CN107042518B - 一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼 - Google Patents

Abstract

一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼，它涉及一种流体驱动式软体机器人，本发明为解决现有的硬质青蛙脚蹼柔顺性差、后肢带动脚蹼收回过程产生阻力较大、结构复杂、密封性差的问题。本发明包括开合运动单元、扭转运动单元和两个通气管，开合运动单元与扭转运动单元上、下设置，扭转运动单元中的下基体的内部设有气动通道，开合运动单元中的开合弹性基体的下端设有鱼骨状气动腔，开合运动单元中的板状应变限制层上的定位凸台与扭转运动单元上的横向定位槽配合安装，扭转运动单元的上端面与板状应变限制层粘合，鱼骨状气动腔的一端封闭，鱼骨状气动腔的另一端与一个通气管连接，另一个通气管与软管通孔连接。本发明用于软体机器人上。

Description

一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼

技术领域

本发明涉及一种流体驱动式软体机器人，具体涉及一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼。

背景技术

随着仿生机器人技术、材料技术、制造技术的迅速发展，作为新兴的研究领域，软体机器人倍受全世界研究人员的关注。与传统的硬质机器人相比，软体机器人因其基体材料的柔顺性和依从性，表现出较强的环境适应能力，并且结构简单、制造方便，人机交互安全性好，在救援、勘探、医护等领域有广阔的应用前景。

目前，仿生青蛙脚蹼的设计以刚性材料为主，这种设计承载能力强，但柔韧性较差，踝部承载负担较重，后肢带动脚蹼收回过程产生阻力较大，极大的降低了仿生青蛙游动机器人的游动效率。并且该种脚蹼结构复杂、密封性较差。

发明内容

本发明为解决现有的硬质青蛙脚蹼柔顺性差、后肢带动脚蹼收回过程产生阻力较大、结构复杂、安装困难、密封性差的问题，而提出一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼。

本发明的一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼，其组成包括开合运动单元、扭转运动单元和两个通气管；

扭转运动单元包括扭转弹性基体和螺旋形应变限制层，扭转弹性基体由上基体和下基体一体制成，下基体为圆柱形，下基体的内部设有气动通道，下基体的下部设有与气动通道相通的软管通孔，下基体的外表面设有螺旋槽，上基体为倒梯形结构，上基体的上端面设有两个横向定位槽，螺旋形应变限制层设置在螺旋槽中；

开合运动单元包括开合弹性基体、板状应变限制层、四个薄层弹性蹼和五个硬质脚趾，所述开合弹性基体为长方体，五个硬质脚趾沿开合弹性基体的上端面长度方向均布设置，每相邻两个硬质脚趾之间设置一个薄层弹性蹼，五个硬质脚趾均嵌入在开合弹性基体中，每个薄层弹性蹼同时与硬质脚趾和开合弹性基体连接，所述开合弹性基体的下端设有鱼骨状气动腔，鱼骨状气动腔由一个主气路和四个辅气动通道组成，从俯视看：一个主气路沿纵向设置，四个辅气动通道平行设置且均与主气路垂直设置，四个辅气动通道均与主气路相通；每相邻两个硬质脚趾之间对应一个辅气动通道，板状应变限制层设置在开合弹性基体的下端面，且开合弹性基体与板状应变限制层粘合，板状应变限制层的下端面设有与两个横向定位槽相配合的定位凸台；

开合运动单元与扭转运动单元上、下设置，板状应变限制层上的定位凸台与扭转运动单元上的横向定位槽配合安装，扭转运动单元的上端面与板状应变限制层粘合，鱼骨状气动腔的一端封闭，鱼骨状气动腔的另一端与一个通气管连接，另一个通气管与软管通孔连接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明通过螺旋形应变限制层和扭转弹性基体之间的应变差实现扭转运动，通过板状应变限制层和开合弹性基体之间的应变差实现开合运动，通过上述两种运动形式的复合，在保障推动效率的同时，可以减小游动时后肢带动脚蹼收回过程中产生的阻力。

二、本发明采用集成的设计方法，在柔软的开合弹性基体中嵌入硬质脚趾，兼顾弹性材料的柔韧性和刚性材料的承载能力，减轻踝部承载负担，增强软体脚蹼在实际环境中的应用价值。

三、本发明体积小、重量轻、密封性好、加工方便、成本低。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图；

