存物资，但软体机器人所具有的高度柔顺性，可伸缩和弯曲的能力，引起了很多研究者的注意。

对于非结构工作环境作业的软体机器人国家发明专利授权公告号CN102922528B公开了北京化工大学研究的一种使用磁性材料的软体机器人，其包括基体，微分磁性刚性单元、控制电源和控制电路。由于其控制电源和控制电路需要嵌入在软体机器人中，结构较为复杂，且软体机器人内部装有大量刚性材料-微分磁性刚性单元，对软体机器人加工制作提出了较大的要求。而且软体机器人是自身携带电源的，磁性材料的通断需要消耗大量电能，该软体机器人所能运动的距离是非常有限的，软体机器人得到的信息很难与上位机进行实时交互。

对于非结构工作环境作业的软体机器人国家发明专利授权公告号申请公布号CN105150214A公开了本实验室的一种使用钢丝驱动器控制的刚度独立可调的软体机器人，钢丝驱动是一类柔索驱动装置相较于气动驱动来说，柔索驱动需要额外的空间安装其柔索驱动电机，这对于本身已软体材料制作的软体机器人来说在安装上产生了极大的不便之处，而且柔索驱动难以达到多角度、多姿态的运动。

发明内容

为了克服已有的软体机器人的难以实现多角度、多姿态的运动、适用性较差的不足，本发明提出了一种有效实现多角度、多姿态的运动、适用性良好的串并融合伪足软体机器人。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种串并融合伪足软体机器人，包括基节、前端盖和后端盖，所述基节的前端使用前端盖封闭，所述基节的尾端使用后端盖封闭，所述基节包含弹性基体和韧性芯轴，所述弹性基体开有多个轴向孔，中心部位为圆形通孔，所述圆形通孔塞入韧性轴芯，所述弹性基体与韧性芯轴相互连接；

所述轴向孔包含2类气腔，分别为并联驱动气腔和串联驱动气腔，所述并联驱动气腔为弹性基体所开出的轴向通孔，其截面采用弧形，在弹性基体横截面上等弧度均匀分布；所述并联驱动气腔内壁中心开有用以插入微型气管的并联微型孔，所述并联微型孔会延伸到韧性芯轴；所述串联驱动气腔的截面采用弧形，在弹性基体的轴向方向上中间部位设有隔断形成两个等长度轴向一致的串联子气腔，两个串联子气腔互相无通路，每个串联子气腔内壁中心开有用以插入微型气管的串联微型孔，所述串联微型孔会中心延伸到韧性芯轴；

所述弹性基体的轴向孔外壁嵌入约束弹簧；

所述韧性芯轴前端开有中心微型孔洞，所述中心微型孔洞延伸到与并联微型孔、串联微型孔相接，微型气管会分别插入中心微型孔、并联微型孔和串联微型孔中。

进一步，所述韧性芯轴与弹性基体相互粘合。

再进一步，所述前端盖包含前端盖伪足气腔，所述前端盖伪足气腔为前端盖内开出的封闭腔体，其截面采用弧形，在前端盖横截面上等弧度均匀分布；所述前端盖伪足气腔内壁中心开有前端盖微型孔，所述前端盖微型孔会延伸到韧性芯轴，用以插入前端盖伪足微型气管；

所述后端盖包含后端盖伪足气腔，所述后端盖伪足气腔为后端盖内开出的封闭腔体，其截面采用弧形，在后端盖横截面上等弧度均匀分布；所述后端盖伪足气腔内壁中心开有后端盖微型孔，所述后端盖微型孔会延伸到韧性芯轴，用以插入后端盖伪足微型气管。

更进一步，所述前端盖与弹性基体的前段粘合，所述后端盖与弹性基体的后端粘合。

所述串联驱动气腔和并联驱动气腔均选用3个，并且6个弧形气腔在所述弹性基体横截面上等面积均匀分布，弧形截面的角度为40°。

本发明的技术构思为：本发明串并融合伪足软体机器人是仿生软体机器人的可变刚度模块(授权公告号CN104227721B)的基础上，结合软体机器人的刚度可调控，在结构上创新性的设计两类气缸，协同耦合动作模式，可以更容易实现软体机器人的多角度，多弯曲形式的变形，尤其可以实现一种双弯曲的运动姿态，并且在运动姿态创新基础上，还对端盖进行新型的结构设计，设置了伪足气腔，在动作状态下其形状酷似昆虫脚足，该软体机器人可以具有仿昆虫的运动步态。

