CN105730541B - 气动多囊式软体爬壁机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气动多囊式软体爬壁机器人及其控制方法，包括：吸附部件、气囊部件、充放气部件以及气动供给部件；所述吸附部件位于气囊部件内部，所述气动供给部件通过充放气部件给气囊部件充气，使得气囊部件的不同部分处于充气状态或者放气状态，通过改变气囊部件不同部分的充放气状态实现对应吸附部件与支撑物之间的吸附和分离，并配合吸附部件的吸附和分离动作完成指定的运动。本发明打破爬壁机器人刚体结构的传统，将新型软体机器人赋予爬壁功能，结构简单，自由度高，能够实现前进、后退、转弯、曲面爬行等运动方式。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体地，涉及一种气动多囊式软体爬壁机器人及其控制方法。
背景技术
一般的，爬壁机器人按吸附类型分为磁吸附和真空吸附，真空吸附虽然不受墙壁材料的限制，但是如果所吸附的墙面不平整，就会容易减小吸盘中的真空度，吸附力减小，机器人容易掉落，因此工业用途的爬壁机器人大多采用磁吸附式。而磁吸附又可分为电磁体和永磁体两种类型，电磁体维持控制比较方便，但是维持磁力需要电力，永磁体不受断电的影响，使用中安全可靠，但是控制比较麻烦。
从目前研究成果来看，采用真空吸附和磁吸附的爬壁式机器人都已经有相应研究成果，主要应用于工业领域。例如日本应用技术研究所研究出的车轮式磁吸附爬壁机器人，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9m/min，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。
再例如1990年开始，美国Wichita State大学的B.BAHR，Y.LI和Kent State大学的M.NAJAFL等人研制出了一系列的ROSTAM双足吸盘式爬壁机器人，使得机器人能够方便的上下墙壁，且试用了伸缩式结构，机器人在行走的过程中能够得到更快的速度。
而目前软体机器人也有很大的发展空间，软体机器人是一种全新的机器人，对它的研究刚刚兴起不久，涉及材料科学、化学、微机电、液压、控制等多学科。软体机器人由柔韧性材料制成，可在大范围内任意改变自身形状、尺寸在侦察、探测、救援及医疗等领域都有广阔的应用前景。
软体机器人具有无限多自由度，但驱动器数目有限，属于欠驱动机器人，因而分布式负载、局部变形都会影响机器人的结构稳定性，进而影响运动或操作的精确度，其自由度与驱动器不是一对一的关系，多个自由度与驱动器之间存在耦合，而且并非所有自由度均可控.驱动机构作用引起的形变由驱动机制、驱动力大小、驱动器大小、形状和位置共同决定这种驱动、结构一体化的功能特点限制了电机等多种传统驱动器的应用。
例如，日本早稻田大学的Shingo Maeda等采用凝胶材料研制的仿生尺蠖，利用Belosov-Zhabotinskii(B-Z)化学反应实现了周期性伸缩运动。横滨大学的Shutaro Saito等采用光敏离子胶研制了软体微型夹具，可以夹持质量为3mg的重物，再例如麻省理工学院、哈佛大学和韩国汉城国立大学的研究人员联合研发的Meshworm机器人，通过在聚合管周围环绕网格状形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)线模拟蚯蚓蠕动并能抵抗强大的冲击。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种气动多囊式软体爬壁机器人及其控制方法。