图2是图1的左视图；

图3是图1的E-E截面视图；

图4是图2的F-F截面视图；

图5是仿生青蛙软体脚蹼充气后展开状态示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式包括开合运动单元A、扭转运动单元B和两个通气管C；

扭转运动单元B包括扭转弹性基体1和螺旋形应变限制层2，扭转弹性基体1由上基体1-1和下基体1-2一体制成，下基体1-2为圆柱形，下基体1-2的内部设有气动通道1-2-1，下基体1-2的下部设有与气动通道1-2-1相通的软管通孔1-2-2，下基体1-2的外表面设有螺旋槽1-2-3，上基体1-1为倒梯形结构，上基体1-1的上端面设有两个横向定位槽1-1-1，螺旋形应变限制层2设置在螺旋槽1-2-3中；

开合运动单元A包括开合弹性基体3、板状应变限制层4、四个薄层弹性蹼5和五个硬质脚趾6，所述开合弹性基体3为长方体，五个硬质脚趾6沿开合弹性基体3的上端面长度方向均布设置，每相邻两个硬质脚趾6之间设置一个薄层弹性蹼5，五个硬质脚趾6均嵌入在开合弹性基体3中，每个薄层弹性蹼5同时与硬质脚趾6和开合弹性基体3连接，所述开合弹性基体3的下端设有鱼骨状气动腔3-1，鱼骨状气动腔3-1由一个主气路3-1-1和四个辅气动通道3-1-2组成，从俯视看：一个主气路3-1-1沿纵向设置，四个辅气动通道3-1-2平行设置且均与主气路3-1-1垂直设置，四个辅气动通道3-1-2均与主气路3-1-1相通；每相邻两个硬质脚趾6之间对应一个辅气动通道3-1-2，板状应变限制层4设置在开合弹性基体3的下端面，且开合弹性基体3与板状应变限制层4粘合，板状应变限制层4的下端面设有与两个横向定位槽1-1-1相配合的定位凸台；

开合运动单元A与扭转运动单元B上、下设置，板状应变限制层4上的定位凸台与扭转运动单元B上的横向定位槽1-1-1配合安装，扭转运动单元B的上端面与板状应变限制层4粘合，鱼骨状气动腔3-1的一端封闭，鱼骨状气动腔3-1的另一端与一个通气管C连接，另一个通气管C与软管通孔1-2-2连接。

扭转运动单元B在螺旋形应变限制层2的作用下，使得扭转弹性基体1在气动通道1-2-1充气时产生扭转运动。开合运动单元A在板状应变限制层4的约束下，使得鱼骨状气动腔3-1通气时开合弹性基体3带动五个硬质脚趾6和四个薄层弹性蹼5产生开合运动。

具体实施方式二：结合图1～图5说明本实施方式，本实施方式的硬质脚趾6采用丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物材料。这种材料在增强脚蹼推动方向的刚度的同时能够减轻仿生青蛙软体脚蹼总体的重量。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的扭转弹性基体1和开合弹性基体3均采用硅橡胶复合材料，且采用模塑浇注成型。该材料弹性好、耐疲劳，可以较好的满足所设计脚蹼对材料性能的需求。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式的板状应变限制层4和两个通气管C均采用硅橡胶复合材料，且采用模塑浇注成型。这种材料保证了整体的弹性和材料之间粘合的紧密性。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的硬质脚趾6采用3D打印加工制成。这样设计可以保证推动过程，脚蹼具有一定的刚度。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的五个硬质脚趾6由左至右依次为第一硬质脚趾6-1、第二硬质脚趾6-2、第三硬质脚趾6-3、第四硬质脚趾6-4和第五硬质脚趾6-5，第二硬质脚趾6-2、第三硬质脚趾6-3、第四硬质脚趾6-4和第五硬质脚趾6-5的长度依次减小，第一硬质脚趾6-1与第三硬质脚趾6-3的长度相同。这样设计更符合青蛙的脚趾特点。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的两个通气管C分别采用插装的方式压入主气路3-1-1的输入端和软管通孔1-2-2中，并通过粘合的方式密封。这样设计可以增加脚蹼的密封性能。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

