CN106114668A - 基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，包括：第一身躯部、第二身躯部、第三身躯部，其中，所述第一身躯部与第二身躯部通过第一伸缩部相连，所述第二身躯部与第三身躯部通过第二伸缩部相连，所述第一伸缩部与第二伸缩部分别由设于第二身躯部的控制器进行控制伸缩；所述第一身躯部、第三身躯部的下部设有机械刚毛。该机器人根据蚯蚓的运动机理建立起的机器人运动模型，通过机械刚毛以及气动控制替换和模拟蚯蚓的横机和纵肌的伸缩，以实现能够在恶劣环境下的直行，转弯，跨障等复杂动作。通过智能控制实现其在工业管道勘探，灾害搜救。

Description

基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人。

背景技术

随着人类的活动越来越频繁，在地震带上居住的人类均有遭遇地震等自然灾害的危险，而出现地震后，其救援过程中由于瓦砾废墟覆盖了地面，复杂的地形让救援探测变的格外的困难，而且地震过后余震频发，这让救援工作的危险系数也大大增加，这对能够在恶劣环境下前行转弯、跨障的机器人提出了要求(在山洞，管道，瓦墟，山石等复杂的地形下能够进行移动，生命探测，科学探索等活动提出了更高的要求)。

已有的蛇形机器人是靠着腹部安装的滚动轮蜿蜒前行的，在恶劣地形移动与前行时，腹部下的滚轮时常会出现打滑以及滚轮堵塞的情况，无法达到顺畅移动。

而蚯蚓是一种通过身躯外肌肉收缩以及身躯前的刚毛相互配合向前移动的一种无脊椎动物。蚯蚓具有较多的结与环形肌肉，每节的运动机构由纵向肌肉(纵肌)和环形肌肉(横机)组成，参见图1，当爬行时，横肌收缩，直径变小，而相应的长度增加其体积变化不大。而当纵肌收缩时，其节的长度变短，相应的直径则增大，总体积变化不大。另外，蚯蚓腹部有很硬的细长针状物，被称作刚毛。所有的刚毛都是沿着蚯蚓身躯向斜后方向倾斜。当蚯蚓在物体表面做伸缩运动时，身体后部的刚毛钉入土内不动,这时横肌收缩，纵肌舒张,身体就向前伸长以达到向前前进的目的。本发明即根据蚯蚓的这种生物体结构，对软体运动机器人进行改进性的设计。

此外，城市的管道堵塞清理非常不易，要求大量的人力物力同时还倍受诟病。众所周知，蚯蚓是土壤肥力的保障，起着疏松土壤的效果。用仿蚯蚓的软体机器人可以达到清理管道堵塞的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，以解决现有的软体机器人在恶劣地形移动、前行或转向时无法实现顺畅移动的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，包括：

第一身躯部、第二身躯部、第三身躯部，其中，所述第一身躯部与第二身躯部通过第一伸缩部相连，所述第二身躯部与第三身躯部通过第二伸缩部相连，所述第一伸缩部与第二伸缩部分别由设于第二身躯部的控制器进行控制伸缩；

所述第一身躯部、第三身躯部的下部设有机械刚毛。

较佳地，所述第一身躯部、第三身躯部内分别设置有U型件、挡板、压力弹簧，所述U型件与挡板固定连接，所述压力弹簧的上端与所述挡板固定连接，所述机械刚毛焊接在所述压力弹簧的下端上。

较佳地，所述挡板上设有吸盘式电磁铁，通电时，所述吸盘式电磁铁产生磁场使得所述压力弹簧压缩，从而带动所述机械刚毛收缩。

较佳地，所述机械刚毛为冷板表面镀铬处理得到的倒钩状的流线型机械刚毛。

较佳地，所述第一伸缩部与第二伸缩部分别包括三个橡胶伸缩驱动器，所述橡胶伸缩驱动器与设于第二身躯部的控制器相连。

较佳地，所述橡胶伸缩驱动器为一个内部缠绕有螺旋钢丝的橡胶管，所述橡胶伸缩驱动器与气泵相连，当气泵将气体充入所述橡胶管时，橡胶管伸长，当气体从所述橡胶管内排出时，橡胶管恢复原形。

