CN107234621A - 一种仿尺蠖攀爬的气动软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种仿尺蠖攀爬的气动软体机器人，包括弯曲模块以及与弯曲模块端部相连的夹持模块；弯曲模块和夹持模块均为上下堆叠的层状结构，包括可弹性弯曲变形的限制层以及内部设有密封空间且弹性膨胀变形的膨胀层，限制层顶面与膨胀层底面相连，限制层的弹性模量小于膨胀层的弹性模量，膨胀层表面还设有充放气机构与膨胀层内部通连。相对于现有技术的，本发明提出的一种仿尺蠖攀爬的气动软体机器人具有结构简单、控制简单、动作可靠以及适应性强等优点。

Description

一种仿尺蠖攀爬的气动软体机器人

技术领域

本发明涉及机器人自动化控制领域，特别涉及一种仿尺蠖攀爬的气动软体机器人。

背景技术

在农业、林业和建筑业以及军事侦察上，机器人需要应对各种不规则且复杂的地理环境以及高空作业应用场景中，例如果树剪枝、果实采摘、茶叶和花蜜采集、路灯维修更换、电线架设检查等工作。机器人需要具备较强的环境适应性才能应付各种不同复杂环境以进行作业工作。

近年来，国内外研制不少用于攀爬的机器人系统，主要分为用于爬杆和爬壁两大类。国外学者公布了3DCLIMBER、RiSE、Stickybot等机器人系统，而国内也相继研发出Climbot、Wallbot等系统，这些刚体攀爬机器人能够在一些指定尺寸、形状或者一定粗糙度、光滑度的壁面进行攀爬。

传统刚体机器人在复杂以及未知动态环境中进行工作时，由于传统刚体机器人本身存在不够灵活、环境适应性较差、体积笨重以及噪声大等缺点，因此造成传统刚体机器人适应能力不强。

随着材料学等交叉学科的发展，软体机器人为解决传统刚体机器人面对的技术问题提供了广阔的空间以及发展思路。其中，因为软体机器人由柔性材料构成，理论上具有无限自由度，能够呈现出任意的连续变形。

与传统的刚体攀爬机器人不同，软体攀爬机器人对不同的环境中均拥有出色的攀爬能力。其中韩国首尔大学使用软电路板作为躯体，SMA弹簧为驱动，从而研制成高集成度的Omegabot，其能够在一定结构化或非结构化攀爬环境中进行攀爬使用，但负载能力非常小。而美国科学家使用软质材料研制出一种多步态的四足气动爬行机器人，其能够抗压和抗高温，但爬行速度非常缓慢且只能在平地进行爬行。中国科技大学研制了一款SMA丝驱动的仿海星机器人，其能够在水中进行游动但在陆地上的爬行能力较差。

因此，研制一种能适用于平地、杆件环境并且结构简单、爬行速度快以及制造成本低的软体机器人是非常必要的。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种结构简单、控制简单、动作可靠以及适应性强仿尺蠖攀爬的气动软体机器人，旨在扩大软体机器人的应用范围。

为实现上述目的，本发明提出的一种仿尺蠖攀爬的气动软体机器人，其特征在于，包括弯曲模块以及与所述弯曲模块端部相连的夹持模块；所述弯曲模块和所述夹持模块均为上下堆叠的层状结构，包括可弹性弯曲变形的限制层以及内部设有密封空间且弹性膨胀变形的膨胀层，所述限制层顶面与所述膨胀层底面相连，所述限制层的弹性模量小于所述膨胀层的弹性模量，所述膨胀层表面还设有充放气机构与所述膨胀层内部通连。

优选地，所述限制层内部设有弹性模量小于所述膨胀层弹性模量的内部限制层。

优选地，所述内部限制层为玻璃纤维层。

优选地，所述弯曲模块和/或所述夹持模块的中部外表面包裹有限形网。

优选地，所述充放气机构包括与所述膨胀层内部通连的气管，所述气管的另一端与气管接头相连。

优选地，所述膨胀层底面和所述限制层顶面粘接相连。

优选地，所述膨胀层和所述限制层为硅橡胶材质或硅胶材质。

优选地，所述弯曲模块的两端分别与所述夹持模块的中部垂直相连。

优选地，所述弯曲模块的端部设有第一搭接块，所述夹持模块中部设有第二搭接块，所述第一搭接块和所述第二搭接块以胶接方式紧密连接。

本发明技术方案通过采用通过在内部设有密封空间且可膨胀变形的膨胀层底部相连有弹性模量相对较小的限制层，从而使得膨胀层的端部在膨胀变形时受到限制层的约束而向限制层中心进行靠拢，这样既可实现两端的夹持模块可靠地夹持棒状物，同时弯曲模块弯曲变形或恢复平直状态从而推动或拉动未处于夹持状态的夹持模块进行移动。通过弯曲模块以及夹持模块相互配合交替作用，使得本发明技术方案的仿尺蠖攀爬的气动软体机器人沿着棒状物或者地面可靠地移动。

