CN105965518A - 软体环形翻滚机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种软体环形翻滚机器人，包括主运动环、摩擦带、四个弹性元件、隔离器、传感器、继电器、控制系统和电源，其中：摩擦带套在主运动环外侧，作为机器人运动部分；四个弹性元件通过绝缘螺栓与主运动环连接；隔离器位于主运动环腔内各弹性元件交汇处，用于阻隔各个弹性元件以避免相互缠绕；传感器贴在主运动环内壁，并处于第一弹性元件与主运动环连接点正下方；传感器通过导线与控制系统相连；继电器一端通过导线与四个弹性元件及电源构成回路，另一端与控制系统相连；控制系统与电源相连。本发明通过弹性元件的交替伸缩，实现软体环形机器人的翻滚前进。

Description

软体环形翻滚机器人

技术领域

本发明涉及的是一种应用于救援、探测的翻滚机器人，具体地说是一种软体环形翻滚机器人。

背景技术

机器人是一种可以自动执行工作的机器装置。即可即时接收人类指挥；也可通过预先编写的程序，按照人类规定的技术指标和行动原则自主运行。当前机器人的研究层出不穷，但是目前常见的机器人几乎都是刚性的，自身尺寸不可变化，刚性机器人有运动速度快，运行精度高等特点，且驱动相对简单。

随着经济的发展，各种地质灾害给人类带来的损失越来越大，各类机器人在救援救灾过程中发挥了不可替代的作用。但是由于各种地形的不可预见性。而传统的刚性机器人受自身条件的影响，运动范围有限，环境适应能力较差。软体机器人由于本身由柔性材料制成，可承受较大的应变。可以根据复杂的环境改变自身体型尺寸，到达刚性机器人不能到达的环境，完成传统刚性机器人不能完成的工作。目前公开的软体机器人只能实现特定的简单的运动。驱动效率较低。

中国专利申请CN201110354601.9公开了“一种全皮肤翻转运动软体机器人”，该机构包含圆环形柱状软体基体，控制环，控制单元组成。该软体机器人柔性运动由尾部控制环产生收缩运动，由于基体本身体积不变，使得基体头部向前伸长，末端外表皮肤转换为内部皮肤。头部内部皮肤转换为外表皮肤。通过皮肤的翻转实现机器人的前进运动。该机器人由于基体由柔性薄膜皮肤和体液组成，结构较为复杂。通过挤压产生驱动力运动效率较为低下，应用前景不广。

发明内容

针对现有机器人的缺陷，本发明的目的是提供一种能在狭窄环境中实现前进运动的软体环形翻滚机器人，所述机器人通过圆环变形产生的重心变化，将其势能转化为动能，从而实现前进目的。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明提供一种软体环形翻滚机器人，包括：主运动环、摩擦带、多个弹性元件、隔离器、传感器、多个继电器、控制系统和电源，其中：摩擦带套在主运动环的外侧，作为机器人的运动部分；多个弹性元件通过绝缘螺栓与主运动环连接；隔离器位于主运动环腔内多个弹性元件的交汇处，用于阻隔多个弹性元件以避免相互缠绕；传感器布置于一弹性元件与主运动环连接处并与控制系统输入端相连，用于检测主运动环运动状态并将检测到的信息传输给控制系统；多个继电器的一端分别与多个弹性元件相连，并同时与控制系统输出端相连，多个继电器的另一端与电源负极相连，控制系统用于收集传感器传递的信号，对信号进行分析并输出控制信号，通过控制多个继电器控制多个弹性元件的电路通断，从而控制多个弹性元件的伸缩状态，进而实现软体环形机器人的翻滚前进。

优选地，所述摩擦带包含至少一层弹性防滑材料和一层弹性包裹材料。

优选地，所述隔离器有多个相互隔离的圆柱空腔，圆柱空腔的数目与弹性元件相等，多个弹性元件分别从多个圆柱空腔中穿过，并在各自的圆柱空腔中自由移动；多个圆柱空腔相互之间存在确定夹角，该夹角由多个弹性元件相互交叉角度确定。