本发明的工作原理：

将两个通气管C的输入端均与气泵连通，通过两个通气管C分别向鱼骨状气动腔3-1和气动通道1-2-1充入压缩气体，在压缩气体产生的压力作用下使得扭转弹性基体1和开合弹性基体3产生形变，进而实现仿生青蛙软体脚蹼的展开与扭转运动，在一定限制范围的气体压力作用下，仿生青蛙软体脚蹼的展开与扭转运动幅度随着气体压力的增加而增大。当通过两个通气管C的输入端将鱼骨状气动腔3-1和气动通道1-2-1中的压缩气体排出时仿生青蛙软体脚蹼恢复原状态。

Claims (7)

1.一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼，其特征在于：所述脚蹼包括开合运动单元(A)、扭转运动单元(B)和两个通气管(C)；

扭转运动单元(B)包括扭转弹性基体(1)和螺旋形应变限制层(2)，扭转弹性基体(1)由上基体(1-1)和下基体(1-2)一体制成，下基体(1-2)为圆柱形，下基体(1-2)的内部设有气动通道(1-2-1)，下基体(1-2)的下部设有与气动通道(1-2-1)相通的软管通孔(1-2-2)，下基体(1-2)的外表面设有螺旋槽(1-2-3)，上基体(1-1)为倒梯形结构，上基体(1-1)的上端面设有两个横向定位槽(1-1-1)，螺旋形应变限制层(2)设置在螺旋槽(1-2-3)中；

开合运动单元(A)包括开合弹性基体(3)、板状应变限制层(4)、四个薄层弹性蹼(5)和五个硬质脚趾(6)，所述开合弹性基体(3)为长方体，五个硬质脚趾(6)沿开合弹性基体(3)的上端面长度方向均布设置，每相邻两个硬质脚趾(6)之间设置一个薄层弹性蹼(5)，五个硬质脚趾(6)均嵌入在开合弹性基体(3)中，每个薄层弹性蹼(5)同时与硬质脚趾(6)和开合弹性基体(3)连接，所述开合弹性基体(3)的下端设有鱼骨状气动腔(3-1)，鱼骨状气动腔(3-1)由一个主气路(3-1-1)和四个辅气动通道(3-1-2)组成，从俯视看：一个主气路(3-1-1)沿纵向设置，四个辅气动通道(3-1-2)平行设置且均与主气路(3-1-1)垂直设置，四个辅气动通道(3-1-2)均与主气路(3-1-1)相通；每相邻两个硬质脚趾(6)之间对应一个辅气动通道(3-1-2)，板状应变限制层(4)设置在开合弹性基体(3)的下端面，且开合弹性基体(3)与板状应变限制层(4)粘合，板状应变限制层(4)的下端面设有与两个横向定位槽(1-1-1)相配合的定位凸台；

开合运动单元(A)与扭转运动单元(B)上、下设置，板状应变限制层(4)上的定位凸台与扭转运动单元(B)上的横向定位槽(1-1-1)配合安装，扭转运动单元(B)的上端面与板状应变限制层(4)粘合，鱼骨状气动腔(3-1)的一端封闭，鱼骨状气动腔(3-1)的另一端与一个通气管(C)连接，另一个通气管(C)与软管通孔(1-2-2)连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼，其特征在于：所述硬质脚趾(6)采用丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼，其特征在于：所述扭转弹性基体(1)和开合弹性基体(3)均采用硅橡胶复合材料，且采用模塑浇注成型。

4.根据权利要求3所述的一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼，其特征在于：所述板状应变限制层(4)和两个通气管(C)均采用硅橡胶复合材料，且采用模塑浇注成型。

5.根据权利要求4所述的一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼，其特征在于：所述硬质脚趾(6)采用3D打印加工制成。

6.根据权利要求5所述的一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼，其特征在于：所述五个硬质脚趾(6)由左至右依次为第一硬质脚趾(6-1)、第二硬质脚趾(6-2)、第三硬质脚趾(6-3)、第四硬质脚趾(6-4)和第五硬质脚趾(6-5)，第二硬质脚趾(6-2)、第三硬质脚趾(6-3)、第四硬质脚趾(6-4)和第五硬质脚趾(6-5)的长度依次减小，第一硬质脚趾(6-1)与第三硬质脚趾(6-3)的长度相同。

7.根据权利要求6所述的一种具有扭转开合运动形式的仿生青蛙软体脚蹼，其特征在于：所述两个通气管(C)分别采用插装的方式压入主气路(3-1-1)的输入端和软管通孔(1-2-2)中，并通过粘合的方式密封。