另外，通过在限制层内部设置弹性量小于膨胀层的内部限制层，并且优选地，该内部限制层为玻璃纤维，这样使得限制层在整体结构上实现对膨胀层进行可靠约束变形，膨胀层在膨胀过程中，膨胀层两端朝特定方向进行变形以保证夹持的可靠性。

因为膨胀层的膨胀变形是沿着各个方向进行膨胀变形，通过在弯曲模块和/或夹持模块的中部外表面包裹限形网，这样使得膨胀层在膨胀变形时，膨胀层的端部不会受到约束，膨胀层端部可靠地向限制层中心靠拢而不会受限，而膨胀层的中部位置则会受到限制，以避免膨胀层变形过大造成破损。

本发明技术方案中，膨胀层底面和限制层顶面粘接相连，并且膨胀层和限制层可为硅橡胶材质或硅胶材质。通过粘接方式使得膨胀层和限制层在变形时，两者之间充分接触且受力较为均匀，限制层对膨胀层可靠约束。并且膨胀层和限制层可为硅橡胶材质或硅胶材质，使得限制层对棒状物进行夹持时内部摩擦力较大，使得气动软体机器人可靠地夹紧棒状物以避免发生坠落。

相对于现有技术，本发明技术方案气动软体机器人具有以下优点：

1)控制简单。本发明的气动软体机器人中，位于端部的夹持模块以及弯曲模块只需通过向其膨胀层充入气体或者释放气体即可完成相应的夹持或者弯曲动作，以完成夹持或者移动的步骤。

2)动作可靠。通过在限制层内部加入玻璃纤维作为内部限制层，使得限制层的弹性模量降低，以使得限制层对膨胀层的膨胀约束更加可靠，并且弯曲模块和夹持模块中部均包裹有限形网，这样使得膨胀层膨胀过程中不会变形过大造成破损，同时也保证膨胀层两端向限制层中部可靠进行膨胀变形以对棒状物可靠夹持。本发明技术方案中的弯曲模块和夹持模块均为硅橡胶或硅胶，因此夹持或者与地面的摩擦力都较大，以保证工作过程的可靠性。

3)适应性强。本发明技术方案的气动软体机器人通过弯曲模块和夹持模块交替配合进行动作，可以适用于树枝、桁架等棒状的结构，或者应用于地面进行攀爬等动作，因此具有较强的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明仿尺蠖攀爬的气动软体机器人的外形结构示意图；

图2为本发明夹持模块的零件爆炸图；

图3为本发明弯曲模块的零件爆炸图；

图4为本发明仿尺蠖攀爬的气动软体机器人攀爬棒状物的过程示意图；

图5为本发明仿尺蠖攀爬的气动软体机器人平地爬行的过程示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	弯曲模块	7	限制层
2	夹持模块	8	内部限制层
				3	限形网	9	第二搭接块
4	气管	10	第一搭接块
				5	气管接头	11	棒状物
6	膨胀层

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各棒状物之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种仿尺蠖攀爬的气动软体机器人。

请参见图1至图3，在本发明实施例中，仿尺蠖攀爬的气动软体机器人包括弯曲模块1以及与弯曲模块1端部相连的夹持模块2，本发明实施例中，弯曲模块1的两端分别与夹持模块2的中部垂直相连，并且弯曲模块2的端部设有第一搭接块10，而夹持模块2的中部设有第二搭接块9，第一搭接块10和第二搭接块9以胶接方式紧密连接。本实施例中，弯曲模块1和夹持模块2均为上下堆叠的层状结构，其中弯曲模块1以及夹持模块2在结构设置上均包括可弹性变形的限制层7以及内部设有密封空间且可弹性膨胀变形的膨胀层6，限制层7顶面与膨胀层6底面相连，并且限制层7的弹性模量小于膨胀层6的弹性模量，同时膨胀层6表面还设有充放气结构与膨胀层6内部通连。