通过选择不同类型的驱动气腔，再进一步选择不同位置的串联、并联驱动气腔通入高压气体，更进一步调节通入高压气体的气压大小，从而控制某个位置的驱动气腔的进行伸展到某一定长度尺寸，由于不对称位置的驱动气腔的伸展，会受到整体结构的牵连作用的影响，为了满足整体结构的力矩平衡，那么整个软体机器人就会发生可控角度的弯曲，而且本发明设计的软体机器人由于设置串并融合的驱动气腔的驱动模式，可以实现对软体机器人任意角度的双弯曲形式。

所述前端盖包含前端盖伪足气腔，所述前端盖伪足气腔为前端盖内开出的封闭腔体，其截面采用弧形，在前端盖横截面上等弧度均匀分布。所述前端盖伪足气腔内壁中心开有前端盖微型孔，所述前端盖微型孔会延伸到韧性芯轴，用以插入前端盖伪足微型气管。所述后端盖与前端盖完全一样，所述后端盖包含后端盖伪足气腔，所述后端盖伪足气腔为后端盖内开出的封闭腔体，其截面采用弧形，在后端盖横截面上等弧度均匀分布。所述后端盖伪足气腔内壁中心开有后端盖微型孔，所述后端盖微型孔会延伸到韧性芯轴，用以插入后端盖伪足微型气管。所述伪足驱动气腔与弹性基体包含的2类驱动气腔相似，不同之处在于伪足驱动气腔外壁没有嵌入约束弹簧，当高压气体充入伪足气腔，由于端盖选用伸展性较好的材料，那么伪足气腔会向外壁发生膨胀，形状类似昆虫的足。

本发明有益效果表现在：所述串并融合伪足软体机器人的端盖设计有符合软体材料特性和气动特性的仿生伪足结构；该软体机器人的基节设计有并联驱动气腔和串联驱动气腔，通过不同位置的驱动气腔进行选择并控制通入的高压气体的压力大小，可以实现软体机器人的任意角度的双弯曲形态。仿生伪足与基节相结合，可以实现串并融合伪足软体机器人类蛇爬行。由于串并融合伪足软体机器人具有现刚性机器人所不具备的多项优点：柔顺行、适应性和安全性，可以深入到大量非结构环境中去：前段安装摄像头，可以作为军事侦察、内窥镜的作用，韧性芯轴中部开通孔，可以实现液态物资的运输等用途。

附图说明

图1是串并融合伪足软体机器人的结构示意图。

图2是串并融合伪足软体机器人的弹性基体横截面的结构示意图。

图3是串并融合伪足软体机器人的前端盖横截面的结构示意图。

图4是串并融合伪足软体机器人的气路示意图。

图5是串并融合伪足软体机器人的前端3个伪足气腔充入高压气体膨胀后横截面结构示意图。

图6是串并融合伪足软体机器人的前段单串联驱动气腔充入高压气体发生弯曲的结构示意图。

图7是串并融合伪足软体机器人的前段、后段同组的单串联驱动气腔充入高压气体发生弯曲的结构示意图。

图8是串并融合伪足软体机器人的单并联驱动气腔充入高压气体发生弯曲的结构示意图。

图9是串并融合伪足软体机器人的前段、后端非同组的单串联驱动气腔充入高压气体弯曲的结构示意图。

图10是串并融合伪足软体机器人的水平移动的仿毛虫运动步态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1～图10，一种串并融合伪足软体机器人，包括基节、前端盖3和后端盖4，所述基节的前端使用前端盖3封闭，所述基节的尾端使用后端盖4封闭。所述基节包含弹性基体1和韧性芯轴2，所述弹性基体开有多个轴向孔，中心部位为圆形通孔，所述圆形通孔塞入韧性轴芯，所述弹性基体1与韧性芯轴2相互粘连。

如图2、4所示，本发明串并融合伪足软体机器人，包含弹性基体1包含2类气腔，分别为并联驱动气腔6和串联驱动气腔7。所述并联驱动气腔6为弹性基体1所开出的轴向通孔，其截面采用弧形，在弹性基体1横截面上等弧度均匀分布。所述并联驱动气腔6内壁中心开有并联微型孔18，所述微型孔18会延伸到韧性芯轴2，用以插入并联驱动气腔微型气管12。所述串联驱动气腔7其截面形状与并联驱动气腔6一致，但在弹性基体2的轴向方向上，串联驱动气腔7在并联驱动气腔6轴向通孔的基础上中间部位存在隔断16，所述隔断16为弹性基体1一部分，形成两个等长度轴向一致的串联结构：前串联子气腔71与后串联子气腔72。所述前串联子气腔71与后串联子气腔72互相无通路，与并联驱动气腔6类似，2类串联驱动气腔6内壁中心均开有微型孔，分为别前串联微型孔19与后串联驱动气腔，所述串联微型孔19会中心延伸到韧性芯轴2，用以分别插入插入前串联驱动气腔微型气管13与后串联驱动气腔14。2类驱动气腔的外壁和内壁半径分别相等。所述弹性基体1的2类驱动气腔外壁嵌入约束弹簧10。本实施例中所述串联驱动气腔7和并联驱动气腔6均选用3个，并且6个弧形气腔在所述弹性基体横截面上等面积均匀分布，弧形截面的角度为40°。