较佳地，所述第二身躯部内设置有气泵、气阀转接头、排气阀、二位二通微型电磁阀及风扇，所述气泵通过气管与所述气阀转接头相连通，所述气阀转接头与所述橡胶伸缩驱动器相连通，所述二位二通微型电磁阀设置于所述气阀转接头与橡胶伸缩驱动器之间。

较佳地，所述橡胶伸缩驱动器内设置有压力传感器，所述压力传感器与所述控制器相连，用于检测所述橡胶伸缩驱动器内的气体压力并将所述气体压力的数据发送至所述控制器。

较佳地，所述第一身躯部还包括舵机，所述舵机具有一个旋转自由度，所述舵机用于调整所述第一身躯部的前进方向。

较佳地，所述控制器还与传感器模块及无线通信模块相连，所述传感器模块用于获取环境参数的数据，所述无线通信模块用于与控制终端通信以接收控制终端的无线控制信号及发送环境参数的数据至控制终端。。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

1、利用仿生学原理，采用3节身躯设计，通过前后身躯反复定位协同运动，让关节精准的配合，使得机器人能够向蚯蚓一样在地面爬行，三管驱动身躯使得运动方向更加精确，能爬坡下坡左转右转。而像蛇鳞一样的倒钩状机械刚毛使得机器人前进的摩擦力更小，速度更快，运动更加轻盈，爬坡的移动距离更长。

2、采用气压驱动，成本低廉，清洁无污染。而橡胶伸缩驱动器具有结构简单、易于小型化、重量轻、柔性好、无摩擦、无污染、不需润滑等优点。

3、本发明的蚯蚓机器人安装有2.4G无线射频模块，可以进行远程遥控与操作。

4、本发明的蚯蚓机器人安装可旋转的云台，云台上安装有高清摄像头和红外摄像头。可旋转的云台带动微型高清摄像头自由旋转，实现对周边环境的全方位探测，并通过无线传输，将数据实时传送到PC端，实现对机器人的远程控制，实时监控现场环境的功能，实现准确的远程遥控与操作。通过安装GPS和陀螺仪与加速度计，实现对机器人位置的精确定位并实现实时输出的信号控制机器人姿态。

附图说明

图1为蚯蚓蠕动爬行的原理图；

图2为本发明优选实施例的软体运动机器人结构示意图；

图3为本发明优选实施例的软体运动机器人结构模型平面图；

图4为本发明优选实施例的橡胶伸缩驱动器结构图；

图5为本发明优选实施例的第一身躯部结构示意图；

图6为本发明优选实施例的第二身躯部结构示意图。

具体实施方式

为更好地说明本发明，兹以一优选实施例，并配合附图对本发明作详细说明，具体如下：

如图2、3所示，一种基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，包括：第一身躯部1、第二身躯部2、第三身躯部3，其中，第一身躯部1与第二身躯部2通过第一伸缩部4相连，第二身躯部2与第三身躯部3通过第二伸缩部5相连，第一伸缩部4与第二伸缩部5内分别由设于第二身躯部2内的控制器21进行控制伸缩；其中，第一身躯部1、第三身躯部3的下部设有机械刚毛。

其中，本实施例中的机械刚毛为冷板表面镀铬处理得到的倒钩状的流线型机械刚毛。倒钩状的流线型机械刚毛更有利于前进，以及抓牢地面防止倒退，同时采用冷板表面镀铬处理的机械刚毛，可以保证机械刚毛的化学性质稳定并加强其强度，避免倒钩状机械足在频繁使用中变形。

具体地，第一伸缩部4包括三个橡胶伸缩驱动器41、42、43，第二伸缩部5包括三个橡胶伸缩驱动器51、52及53，橡胶伸缩驱动器41、42、43、51、52及53与设于第二身躯部2的控制器21相连。