本发明实施例中，限制层7内部设有弹性模量小于膨胀层6弹性模块的内部限制层7，优选地，内部限制层8为玻璃纤维层。

本发明实施例中，弯曲模块1以及夹持模块1的中部外表面包裹有限形网3。

本发明实施例中，充放气机构包括与膨胀层6内部通连的气管4，而气管4的另一端与气管接头5相连。

本发明实施例中，膨胀层6底面与限制层7顶面以粘接方式相连，并且膨胀层6和限制层7均为硅橡胶材料或硅胶材质，而在本发明的其他实施例中，膨胀层6和限制层7为硅胶材料。

请参见图1至图4，本发明实施例的仿尺蠖攀爬的气动软体机器人在工作时，首先通过机器人前端的夹持模块2的气管接头5向膨胀层6内通入气体，这样使得膨胀层6冲入气体后进行弹性膨胀变形，膨胀层6变形时，膨胀层6表面是整体向外扩张。因为与膨胀层6底面相连的限制层7，其弹性模量小于膨胀层6的弹性模量，因此限制层7会随着膨胀层6不断进行膨胀而对膨胀层6两端拉紧，从而使得膨胀层6的两端向限制层7中心靠拢，并且膨胀层6整体呈近似C字型结构。随着膨胀层6的两端逐渐靠拢，最终使得前端的夹持模块2将树枝、桁架等与弯曲模块1平行的棒状物11夹紧。

当前端的夹持模块2紧抱棒状物后，然后继续向弯曲模块1的膨胀层6通入气体，使得膨胀层6受到限制层约束而向限制层7中部收缩靠拢，弯曲模块1弯曲收缩从而将后端的夹持模块2向前端的夹持模块2靠拢。然后再向后端的夹持模块2的膨胀层6通入气体，使得后端的夹持模块2的膨胀层6受到限制层约束后，后端的夹持模块2的两端向中部靠拢以夹紧棒状物11。当后端的夹持模块2夹紧棒状物11后，通过气管4和气管接头5将前端的夹持模块2以及弯曲模块1的膨胀层6进行放气，前端的夹持模块2放气后松开对棒状物11的夹持作用力，弯曲模块1的膨胀层6放气进行回弹，而在弯曲模块1回弹过程中，弯曲模块1将前端的夹持模块2拉动向前，最终使得前端的夹持模块2被弯曲模块1向前推动一定距离。

然后依次对前端的夹持模块2的膨胀层6再次充入气体使得前端的夹持模块2收缩夹紧棒状物11，然后需要对后端的夹持模块2的膨胀层6则释放其内部气体，当后端的夹持模块2松开对棒状物11夹持后，再对弯曲模块1的膨胀层6进行使其充气回缩，使得弯曲模块1带动后端的夹持模块2朝向前端的夹持模块2挪动一定距离，然后后端的夹持模块2的膨胀层6再次充气以夹持棒状物11，这样既完成气动软体机器人的一次正向移动过程。

通过上述控制过程，使得气动软体机器人沿着棒状物11一个方向向前移动，其中气动软体机器人移动过程近似于尺蠖攀爬过程，因此使得本发明技术方案的气动软体机器人可靠地向前移动。另外，当气动软体机器人按照与上述控制过程的逆向运动时，则可实现气动软体机器人的反向运动。

请参见图1、图2、图3以及图5，而本实施例的气动软体机器人需要在平地进行移动时，首先对后端的夹持模块2的膨胀层6进行充气，使其膨胀层6两端向限制层7靠拢，以使其呈圆拱状态，这样使得后端的夹持模块2与地面的摩擦力较小；然后对弯曲模块1的膨胀层6进行充气，使得弯曲模块1带动后端的夹持模块2向前端的夹持模块2靠拢；然后再对后端的夹持模块2的膨胀层6进行放气，使得后端的夹持模块2的限制层与地面的摩擦力增大，同时对前端的夹持模块2的膨胀层6进行充气，使其呈圆拱状态以减小于地面的摩擦力。最后通过对弯曲模块1的膨胀层6进行放弃使得弯曲模块1恢复平直状态时，在后端的夹持模块2与地面摩擦力的支撑下，弯曲模块1推动前端的夹持模块2向前移动一定距离，然后再对前端的夹持模块2的膨胀层6放气，这样前端的夹持模块2的限制层7则与地面充分接触。