所述韧性芯轴2前端开有微型孔洞，微型孔洞延伸到与上述弹性基体1的微型孔一致，用以插入微型气管，微型气管会分别插入上述微型孔中。所述高压气体通过微型气管，通过微型孔，分别通入各个驱动气腔。

如图3、4，所述前端盖3包含前端盖伪足气腔5，所述前端盖伪足气腔5为前端盖3内开出的封闭腔体，其截面采用弧形，在前端盖横截面上等弧度均匀分布。所述前端盖伪足气腔5内壁中心开有前端盖微型孔17，所述前端盖微型孔17会延伸到韧性芯轴2，用以插入前端盖伪足微型气管11。所述后端盖与前端盖完全一样，所述后端盖4包含后端盖伪足气腔9，所述后端盖伪足气腔9为后端盖4内开出的封闭腔体，其截面采用弧形，在后端盖横截面上等弧度均匀分布。所述后端盖伪足气腔9内壁中心开有后端盖微型孔20，所述后端盖微型孔20会延伸到韧性芯轴2，用以插入后端盖伪足微型气管15。

如图5所述伪足驱动气腔与弹性基体包含的2类驱动气腔相似，不同之处在于伪足驱动气腔外壁没有嵌入约束弹簧，当高压气体充入伪足气腔，由于端盖选用伸展性较好的材料，那么伪足气腔会向外壁发生膨胀，形状类似昆虫的足。

所述前端盖3与弹性基体2的前段粘合，所述后端盖4与弹性基体2的后端粘合，从而可使弹性基体2所包含串联驱动气腔7和并联驱动气腔6形成封闭气腔。当充入高压气体时，由于外壁的约束弹簧、基节中心的韧性芯轴和前、后端盖的限制作用，驱动气腔会发生轴向伸展，伸展的过程中，由于需要满足整体的力矩平衡，从而整个串并融合伪足软体机器人会发生弯曲。

所述并联驱动气腔6和串联驱动气腔7，通过选择不同类型的驱动气腔，再进一步选择不同位置的串联、并联驱动气腔通入高压气体，更进一步调节通入高压气体的气压大小，从而控制某个位置的驱动气腔的进行伸展到某一定长度尺寸，由于不对称位置的驱动气腔的伸展，会受到整体结构的牵连作用的影响，为了满足整体结构的力矩平衡，那么整个软体机器人就会发生可控角度的弯曲，而且本发明设计的软体机器人由于设置串并融合的驱动气腔的驱动模式，可以实现对软体机器人任意角度的双弯曲形式。

作为优选所述韧性芯轴前段开有微型孔洞数为15，分别用以连接3个并联驱动气腔、3组串联驱动气腔(每组2个)、3个前端盖伪足气腔和3个后端盖伪足气腔。

如图6所示，串并融合伪足软体机器人的前段单串联驱动气腔充入高压气体发生弯曲的结构示意图，图示弯曲形式为前端盖3伪足气腔处于非动作状态，弹性基体内并联驱动气腔6均处于非动作状态，前段串联驱动气腔71包含第一前段串联驱动气腔711，第二前段串联驱动气腔712，第三前段串联驱动气腔713，其中仅第一前段串联驱动气腔711充入高压气体，第二、第三前段串联驱动气腔处于非工作状态，由于第一前段串联驱动气腔711充入高压气体会发生伸展，但由于上述伸展为轴向非对称分布，因此改伸展会受到弹性基体1、端盖和韧性芯轴2的限制作用，并为了满足力矩平衡而发生弯曲现象，上述弯曲现象仅有第一前段串联驱动气腔711产生仅对串并融合伪足软体机器人前段发生弯曲，对后端无明显影响。后端串联驱动气腔72与前端串联驱动气腔71形态一致，同样包含第一后端串联驱动气腔721，第二后端串联驱动气腔722，第三后端串联驱动气腔723，在图示弯曲形式中后段弹性基体依然保持直线状态，由于后端串联驱动气腔72均处于非工作状态，均为冲入高压气体。后端盖4伪足气腔处于非动作状态。

