CN106927000B - 变压双向弯曲模块、s型弯曲前行模块及软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压双向弯曲模块、S型弯曲前行模块及软体机器人，其中变压双向弯曲模块，包括两个变压腔，所述变压腔由柔性平面和柔性波纹面连接围成，两个所述变压腔的柔性平面相互贴合；所述变压腔的一端设有流体入口，另一端设有流体出口。S型弯曲前行模块及软体机器人至少包括两个变压双向弯曲模块，相邻两变压双向弯曲模块的异侧的变压腔相互连通。本发明的变压双向弯曲模块可以实现双向弯曲变形，通过将变压双向弯曲模块依次连接可实现周期性的S行弯曲摆动，本发明的水中软体机器人结构简单，可高相似度地模仿水下生物的运动方式。

Description

变压双向弯曲模块、S型弯曲前行模块及软体机器人

技术领域

本发明涉及软体智能器件，尤其涉及一种变压双向弯曲模块、S型弯曲前行模块及软体机器人。

背景技术

随着仿生学、机器人学、流体力学、电磁学、新型材料科学、自动控制理论等学科的不断进步，以及海洋经济的发展和军事需求的增加，科研工作者把目光投向了长期生活在水下的各种生物运动机理的研究上。与此同时，经过几亿年的进化以后，鱼类具备了非常出色的水下游动能力，不仅可以长时间巡游保持低能耗、高效率，而且表现出良好的机动性。

目前广泛应用的水下航行器基本都是采用螺旋桨推进，由于在螺旋桨尾部的水流分离、漩涡多、气泡大等原因造成明显的能量损失，其推进效率只能达到40％；而鱼类推进效率可以达到80％以上。

随着近年来仿生生物学的应用，鱼类水下游动的高机动性，高效率，以及对环境扰动小等优点在水下航行器备受推崇，且在民用、军事领域有着十分广阔的应用前景。

现有的软体仿生水下机器人的驱动部件只能实现水下软体机器人躯体单单顺时针或逆时针弯曲，然后恢复初始状态，无法使软体机器人躯体既能顺时针弯曲又能逆时针弯曲。

目前还没有模块化的软材料部件实现软体机器人躯体S型弯曲前行。而许多水下生物在运动过程中，其躯体都是通过周期性的S型弯曲产生实际的位移，单靠单一弯曲方向扭转很难高相似度地还原水下特定生物的运动，而一体化构造S型弯曲驱动部件又需要大量地时间成本，设计的复杂度较大。

发明内容

本发明提供了一种变压双向弯曲模块，通过改变该模块内部的压力可以实现该模块的双向弯曲。

一种变压双向弯曲模块，包括两个变压腔，所述变压腔由柔性平面和柔性波纹面连接围成，两个所述变压腔的柔性平面相互贴合；

所述变压腔的一端设有流体入口，另一端设有流体出口。

根据材料力学的相关原理，物体受外力作用产生的应力相同的情况下，物体的刚度越大，则物体沿外力方向产生的应变越小；同一种材料制成的平面和波纹面，在受到相同大小的外力作用时，波纹面会比平面产生更大的形变，因此通过向变压腔内充入气体或液体，调节两变压腔的压差，可实现该模块的双向弯曲。

本发明的变压双向弯曲模块可以为一体成型，也可以将分别成型的两个变压腔组合而成。

作为优选，所述柔性波纹面的波峰与波谷形状相同，相邻波峰或相邻波谷的间距相等。

波峰与波谷形状相同，相邻波峰或相邻波谷的间距相等，在该模块弯曲变形时形状比较规则。

柔性波纹面的纵截面上，该柔性波纹面的波峰与波谷可以为圆弧形，波峰与波谷之间通过一直线段相切过渡；该柔性波纹面的纵截面可以为正弦波、半圆波、三角波或矩形波等。

作为优选，所述柔性波纹面的纵截面为三角波。

进一步优选的，相邻波峰或相邻波谷的夹角为30°～60°。

该形状的柔性波纹面在变压腔内相同压力差的条件下，变压双向弯曲模块刚度越小，则变压双向弯曲模块越容易弯曲变形。

进一步优选的，波峰最高点与波谷最低点的高度差为20～25mm。

在变压腔内相同压力差的条件下，波峰最高点与波谷最低点的高度差越大，则变压双向弯曲模块刚度越小，越容易弯曲变形；反之，则变压双向弯曲模块刚度越大，越不容易弯曲变形。

柔性波纹面的横截面为弧形、三角形或矩形等。

作为优选，所述柔性平面和柔性波纹面采用硅胶制成。

进一步优选的，所述柔性平面和柔性波纹面的厚度为1～5mm。

硅胶结构稳定、机械强度高，在以该厚度的硅胶为柔性平面和柔性波纹面时，变压双向弯曲模块可承受较大的内部压强，使其能够充分弯曲变形。

本发明还提供了一种S型弯曲前行模块，至少包括两个如上所述的变压双向弯曲模块，相邻两变压双向弯曲模块的异侧的变压腔相互连通。

相邻两变压双向弯曲模块的异侧的变压腔相互连通是指：在前变压双向弯曲模块左侧变压腔的流体出口通过连通管与在后变压双向弯曲模块右侧变压腔的流体入口连通，在前变压双向弯曲模块右侧变压腔的流体出口通过连通管与在后变压双向弯曲模块左侧变压腔的流体入口连通。