通过上述的过程即可完成气动软体机器人在平地上的移动，另外可以通过增大后端的夹持模块2的限制层7与地面的摩擦力，如在限制层7底面增大磨砂面积或者设置滚花等结构，使得弯曲模块1带动前端的夹持模块2向前时更加可靠。

本发明实施例中，通过在内部设有密封空间且可膨胀变形的膨胀层6底部相连有弹性模量相对较小的限制层7，从而使得膨胀层6的端部在膨胀变形时受到限制层7的约束而向限制层7中心进行靠拢，这样既可实现两端的夹持模块2可靠地夹持棒状物11，同时弯曲模块1弯曲变形或恢复平直状态从而推动或拉动未处于夹持状态的夹持模块2进行移动。通过弯曲模块1以及夹持模块2相互配合交替作用，使得本实施例的仿尺蠖攀爬的气动软体机器人沿着棒状物11或者地面可靠地移动。

本发明实施例中，通过在限制层7内部设置弹性量小于膨胀层3的内部限制层8，并且优选地，该内部限制层8为玻璃纤维，这样使得限制层7在整体结构上实现对膨胀层6进行可靠约束变形，膨胀层6在膨胀过程中，膨胀层6两端朝特定方向进行变形以保证夹持的可靠性。

本发明实施例中，因为膨胀层6的膨胀变形是沿着各个方向进行膨胀变形，通过在弯曲模块1和/或夹持模块2的中部外表面包裹限形网，这样使得膨胀层6在膨胀变形时，膨胀层6的端部不会受到约束，膨胀层6端部可靠地向限制层7中心靠拢而不会受限，而膨胀层6的中部位置则会受到限制，以避免膨胀层6变形过大造成破损。

本发明实施例中，膨胀层6底面和限制层7顶面粘接相连，并且膨胀层6和限制层7可为硅橡胶材质或硅胶材质。通过粘接方式使得膨胀层6和限制层7在变形时，两者之间充分接触且受力较为均匀，限制层7对膨胀层6可靠约束。并且膨胀层5和限制层7可为硅橡胶材质或硅胶材质，使得限制层7对棒状物11进行夹持时内部摩擦力较大，使得气动软体机器人可靠地夹紧棒状物11以避免发生坠落。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种仿尺蠖攀爬的气动软体机器人，其特征在于，包括弯曲模块以及与所述弯曲模块端部相连的夹持模块；所述弯曲模块和所述夹持模块均为上下堆叠的层状结构，包括可弹性弯曲变形的限制层以及内部设有密封空间且弹性膨胀变形的膨胀层，所述限制层顶面与所述膨胀层底面相连，所述限制层的弹性模量小于所述膨胀层的弹性模量，所述膨胀层表面还设有充放气机构与所述膨胀层内部通连。

2.如权利要求1所述的仿尺蠖攀爬的气动软体机器人，其特征在于，所述限制层内部设有弹性模量小于所述膨胀层弹性模量的内部限制层。

3.如权利要求2所述的仿尺蠖攀爬的气动软体机器人，其特征在于，所述内部限制层为玻璃纤维层。

4.如权利要求2所述的仿尺蠖攀爬的气动软体机器人，其特征在于，所述弯曲模块和/或所述夹持模块的中部外表面包裹有限形网。

5.如权利要求1所述的仿尺蠖攀爬的气动软体机器人，其特征在于，所述充放气机构包括与所述膨胀层内部通连的气管，所述气管的另一端与气管接头相连。

6.如权利要求1所述的仿尺蠖攀爬的气动软体机器人，其特征在于，所述膨胀层底面和所述限制层顶面粘接相连。

7.如权利要求6所述的仿尺蠖攀爬的气动软体机器人，其特征在于，所述膨胀层和所述限制层为硅橡胶材质或硅胶材质。

8.如权利要求1所述的仿尺蠖攀爬的气动软体机器人，其特征在于，所述弯曲模块的两端分别与所述夹持模块的中部垂直相连。

9.如权利要求2所述的仿尺蠖攀爬的气动软体机器人，其特征在于，所述弯曲模块的端部设有第一搭接块，所述夹持模块中部设有第二搭接块，所述第一搭接块和所述第二搭接块以胶接方式紧密连接。