如图7所示，串并融合伪足软体机器人的前段、后段同组的单串联驱动气腔充入高压气体发生弯曲的结构示意图，图示弯曲形式为前端盖3伪足气腔处于非动作状态，弹性基体内并联驱动气腔6均处于非动作状态，前段串联驱动气腔71包含第一前段串联驱动气腔711，第二前段串联驱动气腔712，第三前段串联驱动气腔713，其中仅第一前段串联驱动气腔711充入高压气体，第二、第三前段串联驱动气腔处于非工作状态，由于第一前段串联驱动气腔711充入高压气体会发生伸展，但由于上述伸展为轴向非对称分布，因此改伸展会受到弹性基体1、端盖和韧性芯轴2的限制作用，并为了满足力矩平衡而发生弯曲现象，上述弯曲现象仅有第一前段串联驱动气腔711产生仅对串并融合伪足软体机器人前段发生弯曲，对后端无明显影响。后段串联驱动气腔72包含第一后段串联驱动气腔721，第二后段串联驱动气腔722，第三后段串联驱动气腔723，其中仅第一后段串联驱动气腔721充入高压气体，第二、第三后段串联驱动气腔处于非工作状态，由于第一后段串联驱动气腔721充入高压气体会发生伸展，但由于上述伸展为轴向非对称分布，因此改伸展会受到弹性基体1、端盖和韧性芯轴2的限制作用，并为了满足力矩平衡而发生弯曲现象，上述弯曲现象仅有第一后段串联驱动气腔721产生仅对串并融合伪足软体机器人后段发生弯曲，对前端无明显影响。上述前段、后端弹性基体的弯曲处在同一平面内。后端盖4伪足气腔处于非动作状态。

如图8所示，串并融合伪足软体机器人的单并联驱动气腔充入高压气体发生弯曲的结构示意图。图示弯曲形式为前端盖3伪足气腔处于非动作状态，弹性基体内串联驱动气腔7均处于非动作状态，并联驱动气腔6包含第一并联驱动气腔61，第二并联驱动气腔62，第三并联驱动气腔63，其中仅第一并联驱动气腔61充入高压气体，第二、第三并联驱动气腔处于非工作状态，由于第一并联驱动气腔61充入高压气体会发生伸展，但由于上述伸展为轴向非对称分布，因此改伸展会受到弹性基体1、端盖和韧性芯轴2的限制作用，并为了满足力矩平衡而发生弯曲现象。后端盖4伪足气腔处于非动作状态。单并联驱动气腔充入高压气体发生弯曲呈类似等曲率同平面弯曲。

如图9所示，串并融合伪足软体机器人的前段、后端非同组的单串联驱动气腔充入高压气体弯曲的结构示意图。图示弯曲形式为前端盖3伪足气腔处于非动作状态，弹性基体内并联驱动气腔6均处于非动作状态，前段串联驱动气腔71包含第一前段串联驱动气腔711，第二前段串联驱动气腔712，第三前段串联驱动气腔713，其中仅第一前段串联驱动气腔711充入高压气体，第二、第三前段串联驱动气腔处于非工作状态，由于第一前段串联驱动气腔711充入高压气体会发生伸展，但由于上述伸展为轴向非对称分布，因此改伸展会受到弹性基体1、端盖和韧性芯轴2的限制作用，并为了满足力矩平衡而发生弯曲现象，上述弯曲现象仅有第一前段串联驱动气腔711产生仅对串并融合伪足软体机器人前段发生弯曲，对后端无明显影响。后段串联驱动气腔72包含第一后段串联驱动气腔721，第二后段串联驱动气腔722，第三后段串联驱动气腔723，其中仅第二后段串联驱动气腔722充入高压气体，第一、第三后段串联驱动气腔处于非工作状态，由于第二后段串联驱动气腔722充入高压气体会发生伸展，但由于上述伸展为轴向非对称分布，因此改伸展会受到弹性基体1、端盖和韧性芯轴2的限制作用，并为了满足力矩平衡而发生弯曲现象，上述弯曲现象仅有第二后段串联驱动气腔722产生仅对串并融合伪足软体机器人后段发生弯曲，对前端无明显影响。上述前段、后端弹性基体的弯曲处在非同一平面内，形成一种双弯曲的姿态。后端盖4伪足气腔处于非动作状态。