当两侧变压腔内形成一定压差时，相邻的两个变压双向弯曲模块则向相反的两个方向弯曲变形，呈S形；当改变两侧变压腔内压差方向时，相邻的两个变压双向弯曲模块则会呈反S形；当按照一定频率改变两侧变压腔内压差方向时，相邻的两个变压双向弯曲模块则会按照相同的频率呈周期性的S型弯曲摆动。

该S型弯曲前行模块结构简单，可用于软体机器人，模仿生物进行周期性的S型弯曲摆动，以产生实际位移。

本发明还提供了一种水中软体机器人，

包括躯干，所述躯干的头部安装有驱动头，所述躯干的尾部安装有辅助摆尾；

所述躯干至少包括两个如上所述的变压双向弯曲模块，相邻两变压双向弯曲模块的异侧的变压腔相互连通；躯干尾部的变压双向弯曲模块的流体出口密封；

所述驱动头包括：

密封罩；

两个水泵，安装在密封罩内，水泵的出水口与躯干头部的变压双向弯曲模块的流体入口连通；

三向电磁阀，安装在水泵的出水口与流体入口之间的通路上；

控制模块，安装在密封罩内，用于控制水泵与三向电磁阀。

通过两个水泵向两侧变压腔内充水，通过周期性的充水或放水来调节两侧变压腔的压差，使相邻的两个变压双向弯曲模块呈周期性的S型弯曲摆动，从而获得流体周期性的驱动力，在辅助摆尾的辅助下，实现水中软体机器人在水中的运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的变压双向弯曲模块可以实现双向弯曲变形，通过将变压双向弯曲模块依次连接可实现周期性的S行弯曲摆动，本发明的水中软体机器人结构简单，可高相似度地模仿水下生物的运动方式。

附图说明

图1为实施例1中单个弯曲部件的结构示意图；

图2为实施例1中单个弯曲部件的纵截面的结构示意图；

图3为实施例1中单个弯曲部件的横截面的结构示意图；

图4为实施例2中S型弯曲前行模块的结构示意图；

图5为实施例3中水中软体机器人的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

本实施例的变压双向弯曲模块，包括两个变压腔，如图1所示，变压腔由柔性平面1和柔性波纹面2连接围成，两个变压腔的柔性平面1相互贴合；变压腔的一端设有流体入口3，另一端设有流体出口。

本实施例的变压双向弯曲模块不是一体成型的，包括两个分别成型的变压腔，再将两个变压腔通过粘合剂粘合在一起，组合成变压双向弯曲模块。

其他实施例的变压双向弯曲模块也可以一体成型。

单个变压腔的基本尺寸为100mm×35mm×45mm。

如图2所示，本实施的柔性波纹面的纵截面为三角波，波峰与波谷形状相同，波峰或波谷的夹角为30°，波峰最高点与波谷最低点的高度差为20mm。

如图3所示，柔性波纹面2的横截面为矩形。

柔性平面1和柔性波纹面2采用硅胶制成，厚度为2mm。

变压双向弯曲模块的工作原理：

根据材料力学的相关原理，物体受外力作用产生的应力相同的情况下，物体的刚度越大，则物体沿外力方向产生的应变越小；同一种材料制成的平面和波纹面，在受到相同大小的外力作用时，波纹面会比平面产生更大的形变。

将变压双向弯曲模块的两个变压腔的流体出口堵塞密封，从流体入口向变压腔内充入气体或液体，通过调节两个变压腔内的压强，使两者之间形成一定的压差，可使变压双向弯曲模块弯曲变形，若周期性调节两侧的压差方向，可实现该模块的周期性双向弯曲变形。

实施例2

如图4所示，本实施例的S型弯曲前行模块，包括两个如实施例1所述的变压双向弯曲模块，相邻两变压双向弯曲模块的异侧的变压腔相互连通。

相邻两变压双向弯曲模块的异侧的变压腔相互连通是指：在前变压双向弯曲模块左侧变压腔的流体出口通过连通管5与在后变压双向弯曲模块右侧变压腔的流体入口连通，在前变压双向弯曲模块右侧变压腔的流体出口通过连通管与在后变压双向弯曲模块左侧变压腔的流体入口连通。

将在后变压双向弯曲模块的两个变压腔的流体出口堵塞密封，从在前变压双向弯曲模块的流体入口向变压腔内充入气体或液体，通过调节两个变压腔内的压强，使两者之间形成一定的压差，前后的两个变压双向弯曲模块则向相反的两个方向弯曲变形，呈S形；当改变两侧变压腔内压差方向时，前后的两个变压双向弯曲模块则会呈反S形；当按照一定频率改变两侧变压腔内压差方向时，前后的两个变压双向弯曲模块则会按照相同的频率呈周期性的S型弯曲摆动。