如图4所示，本实施例中的橡胶伸缩驱动器为一个内部缠绕有螺旋钢丝的橡胶管，橡胶伸缩驱动器与气泵相连，螺旋钢丝不仅加强了橡胶管的刚度，还限制了橡胶管的径向变形。该橡胶伸缩驱动器还包括橡胶密封环A及旋转卡扣B，其中，橡胶密封环A用于实现橡胶管与气泵间的密封，而旋转卡扣B用于与第一身躯部或第三身躯部相连接。当气泵将气体充入橡胶管时，橡胶管伸长，此时由于壁内钢丝的作用，径向变形很小，驱动器主要产生轴向的伸长。当气体从橡胶管内排出时，橡胶管恢复原形。优选地，橡胶伸缩驱动器内设置有压力传感器，压力传感器与控制器相连，用于检测橡胶伸缩驱动器内的气体压力并将气体压力的数据发送至控制器，当气压过高时候将停止对驱动器施压，以避免过压及通过压力调整气泵充气的工作功率，以防止其过压而爆裂。

再次参见图2、3以及参见图5，本实施例中的第一身躯部、第三身躯部的腔体101、103内分别设置有U型件11、31，挡板12、32，压力弹簧13、33，其中，U型件11、31分别与挡板12、32固定连接，压力弹簧13、33的上端分别与挡板12、32固定连接，机械刚毛15、35分别焊接在压力弹簧13、33的下端上。其中，挡板12、32上分别设有吸盘式电磁铁16、36，在控制器的控制下，吸盘式电磁铁16、36分别通电时，吸盘式电磁铁16、36分别产生磁场使得压力弹簧13、33压缩，从而带动机械刚毛15、35收缩。本实施例中的刚毛为多个，对应的压力弹簧也为多个。所有仿刚毛的械足整体形成一块机械足板，而对应的第一身躯部、第三身躯部内下部均开有对应的网眼孔。第三身躯部的腔体103内还包括有一个锂电池37，通过电池座固定锁紧在第三身躯部腔体的内面板上，用于为机器人的各个模块供电。

本实施例中的压力弹簧采用外径6mm的中负荷压力弹簧，材质选用优质50CrVa，经油淬火制作，具有耐疲劳，耐高温，韧性好的特点，这使得仿蚯蚓机器人在恶劣环境工作时候，弹簧依旧处于良好的工作状态。压力弹簧的自由长度刚好使得机械刚毛完全裸露在前身躯外，而压紧长度使得机械刚毛完全没入前身躯，此时的弹簧压力等于直流吸盘式电磁铁的最大电磁力(5KG)。此压紧长度为自由长度的26％，符合压力弹簧使用寿命曲线图。

在前进过程中，前身躯的直流吸盘式电磁铁上电，压缩压力弹簧，使得机械刚毛离地收缩进身体内部，从而实现整体身躯的后固定，而前端不固定。

这种机械刚毛与弹簧构成构成的仿刚毛机械足模块起到类似蚯蚓刚毛固定地面的作用，同时倒钩状的机械足类似蛇形鳞片，这使得机械主体部分向前移动时有着较小的摩擦力，而倒钩部分使得后移动时摩擦力显著增大，让移动本身起到自锁效果，让前进移动动作变得轻盈。当该机器人准备向前行进时第一身躯部中的直流吸盘式电磁铁产生吸力，将机械刚毛上部的压力弹簧压缩，将仿刚毛机械足提起，使得前端无固定点。

进一步地，参见图5，第一身躯部1还包括舵机17，舵机17具有一个旋转自由度，舵机设于舵机平台上，用于调整第一身躯部1的前进方向。本实施例中的舵机平台上还搭载有一枚摄像头与两个超声波测距模块19。舵机17通过螺丝孔位固定在第一身躯部1内舵机平台18的平台面上，舵机17伸出端连接有一个旋转云台18并安装有摄像头。超声波测距模块19固定在第一身躯部1的正前方。本实施例中，转向的舵机17采用17kg的大扭力舵机，可以实现180度无阻旋转。超声波测距模块19通过螺丝固定在第一身躯部1的主视端，并两者相对，实现前方120度范围的距离检测。

参见图6，本实施例中的第二身躯部2的腔体201内还设置有气泵22、气阀转接头、排气阀24、二位二通微型电磁阀25，气泵22通过气管与气阀转接头相连通，气阀转接头23与上述各个橡胶伸缩驱动器41、42、43、51、52及53相连通，二位二通微型电磁阀25(六个分别为T1～T6)设置于气阀转接头23与橡胶伸缩驱动器41、42、43、51、52及53之间。本实施例中，第二身躯部2还设置有风扇26，风扇26与控制器21相连，用于散热。