如图10，为串并融合伪足软体机器人的水平移动的仿毛虫运动步态示意图，在上述弹性肌体的串并联驱动气腔基础上，所述前端盖伪足驱动气腔5、后端盖伪足驱动气腔9与弹性基体包含的2类驱动气腔相似，不同之处在于伪足驱动气腔外壁没有嵌入约束弹簧，当高压气体充入伪足气腔，由于端盖选用伸展性较好的材料，那么伪足气腔会向外壁发生膨胀，形状类似昆虫的足。Step1:后端盖伪足气腔充入高压气体，形成后伪足；Step2：弹性基体内的3个并联驱动气腔同时充入等压强的高压气体，弹性基体会发生轴向伸长，径向缩短；Step3：前端盖伪足气腔充入高压气体，形成前伪足；step4：后端伪足气腔内高压气体释放，后伪足缩回；Step5：弹性基体内的并联驱动气腔内的高压气体释放，弹性基体发生轴向缩短，径向伸长，使软体机器人发生整体轴向水平移动，且其移动形式类似毛虫运动形式；Step6：后端伪足气腔内高压气体释放，后伪足缩回。如此完成了串并融合伪足软体机器人向轴向水平移动一步全部过程，如此往复循环可以使软体机器人不断向前运动。

本发明串并融合伪足软体机器人的端盖设计有符合软体材料特性和气动特性的仿生伪足结构；该软体机器人的基节设计有并联驱动气腔和串联驱动气腔，通过不同位置的驱动气腔进行选择并控制通入的高压气体的压力大小，可以实现软体机器人的任意角度的双弯曲形态。仿生伪足与基节相结合，可以实现串并融合伪足软体机器人类蛇爬行。由于串并融合伪足软体机器人具有现刚性机器人所不具备的多项优点：柔顺行、适应性和安全性，可以深入到大量非结构环境中去：前段安装摄像头，可以作为军事侦察、内窥镜的作用，韧性芯轴中部开通孔，可以实现液态物资的运输等用途。

应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，包括多种在该软体机器人上发展出行走步态，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种串并融合伪足软体机器人，其特征在于：包括基节、前端盖和后端盖，所述基节的前端使用前端盖封闭，所述基节的尾端使用后端盖封闭，所述基节包含弹性基体和韧性芯轴，所述弹性基体开有多个轴向孔，中心部位为圆形通孔，所述圆形通孔塞入韧性轴芯，所述弹性基体与韧性芯轴相互连接；

所述轴向孔包含2类气腔，分别为并联驱动气腔和串联驱动气腔，所述并联驱动气腔为弹性基体所开出的轴向通孔，其截面采用弧形，在弹性基体横截面上等弧度均匀分布；所述并联驱动气腔内壁中心开有用以插入微型气管的并联微型孔，所述并联微型孔会延伸到韧性芯轴；所述串联驱动气腔的截面采用弧形，在弹性基体的轴向方向上中间部位设有隔断形成两个等长度轴向一致的串联子气腔，两个串联子气腔互相无通路，每个串联子气腔内壁中心开有用以插入微型气管的串联微型孔，所述串联微型孔会中心延伸到韧性芯轴；

所述弹性基体的轴向孔外壁嵌入约束弹簧；

所述韧性芯轴前端开有中心微型孔洞，所述中心微型孔洞延伸到与并联微型孔、串联微型孔相接，微型气管会分别插入中心微型孔、并联微型孔和串联微型孔中。

2.如权利要求1所述的串并融合伪足软体机器人，其特征在于：所述韧性芯轴与弹性基体相互粘合。

3.如权利要求1或2所述的串并融合伪足软体机器人，其特征在于：所述前端盖包含前端盖伪足气腔，所述前端盖伪足气腔为前端盖内开出的封闭腔体，其截面采用弧形，在前端盖横截面上等弧度均匀分布；所述前端盖伪足气腔内壁中心开有前端盖微型孔，所述前端盖微型孔会延伸到韧性芯轴，用以插入前端盖伪足微型气管；

所述后端盖包含后端盖伪足气腔，所述后端盖伪足气腔为后端盖内开出的封闭腔体，其截面采用弧形，在后端盖横截面上等弧度均匀分布；所述后端盖伪足气腔内壁中心开有后端盖微型孔，所述后端盖微型孔会延伸到韧性芯轴，用以插入后端盖伪足微型气管。

4.如权利要求1或2所述的串并融合伪足软体机器人，其特征在于：所述前端盖与弹性基体的前段粘合，所述后端盖与弹性基体的后端粘合。

5.如权利要求1或2所述的串并融合伪足软体机器人，其特征在于：所述串联驱动气腔和并联驱动气腔均选用3个，并且6个弧形气腔在所述弹性基体横截面上等面积均匀分布，弧形截面的角度为40°。