实施例3

如图5所示，本实施例的水中软体机器人，包括躯干，躯干的头部安装有驱动头7，躯干的尾部安装有辅助摆尾8；

躯干至少包括两个如实施例1所述的变压双向弯曲模块6，相邻两变压双向弯曲模块的异侧的变压腔相互连通；躯干尾部的变压双向弯曲模块6的流体出口采用密封塞密封；

驱动头包括：密封罩71以及安装在密封罩内的两个水泵72、三向电磁阀73、控制模块74；水泵72的出水口与躯干头部的变压双向弯曲模块6的流体入口连通；三向电磁阀73安装在水泵的出水口与流体入口之间的通路上，用于控制变压腔的进水和排水；控制模块74用于控制水泵72和三向电磁阀73；控制模块74包括控制电路和电源。

通过两个水泵72向两侧变压腔内充水，通过周期性的充水或放水来调节两侧变压腔的压差，使相邻的两个变压双向弯曲模块呈周期性的S型弯曲摆动，从而获得流体周期性的驱动力，在辅助摆尾8的辅助下，实现水中软体机器人在水中的运动。

本实施例中单个变压腔的基本尺寸为100mm×35mm×45mm。

本实施的柔性波纹面的纵截面为三角波，波峰与波谷形状相同，波峰或波谷的夹角为30。，波峰最高点与波谷最低点的高度差为20mm。

柔性平面和柔性波纹面采用硅胶制成，厚度为2mm。

流体入口和流体出口为带有内螺纹的圆孔4，圆孔4直径为6mm。相邻两变压双向弯曲模块的变压腔通过连通管5连通，连通管5为硅胶管，硅胶管的外径为6mm，内径为4mm，硅胶管的两端带有外螺纹，与圆孔4螺纹配合。尾部的变压双向弯曲模块的变压流体出口使用密封塞密封，密封塞为一端带有外螺纹的硅胶塞，外径为6mm，与圆孔螺纹配合。

辅助摆尾8为扇形，通过粘合剂粘接与尾部的变压双向弯曲模块上，用于控制软体机器人的平衡和运动方向。辅助摆尾8的材质为硅胶，厚度为2mm。

两个水泵72的规格相同，工作功率为60w。

本实施例的水中软体机器人的工作过程：

初始时刻，两个水泵一起往变压腔内泵水，直至腔体内部水压达到0.2个大气压，然后关闭一侧水泵，同时关闭该侧阀门，另一侧水泵继续打开，直至腔体内部压强达到0.5个大气压；由于两侧变压腔内的压强形成0.3个大气压的压强差，整个水中软体机器人呈S形弯曲变形；

然后高压一侧变压腔关闭水泵并打开放水阀门；同时低压一侧变压腔打开水泵并打开管道阀门，直至原高压一侧变压腔内部水压降低到到0.2个大气压，原低压一侧变压腔内部水压升高到0.5个大气压；此时，两侧变压腔内的压强差方向改变，整个水中软体机器人呈反S形弯曲变形；

以此循环，频率为2～3Hz，整个水中软体机器人的躯干呈周期性的S性弯曲摆动。此实施例中的水中软体机器人可以在水下达到的运动速度为3cm～4cm/s。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水中软体机器人，包括躯干，其特征在于，所述躯干的头部安装有驱动头，所述躯干的尾部安装有辅助摆尾；

所述躯干至少包括两个变压双向弯曲模块，相邻两变压双向弯曲模块的异侧的变压腔相互连通；躯干尾部的变压双向弯曲模块的流体出口密封；

所述驱动头包括：

密封罩；

两个水泵，安装在密封罩内，水泵的出水口与躯干头部的变压双向弯曲模块的流体入口连通；

三向电磁阀，安装在水泵的出水口与流体入口之间的通路上；

控制模块，安装在密封罩内，用于控制水泵与三向电磁阀；

所述的变压双向弯曲模块，包括两个变压腔，所述变压腔由柔性平面和柔性波纹面连接围成，两个所述变压腔的柔性平面相互贴合；所述柔性波纹面的纵截面为正弦波、半圆波、三角波或矩形波；

所述变压腔的一端设有流体入口，另一端设有流体出口。

2.根据权利要求1所述的水中软体机器人，其特征在于，所述波纹面的波峰与波谷形状相同，相邻波峰或相邻波谷的间距相等。

3.根据权利要求2所述的水中软体机器人，其特征在于，相邻波峰或相邻波谷的夹角为30°~60°。

4.根据权利要求1所述的水中软体机器人，其特征在于，波峰最高点与波谷最低点的高度差为20~25mm。

5.根据权利要求1所述的水中软体机器人，其特征在于，所述柔性平面和柔性波纹面采用硅胶制成。

6.根据权利要求5所述的水中软体机器人，其特征在于，所述柔性平面和柔性波纹面的厚度为1~5mm。