根据本发明提供的气动多囊式软体爬壁机器人，包括：吸附部件、气囊部件、充放气部件以及气动供给部件；所述吸附部件位于气囊部件内部，所述气动供给部件通过充放气部件给气囊部件充气，使得气囊部件的不同部分处于充气状态或者放气状态，通过改变气囊部件不同部分的充放气状态实现对应吸附部件与支撑物之间的吸附和分离，并配合吸附部件的吸附和分离动作完成指定的运动。
优选地，所述吸附部件为永磁体，所述永磁体分别位于气囊部件的两个端部和中部位置，并被气囊部件包裹，当永磁体周围的气囊处于充气状态时，永磁体与支撑物之间的距离变大，磁力变小，则永磁体与支撑物处于分离状态；当永磁体周围的气囊处于放气状态时，永磁体与支撑物之间的距离变小，磁力变大，则永磁体与支撑物处于吸附状态。
优选地，所述气囊部件包括多个能够独立充放气的气囊可缩胀部分，具体地，包括：气囊可缩胀部分A、气囊可缩胀部分B、气囊可缩胀部分C、气囊可缩胀部分D1、气囊可缩胀部分D2、气囊可缩胀部分D3、气囊可缩胀部分D4、气囊可缩胀部分E1、气囊可缩胀部分E2、气囊可缩胀部分E3、气囊可缩胀部分E4；其中，所述气囊可缩胀部分D1、气囊可缩胀部分D2、气囊可缩胀部分D3、气囊可缩胀部分D4这四个气囊并排紧固在一起，当四个气囊充气完全时构成一个圆柱体；所述气囊可缩胀部分E1、气囊可缩胀部分E2、气囊可缩胀部分E3、气囊可缩胀部分E4这四个气囊也并排紧固在一起，当四个气囊充气完全时构成一个圆柱体；
所述气囊可缩胀部分A、气囊可缩胀部分B以及气囊可缩胀部分C内部设置有吸附部件，且所述气囊可缩胀部分A、气囊可缩胀部分B分别位于两个端部，气囊可缩胀部分A通过并排的气囊可缩胀部分D1、气囊可缩胀部分D2、气囊可缩胀部分D3、气囊可缩胀部分D4与气囊可缩胀部分C的一端相连，气囊可缩胀部分C的另一端通过气囊可缩胀部分E1、气囊可缩胀部分E2、气囊可缩胀部分E3、气囊可缩胀部分E4与气囊可缩胀部分B相连。
优选地，所述充放气部件包括：多个导气管、导气管固定件以及多个气囊充放气口，所述多个导气管均通过位于气囊可缩胀部分C上的导气管固定件后与对应的气囊可缩胀部分连通，每个气囊可缩胀部分均设置有气囊充放气口。
优选地，所述气动供给部件包括：气泵；所述气泵与多个导气管相连。
优选地，所述导气管固定件包括：硬质硅胶细环，所述硬质硅胶细环上设置有多个引导孔，导气管穿过所述引导孔后进入气囊可缩胀部分。
优选地，所述导气管位于导气管固定件与气动供给部件之间的部分套有一层软质硅胶细管。
根据本发明提供的气动多囊式软体爬壁机器人的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：根据实际支撑物的环境，给内部设置有吸附部件的气囊部件中的一部分充气或者放气，使得对应吸附部件与支撑物处于分离状态或者吸附状态；
步骤2：结合当前吸附部件所处的状态，对气囊部件无吸附部件的一部分进行充放气，利用气囊部件充气时向对应方向弯曲的特性，使得机器人完成预备动作；所述预备动作包括：预备前进、预备后退、预备拐弯动作中的任一种；
步骤3：交替改变气囊部件不同部分的充放气状态，完成指定的动作，所述动作包括：前进、后退或者拐弯动作。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的气动多囊式软体爬壁机器人打破爬壁机器人刚体结构的传统，将新型软体机器人赋予爬壁功能，结构简单，自由度高，能够实现前进、后退、转弯、曲面爬行等运动方式。