更优选地，所述隔离器与多个弹性元件及主运动环之间无固定约束，表现为几何约束。

优选地，所述多个弹性元件固定在主运动环内壁的绝缘螺栓上。

更优选地，所述绝缘螺栓与主运动环的固定通过在主运动环上打孔实现。

优选地，所述传感器通过双面胶固定在一弹性元件与主运动环间的绝缘螺栓正下方。

优选地，所所述继电器的数量与弹性元件的数量相等，每一继电器与每一弹性元件通过导线相连，并分别与电源连接从而构成工作回路。

优选地，所述主运动环为弹性钢环结构。

优选地，所述弹性元件为形状记忆合金弹性元件。

优选地，所述传感器采用陀螺仪。

与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：

本发明是一种软体环形翻滚机器人，能在狭窄环境中实现前进运动，并能通过主运动环变形产生的重心变化，并通过弹性元件将其势能转化为动能，从而实现前进目的。

进一步，本发明以弹性薄钢环形结构作为运动主体部分(主运动环)，质量轻、宽度窄、可变形的特点，可以适应比较狭窄的工作环境；

进一步，本发明突破性地运用热敏弹性元件(形状记忆合金)作为驱动原件，将电能转换为弹性元件的弹性势能，最终通过重力势能转化为动能，探索了新型驱动方式；

进一步，本发明运用陀螺仪作为表征机器人姿态的传感器，实现了软体环形机器人自身运动状态的反馈，可以完成初步闭环控制。

综上，与传统刚性机器人相比，此款机器人通过创新驱动方式，使用新型环形结构，大大减轻了机械装置复杂度及质量，并扩展了机器人的应用空间。

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为本发明一较优实施例的结构示意图；

图中：弹簧1，隔离器2，主运动环3，摩擦带4，继电器5、6、7、8，控制系统18，电源22，传感器23，加热电路导线9、10、11、12、13、21，传感器电路导线24、25，控制电路导线14、15、16、17、19、20。

具体实施方案

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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种软体环形翻滚机器人，包括：四条弹簧1，隔离器2，主运动环3，摩擦带4，四个继电器5、6、7、8，控制系统18，电源22，传感器23，加热电路导线9、10、11、12、13、21，传感器电路导线24、25，控制电路导线14、15、16、17、19、20；其中：

四条弹簧1(图中仅标注一条)通过绝缘螺栓与主运动环3连接；四条弹簧1的一端通过加热电路导线9、10、11、12分别与四个继电器5、6、7、8的一端相连，四条弹簧1的另一端通过加热电路导线13与电源22正极相连；

隔离器2位于主运动环1腔内四条弹簧1的交汇处，用于阻隔四条弹簧1间的干扰；

摩擦带4套在主运动环3外面，作为机器人的运动主体部分；

四个继电器5、6、7、8的一端分别通过控制电路导线14、15、16、17与控制系统18输出端相连；四个继电器5、6、7、8的另一端通过加热电路导线21与电源22负极相连；

传感器23布置于弹簧1与主运动环3连接点正下方，并通过传感器电路导线24、25与控制系统18输入端相连，用于检测主运动环3运动状态，并将检测到的信息通过传感器电路导线24、25输出给控制系统18；

控制系统18通过控制电路导线19、20分别与电源22正、负极相连；控制系统18输入端通过传感器电路导线24、25与传感器23相连，用于获得传感器23输入信号并对信号进行分析；控制系统18输入端通过控制电路导线14、15、16、17分别与继电器5、6、7、8相连，用于输出控制信号分别控制继电器5、6、7、8状态，从而控制四个弹簧1的伸缩状态，进而实现软体环形机器人的翻滚前进。

作为一优选的实施方式，所述主运动环3上有八个通孔，用以分别安装固定四个弹簧1所用的绝缘螺栓。

作为一优选的实施方式，所述摩擦带4包含三层，其中：第一层有与主运动环上通孔相配合的通孔，用以容纳突出的绝缘螺栓；第二层、第三层平滑无缺陷，可形成平整具较大摩擦力的外表。

四条独立弹簧分别通过导线9、10、11、12与四个继电器5、6、7、8相连，并进而与电源22相连形成闭合回路。此为所述机器人的驱动系统。

作为一优选的实施方式，所述弹簧1材质为形状记忆合金。

作为一优选的实施方式，所述隔离器2包含四个中空管，四条弹簧1分别穿过其中，达到互相分离而避免缠绕的效果。

作为一优选的实施方式，所述传感器23为陀螺仪，其通过导线24、25与控制系统18输入端相连，可实时检测机器人位姿，计算驱动函数。

作为一优选的实施方式，所述继电器5、6、7、8通过导线9、10、11、12分别与四条弹簧1相连；同时通过导线14、15、16、17分别与控制系统18的四个输出引脚相连。