气泵22从吸气口吸气并将气体压缩泵入气管中，气管通过气阀转接头，分别将气体泵入橡胶伸缩管驱动器。上述的气阀转接头采用8孔气动快速接头铝排条23，其中有1个进气孔有7个出气孔。出气孔中有6个对应着前后6个橡胶伸缩驱动器，1个对应着排气阀。其中橡胶伸缩驱动器入口前端安装有二位二通常闭型微型电磁阀。电磁阀的工作原理：当需要橡胶伸缩管驱动器伸长时，气泵正转，同时电磁阀处于断电，阀门打开，使得压力气体进入橡胶伸缩管。当需要橡胶伸缩管驱动器恢复原状时，接在7接口的排气阀上电导通，同时气泵反转。令橡胶伸缩管内气体迅速恢复常压，在自身橡胶的弹力与螺旋钢丝的拉力下，驱动器迅速恢复原状。

在一优选实施例中，上述气泵通过气泵座固定在中身躯腔体内板上，并用4个螺丝固定。并且此腹板上用4个螺丝固定有排气阀与气动快速接头铝排条。上述三个身躯的外圆端开有线路通孔，用于方便走线，走线孔用波纹套管45、55连接(参见图2、3)，并用两端的快速六角接头固定。

控制器21还与传感器模块及无线通信模块相连，传感器模块用于获取环境参数的数据，无线通信模块用于与控制终端通信以接收控制终端的无线控制信号及发送环境参数的数据至控制终端。传感器模块可根据需要设置温度传感器(测量温度)、湿度传感器(测量湿度)、超声波传感器(测量距离)等以采集环境参数的数据。而该机器人使用时，可通过控制终端(如遥控器、智能终端等)获得该机器人所在环境的情况信息，以及发送控制信号以控制机器人的行进方向。

在一应用例中，传感器模块包括视频采集部分，由高清网络摄像头和红外摄像头构成。考虑到灾后现场灰尘，烟雾，采光不好等干扰因素，光学摄像头和红外摄像头同时捕捉现场图像，增强黑暗情况下的图像捕捉能力，提高对人体等生命信息的识别能力，帮助搜救队员了解机器人前方路面情况，判别生命迹象。当机器人移动到特定位置时，云台控制模块工作，云台由三自由度平台和高度控制装置构成，通过PWM脉冲控制舵机转向来调节摄像头的上下高度位置，可以在360°内自由旋转，也可以小范围调节摄像头的仰角，控制摄像头的摄像角度，实现多方位多角度的观察。当下位机接收上位机发送的需要传送视频或环境参数数据命令时，打开视频设备，读取设备信息，进行视频采集，图像传送至PC端。

本实施例的基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人工作原理如下：

(1)前进动作。准备前进时，第一身躯部1的直流吸盘式电磁铁通电，使得第一身躯部1的机械刚毛上的压力弹簧压缩，则第一身躯部1的机械刚毛整体收缩，此时前端不固定，后端固定。同时气泵正转不断压缩气体进入橡胶伸缩管驱动器，令橡胶伸缩管驱动器伸长。当驱动器伸长到最大值时，气泵停止转动。此时第三身躯部3的直流吸盘式电磁铁通电，使的第三身躯部3的机械刚毛上的压力弹簧压缩，第三身躯部3的机械刚毛整体收缩，此时后端不固定，前端固定。第二身躯部2的排气阀通电，驱动器的压缩气体迅速逸出，橡胶伸缩管驱动器恢复长度。对于仿蚯蚓的机器人而言，整体前移一个蠕动步长。

(2)左右蠕动。准备左转时，第一身躯部1的直流吸盘式电磁铁通电，使得第一身躯部1的机械刚毛上的压力弹簧压缩，则第一身躯部1的机械刚毛整体收缩，此时前端不固定，后端固定。同时气泵正转不断压缩气体进入橡胶伸缩管，左侧管前端的电磁阀上电，阀门关闭，左侧驱动器不进气。右侧和上侧驱动器进气。此时右侧橡胶伸缩管驱动器伸长。当驱动器伸长到最大值时，气泵停止转动。此时第三身躯部3的直流吸盘式电磁铁通电，使得第三身躯部3的机械刚毛上的压力弹簧压缩，第三身躯部3的机械刚毛整体收缩，此时后端不固定，前端固定。第二身躯部2的排气阀通电，驱动器的压缩气体迅速逸出，橡胶伸缩管驱动器恢复长度。对于仿蚯蚓的机器人而言，整体向左蠕动一个步长。准备右转时，与左转类似。