2、本发明提供的气动多囊式软体爬壁机器人采用永磁体吸附支撑面的方式，并结合气囊部件的充气和放气过程实现对机器人的控制，稳定性高，易于控制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的气动多囊式软体爬壁机器人的整体结构示意图；
图2为本发明提供的气动多囊式软体爬壁机器人的侧视图；
图3为本发明中气囊可缩胀部分处于充气和放气时的状态示意图；
图4-a为本发明中气囊可缩胀部分A的截面图，图4-b为气囊可缩胀部分B和透视图；
图5为本发明中气囊可缩胀部分C的立体视图；
图6为本发明中气囊可缩胀部分C垂直于轴向的剖面示意图；
图7为本发明中气囊可缩胀部分C平行于轴向的剖面示意图；
图8为本发明中气囊可缩胀部分C的局部放大示意图；
图9为本发明中充放气部件的局部放大示意图；
图10为本发明中充放气部件的截面示意图；
图11为本发明中充放气部件的透视图；
图12为本发明中气动多囊式软体爬壁机器人整体气囊可缩胀部分的立体视图；
图13为本发明中气动多囊式软体爬壁机器人前进状态演变示意图；
图14为本发明中气动多囊式软体爬壁机器人转弯状态演变示意图；
图15为本发明中气动多囊式软体爬壁机器人过直角演变示意图；
图中：
1-吸附部件；
2-气囊部件；
3-吸附部件；
4-充放气部件；
5-气动供给部件；
6-永磁体；
7-气囊可缩胀部分；
701-气囊可缩胀部分A；
702-气囊可缩胀部分B；
703-气囊可缩胀部分C；
704-气囊可缩胀部分D1；
705-气囊可缩胀部分D2；
706-气囊可缩胀部分D3；
707-气囊可缩胀部分D4；
708-气囊可缩胀部分E1；
709-气囊可缩胀部分E2；
7010-气囊可缩胀部分E3；
7011-气囊可缩胀部分E4；
8-导气管；
9-气囊充放气口；
10-导气管固定件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的气动多囊式软体爬壁机器人，包括吸附部件、气囊部件及气动供给部件。其中，吸附部件由永磁体构成，利用磁力产生吸附力，可以附着在大型支撑物的表面。由于软体机器人的轻巧，磁体产生的磁力足以使机器人吸附在支撑物的表面。
气囊部件共分为两大类，一类是包裹在永磁体四周的，通过在气囊内充气使得永磁体和支撑物之间形成气垫，让对应的部位解除吸附；通过放气使得永磁体和支撑物之间的气垫消失，使得永磁体吸附住支撑面，则机器人牢牢地吸附在支撑物上。另一类气囊是贯穿整个机器人，这种气囊包括许多个并排排列的小气囊，形成成排的气囊组合；通过变换每两个相邻排列的气囊组合处于充气或者放气状态，控制机器人能够向不同的方向弯曲，并通过连续变换达到移动的效果。
气动供给部件包括导管部分和气泵部分。
具体地，导管部分设置有11根导气管，其中的三根导气管连接端点气囊，剩余的八根导气管连接贯穿机器人整体的气囊，通过气泵控制气囊的收缩和舒张。
如图1所示，吸附部件和吸附部件，用于实现对墙壁的固定；气囊部件的内由多个小气囊组成，通过充放气实现多自由度的运动；充放气部件、气动供给部件用于供给和传输气体。吸附部件和吸附部件，是由永磁体及其被包裹的气囊组成，可以完成对支持物的吸附。
如图3所示，当气囊充气时，在支撑物和永磁体之间形成了气垫，从而使永磁体的距离与支撑面增加，对支撑面的磁力大大减小，达到可移动的目的。当气囊放气时，支撑物与永磁体之间的距离很小，之间的磁力从而很大，保证了机器人牢牢吸附于支撑物之上。