作为一优选的实施方式，所述电源22通过导线19、20、21、13分别与控制系统18和驱动系统相连，用于同时为控制系统18和驱动系统供电。

在其他实施例中，所述弹簧的条数可以是4条以上，相对应的，隔离器空腔数应与弹簧条数相同，继电器个数也应等于弹簧条数。

在其他实施例中，所述传感器种类和个数均可有所变化，本领域技术人员完全能够理解，不再累述。

本发明是一种软体环形翻滚机器人，能在狭窄环境中实现前进运动，并能通过主运动环变形产生的重心变化，并通过弹性元件将其势能转化为动能，从而实现前进目的。本发明中主运动环以弹性薄钢环形结构作为运动主体部分，质量轻、宽度窄、可变形的特点，可以适应比较狭窄的工作环境；突破性地运用热敏弹簧(形状记忆合金)作为驱动原件，将电能转换为弹簧的弹性势能，最终通过重力势能转化为动能，探索了新型驱动方式；运用陀螺仪作为表征机器人姿态的传感器，实现了软体环形机器人自身运动状态的反馈，可以完成初步闭环控制。与传统刚性机器人相比，本发明所述机器人通过创新驱动方式，使用新型环形结构，大大减轻了机械装置复杂度及质量，并扩展了机器人的应用空间。

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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种软体环形翻滚机器人，其特征在于，包括：主运动环、摩擦带、多个弹性元件、隔离器、传感器、多个继电器、控制系统和电源，其中：摩擦带套在主运动环的外侧，作为机器人的运动部分；多个弹性元件通过绝缘螺栓与主运动环连接；隔离器位于主运动环腔内多个弹性元件的交汇处，用于阻隔多个弹性元件以避免相互缠绕；传感器布置于一弹性元件与主运动环连接处并与控制系统输入端相连，用于检测主运动环运动状态并将检测到的信息传输给控制系统；多个继电器的一端分别与多个弹性元件相连，并同时与控制系统输出端相连，多个继电器的另一端与电源负极相连，控制系统用于收集传感器传递的信号，对信号进行分析并输出控制信号，通过控制多个继电器控制多个弹性元件的电路通断，从而控制多个弹性元件的伸缩状态，进而实现软体环形机器人的翻滚前进。

2.根据权利要求1所述的一种软体环形翻滚机器人，其特征在于，所述摩擦带包含至少一层弹性防滑材料和一层弹性包裹材料。

3.根据权利要求1所述的一种软体环形翻滚机器人，其特征在于，所述隔离器有多个相互隔离的圆柱空腔，圆柱空腔的数目与弹性元件相等，多个弹性元件分别从多个圆柱空腔中穿过，并在各自的圆柱空腔中自由移动；多个圆柱空腔相互之间存在确定夹角，该夹角由多个弹性元件相互交叉角度确定。

4.根据权利要求3所述的一种软体环形翻滚机器人，其特征在于，所述隔离器与多个弹性元件及主运动环之间无固定约束，表现为几何约束。

5.根据权利要求1所述的一种软体环形翻滚机器人，其特征在于，所述多个弹性元件固定在主运动环内壁的绝缘螺栓上。

6.根据权利要求5所述的一种软体环形翻滚机器人，其特征在于，所述绝缘螺栓与主运动环的固定通过在主运动环上打孔实现。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种软体环形翻滚机器人，其特征在于，所述传感器通过双面胶固定在一弹性元件与主运动环间的绝缘螺栓正下方。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种软体环形翻滚机器人，其特征在于，所述继电器的数量与弹性元件的数量相等，每一继电器与每一弹性元件通过导线相连，并分别与电源连接从而构成工作回路。

9.根据权利要求1-6任一项所述的一种软体环形翻滚机器人，其特征在于，所述主运动环为弹性钢环结构。

10.根据权利要求1-6任一项所述的一种软体环形翻滚机器人，其特征在于，所述弹性元件为形状记忆合金弹性元件。