(3)上下蠕动。准备上坡爬行时，第一身躯部1的直流吸盘式电磁铁通电，使得第一身躯部1的机械刚毛上的压力弹簧压缩，则第一身躯部1的机械刚毛整体收缩，此时前端不固定，后端固定。同时气泵正转不断压缩气体进入橡胶伸缩管，上侧管前端的电磁阀上电，阀门关闭，上侧驱动器不进器，左右两侧驱动器进气。此时左右侧橡胶伸缩管驱动器伸长。当驱动器伸长到最大值时，气泵停止转动。此时第三身躯部3的直流吸盘式电磁铁通电，使的第三身躯部3的机械刚毛上的压力弹簧压缩，第三身躯部3的机械刚毛整体收缩，此时后端不固定，前端固定。第二身躯部2的排气阀通电，驱动器的压缩气体迅速逸出，橡胶伸缩管驱动器恢复长度。对于仿蚯蚓的机器人而言，整体向上蠕动一个步长。准备下坡，与上坡类似。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，其特征在于，包括：第一身躯部、第二身躯部、第三身躯部，其中，所述第一身躯部与第二身躯部通过第一伸缩部相连，所述第二身躯部与第三身躯部通过第二伸缩部相连，所述第一伸缩部与第二伸缩部分别由设于第二身躯部的控制器进行控制伸缩；

所述第一身躯部、第三身躯部的下部设有机械刚毛。

2.根据权利要求1所述的基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，其特征在于，所述第一身躯部、第三身躯部内分别设置有U型件、挡板、压力弹簧，所述U型件与挡板固定连接，所述压力弹簧的上端与所述挡板固定连接，所述机械刚毛焊接在所述压力弹簧的下端上。

3.根据权利要求1或2所述的基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，其特征在于，所述挡板上设有吸盘式电磁铁，通电时，所述吸盘式电磁铁产生磁场使得所述压力弹簧压缩，从而带动所述机械刚毛收缩。

4.根据权利要求1或2所述的基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，其特征在于，所述机械刚毛为冷板表面镀铬处理得到的倒钩状的流线型机械刚毛。

5.根据权利要求1所述的基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，其特征在于，所述第一伸缩部与第二伸缩部分别包括三个橡胶伸缩驱动器，所述橡胶伸缩驱动器与设于第二身躯部的控制器相连。

6.根据权利要求5所述的基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，其特征在于，所述橡胶伸缩驱动器为一个内部缠绕有螺旋钢丝的橡胶管，所述橡胶伸缩驱动器与气泵相连，当气泵将气体充入所述橡胶管时，橡胶管伸长，当气体从所述橡胶管内排出时，橡胶管恢复原形。

7.根据权利要求5或6所述的基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，其特征在于，所述第二身躯部内设置有气泵、气阀转接头、排气阀、二位二通微型电磁阀及风扇，所述气泵通过气管与所述气阀转接头相连通，所述气阀转接头与所述橡胶伸缩驱动器相连通，所述二位二通微型电磁阀设置于所述气阀转接头与橡胶伸缩驱动器之间。

8.根据权利要求5或6所述的基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，其特征在于，所述橡胶伸缩驱动器内设置有压力传感器，所述压力传感器与所述控制器相连，用于检测所述橡胶伸缩驱动器内的气体压力并将所述气体压力的数据发送至所述控制器。

9.根据权利要求1所述的基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，其特征在于，所述第一身躯部还包括舵机，所述舵机具有一个旋转自由度，所述舵机用于调整所述第一身躯部的前进方向。

10.根据权利要求1所述的基于蚯蚓运动原理的气动式软体运动机器人，其特征在于，所述控制器还与传感器模块及无线通信模块相连，所述传感器模块用于获取环境参数的数据，所述无线通信模块用于与控制终端通信以接收控制终端的无线控制信号及发送环境参数的数据至控制终端。