气囊部件内含有多个小气囊，呈四排对称分布，每排均由多个小气囊组成，每排小气囊均由一根导管控制，一排小气囊可以统一充气放气，四排小气囊一共可以有16种运动方式，与另一边的四排气囊相组合一共有32种运动方式，从而达到左转、右转、过直角，爬圆柱体等多种行进方法。通向各排气囊的导管聚合于中央吸附部件3上的圆环处，然后与气动供给部件连接。其中吸附部件具体细节如图8所示。
图8表示了中央吸附部分的工作原理，当包裹永磁体的气囊充气时，气垫使得永磁体与支撑物之间的磁力减小，达到运动的目的，放气时磁力增强，达到吸附的目的。两侧分别各与四排气囊相接，两边的导管通过此部件上的中央圆孔处引出，与外部推动部件连接。
为了使得软体爬壁机器人能够足够灵活，一共通过11个导管控制对气囊的充放气。由图9可以看出，这11个导管通过一个圆孔引出，分别控制左右两边各4个气囊组合以及两端两个节点和中间节点。结合上述软体爬壁机器人，针对其各种运动状态进行说明。
图12中，气囊可缩胀部分又可以细分为：气囊可缩胀部分A、气囊可缩胀部分B、气囊可缩胀部分C、气囊可缩胀部分D1、气囊可缩胀部分D2、气囊可缩胀部分D3、气囊可缩胀部分D4、气囊可缩胀部分E1、气囊可缩胀部分E2、气囊可缩胀部分E3、气囊可缩胀部分E4。如图13所示，机器人初始状态时，根据图12的气囊可缩胀部分A、B充气，气囊可缩胀部分C放气，这样机器人气囊可缩胀部分C内部的永磁体吸附支撑物，气囊可缩胀部分A、B内部的永磁体与支撑物脱离，再通过对气囊可缩胀部分D1、D2、E1、E2充气，对气囊可缩胀部分D3、D4、E3、E4放气，由于机器人的充气部分膨胀，则向该方向弯曲，气囊可缩胀部分A、B向前移动。下一个阶段控制部件气囊可缩胀部分A、B放气，对气囊可缩胀部分C充气。同理可知，气囊可缩胀部分A、B内部的永磁体吸附在支撑物上，气囊可缩胀部分C内的永磁体与支撑物分离，准备前行。随后使气囊可缩胀部分D1、D2、E1、E2放气，对气囊可缩胀部分D3、D4、E3、E4充气，这样气囊就改变了弯曲方向，向另一个方向弯曲，从而气囊可缩胀部分C也向前移动，达到了前行的目的。
另一种运动方式是转弯，以左转为例进行介绍。如图14，根据如图12的气囊可缩胀部分B和C放气，气囊可缩胀部分A充气，使得气囊可缩胀部分A内的永磁体脱离支撑物，便于运动。随后气囊可缩胀部分D1、D2充气，气囊可缩胀部分D3、D4放气，从而使得机器人前端向右弯曲，接着让气囊可缩胀部分A放气，气囊可缩胀部分B、C充气，使前端固定住，最后使气囊可缩胀部分D1、D2、E1、E2放气，对气囊可缩胀部分D3、D4、E3、E4充气，即可实现左转。右转、后退也类似。
过直角也是通过各个部件的充放气来实现的。如图15所示，由于上述机器人一共有四排气囊，所以可以在不同平面运动。根据如图12的标号首先交替控制气囊可缩胀部分D1、D2、E1、E2和气囊可缩胀部分D3、D4、E3、E4的充放气，使得软体爬壁机器人在一个平面上运动，碰到垂直墙壁后改为对气囊可缩胀部分D1、D3、E1、E3和气囊可缩胀部分D2、D4、E2、E4的交替充放气控制，从而实现过墙角的运动。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种气动多囊式软体爬壁机器人，其特征在于，包括：吸附部件、气囊部件、充放气部件以及气动供给部件；所述吸附部件位于气囊部件内部，所述气动供给部件通过充放气部件给气囊部件充气，使得气囊部件的不同部分处于充气状态或者放气状态，通过改变气囊部件不同部分的充放气状态实现对应吸附部件与支撑物之间的吸附和分离，并配合吸附部件的吸附和分离动作完成指定的运动；
其中，所述吸附部件为永磁体(6)，所述永磁体(6)分别位于气囊部件的两个端部和中部位置，并被气囊部件包裹，当永磁体(6)周围的气囊处于充气状态时，永磁体(6)与支撑物之间的距离变大，磁力变小，则永磁体(6)与支撑物处于分离状态；当永磁体(6)周围的气囊处于放气状态时，永磁体(6)与支撑物之间的距离变小，磁力变大，则永磁体(6)与支撑物处于吸附状态；
所述气囊部件包括多个能够独立充放气的气囊可缩胀部分，具体地，包括：气囊可缩胀部分A(701)、气囊可缩胀部分B(702)、气囊可缩胀部分C(703)、气囊可缩胀部分D1(704)、气囊可缩胀部分D2(705)、气囊可缩胀部分D3(706)、气囊可缩胀部分D4(707)、气囊可缩胀部分E1(708)、气囊可缩胀部分E2(709)、气囊可缩胀部分E3(7010)、气囊可缩胀部分E4(7011)；其中，所述气囊可缩胀部分D1(704)、气囊可缩胀部分D2(705)、气囊可缩胀部分D3(706)、气囊可缩胀部分D4(707)这四个气囊并排紧固在一起，当四个气囊充气完全时构成一个圆柱体；所述气囊可缩胀部分E1(708)、气囊可缩胀部分E2(709)、气囊可缩胀部分E3(7010)、气囊可缩胀部分E4(7011)这四个气囊也并排紧固在一起，当四个气囊充气完全时构成一个圆柱体；
所述气囊可缩胀部分A(701)、气囊可缩胀部分B(702)以及气囊可缩胀部分C(703)内部设置有吸附部件，且所述气囊可缩胀部分A(701)、气囊可缩胀部分B(702)分别位于两个端部，气囊可缩胀部分A(701)通过并排的气囊可缩胀部分D1(704)、气囊可缩胀部分D2(705)、气囊可缩胀部分D3(706)、气囊可缩胀部分D4(707)与气囊可缩胀部分C(703)的一端相连，气囊可缩胀部分C(703)的另一端通过气囊可缩胀部分E1(708)、气囊可缩胀部分E2(709)、气囊可缩胀部分E3(7010)、气囊可缩胀部分E4(7011)与气囊可缩胀部分B(702)相连。
2.根据权利要求1所述的气动多囊式软体爬壁机器人，其特征在于，所述充放气部件包括：多个导气管(8)、导气管固定件(10)以及多个气囊充放气口(9)，所述多个导气管(8)均通过位于气囊可缩胀部分C(703)上的导气管固定件(10)后与对应的气囊可缩胀部分连通，每个气囊可缩胀部分均设置有气囊充放气口(9)。
3.根据权利要求2所述的气动多囊式软体爬壁机器人，其特征在于，所述气动供给部件包括：气泵；所述气泵与多个导气管(8)相连。
4.根据权利要求2所述的气动多囊式软体爬壁机器人，其特征在于，所述导气管固定件(10)包括：硬质硅胶细环，所述硬质硅胶细环上设置有多个引导孔，导气管(8)穿过所述引导孔后进入气囊可缩胀部分。
5.根据权利要求2所述的气动多囊式软体爬壁机器人，其特征在于，所述导气管(8)位于导气管固定件(10)与气动供给部件之间的部分套有一层软质硅胶细管。
6.一种权利要求1至5中任一项所述的气动多囊式软体爬壁机器人的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据实际支撑物的环境，给内部设置有吸附部件的气囊部件中的一部分充气或者放气，使得对应吸附部件与支撑物处于分离状态或者吸附状态；
步骤2：结合当前吸附部件所处的状态，对气囊部件无吸附部件的一部分进行充放气，利用气囊部件充气时向对应方向弯曲的特性，使得机器人完成预备动作；所述预备动作包括：预备前进、预备后退、预备拐弯动作中的任一种；
步骤3：交替改变气囊部件不同部分的充放气状态，完成指定的动作，所述动作包括：前进、后退或者拐弯动作。
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